Biochemvi蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

1、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能116蛋白質(zhì)的功能 蛋白質(zhì)是生物功能的載體，每種細(xì)胞活性都依賴于一種或幾種特定的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)行使功能總是依賴于和其它分子的相互作用。被蛋白質(zhì)可逆結(jié)合的分子稱為配體。蛋白質(zhì)與配體相互作用的瞬時(shí)性質(zhì)對(duì)生命至關(guān)重要 作出迅速、可逆的反應(yīng)。蛋白質(zhì)與配體的結(jié)合有專一性。216蛋白質(zhì)的重要功能催化：酶，種類數(shù)目最大的一類蛋白質(zhì)，3000多種。使生物反應(yīng)加速，可以快到1016倍?；旧洗x過程中的每一步反應(yīng)都是有一個(gè)酶來催化的。調(diào)節(jié)：激素如胰島素等，本身不參與直接的化學(xué)反應(yīng)，但是可以調(diào)控其它蛋白質(zhì)的生理功能；調(diào)控基因表達(dá)的蛋白，通過與DNA分子中的特定序列的結(jié)合，激活或抑制鄰近基因的表達(dá)

2、。轉(zhuǎn)運(yùn)：血紅蛋白通過血液運(yùn)輸氧氣；有些蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜上，幫助一些代謝物如葡萄糖、氨基酸、離子、水等的跨膜運(yùn)輸。316蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)功能水通道葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體416蛋白質(zhì)的重要功能貯存：作為氨基酸和N元素的儲(chǔ)備，卵清蛋白（鳥類胚胎發(fā)育）；酪蛋白是奶中最豐富的蛋白質(zhì)；高等植物的種子中常包含多達(dá)60%的儲(chǔ)藏蛋白質(zhì)。運(yùn)動(dòng)：肌肉蛋白質(zhì)使肌肉能夠收縮，細(xì)胞骨架系統(tǒng)和動(dòng)力蛋白使細(xì)胞的分裂、移動(dòng)、胞質(zhì)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)等成為可能。結(jié)構(gòu)：皮、毛、角、甲、蹄中的-角蛋白，骨頭、關(guān)節(jié)、韌帶、肌腱中的膠原蛋白。信號(hào)通路：有些蛋白質(zhì)組成細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的信號(hào)通道體系，介導(dǎo)細(xì)胞對(duì)激素和生長因子的反應(yīng)。通常包括激素受體、蛋白質(zhì)激酶

3、。其中也包括一些起支架作用的蛋白質(zhì)。516細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路signalling pathways616蛋白質(zhì)的重要功能防御和進(jìn)攻：如脊椎動(dòng)物的抗體、凝血酶、抗凍蛋白、毒蛋白。7肌紅蛋白myoglobin和血紅蛋白hemoglobin肌紅蛋白和血紅蛋白是研究得最多的兩個(gè)蛋白質(zhì)，已經(jīng)成為闡釋蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的樣板。血紅蛋白是講解蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)和別構(gòu)調(diào)節(jié)的樣板。肌紅蛋白是動(dòng)物肌肉中貯存氧的蛋白，在動(dòng)物的骨骼肌和心肌中含量豐富，是肌肉呈紅色的原因。血紅蛋白存在于血液的紅細(xì)胞中，每個(gè)紅細(xì)胞中約含3億個(gè)血紅蛋白分子，主要功能是在血液中轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣。8肌紅蛋白myoglobin和血紅蛋白hemoglobin

4、肌紅蛋白只含一條多肽鏈，血紅蛋白則有4個(gè)亞基，每個(gè)亞基都類似一個(gè)肌紅蛋白分子。肌紅蛋白和血紅蛋白都含有一個(gè)叫血紅素的輔基。9血紅素heme血紅素是原卟啉IX與Fe(II)的絡(luò)合物。原卟啉IX由4個(gè)吡咯環(huán)組成。卟啉類化合物有很強(qiáng)的著色力，血紅蛋白中的鐵卟啉使血液呈紅色，葉綠素中的鎂卟啉使植物呈綠色。吡咯pyrrole10肌紅蛋白Mb，myoglobin肌紅蛋白是單體蛋白質(zhì)，只含一條多肽鏈，長153aa。它包含一個(gè)血紅素輔基。去掉血紅素的Mb稱為珠蛋白。Mb多肽鏈含有8段長短不一的-螺旋，分別命名為A, B, H。Mb是一個(gè)折疊緊密的球狀蛋白質(zhì)，內(nèi)部只有一個(gè)能容納4個(gè)水分子的空間，親水的側(cè)鏈基團(tuán)幾

5、乎全部在表面，使其可溶于水。11血紅素是結(jié)合氧的單位血紅素作為肌紅蛋白的輔基非共價(jià)地結(jié)合于Mb分子內(nèi)的疏水空穴中，Mb通過其血紅素輔基結(jié)合O2 。O2的結(jié)合取決于血紅素中Fe的氧化態(tài)，亞鐵離子Fe2+是結(jié)合O2的氧化態(tài)，高鐵離子Fe3+則不能結(jié)合O2。肌紅蛋白的多肽鏈有3個(gè)重要作用：折疊以包裹、固定血紅素輔基；疏水空穴保護(hù)血紅素中的Fe2+不被氧化；為O2的結(jié)合提供一個(gè)恰好的空間。12肌紅蛋白與O2的結(jié)合鐵原子總是傾向于形成6個(gè)配位鍵。在血紅素中，其中4個(gè)配位鍵由卟啉環(huán)中的4個(gè)N原子提供，第5個(gè)配位鍵由His F8的側(cè)鏈咪唑基中的N原子提供。當(dāng)Mb結(jié)合O2時(shí)，O2提供第6個(gè)配位鍵。不結(jié)合O2時(shí)

6、，第6位是空的。Mb蛋白內(nèi)部的疏水環(huán)境中，F(xiàn)e2+不易被氧化，O2被釋放后鐵仍處于亞鐵態(tài)，能與另一分子的O2結(jié)合。13O2的結(jié)合導(dǎo)致Mb構(gòu)象改變血紅素未與O2結(jié)合時(shí)，F(xiàn)e原子高于卟啉環(huán)0.06nm，呈圓頂狀。O2的結(jié)合使Fe原子被拉向相反的方向，F(xiàn)e只高于卟啉環(huán)0.02nm。His F8也跟隨移動(dòng)，導(dǎo)致肽鏈構(gòu)象改變。這個(gè)變化對(duì)于Mb的功能沒有什么特別意義，但對(duì)于血紅蛋白則意義非常。血紅素對(duì)CO的親和力是對(duì)O2的250倍。14血紅蛋白Hb，hemoglobin血紅蛋白也是球蛋白，但是有4個(gè)亞基。成人的血紅蛋白有兩個(gè)-亞基(141aa)，兩個(gè)-亞基(146aa)，是22雜四聚體，每個(gè)亞基各帶一個(gè)血

7、紅素輔基。Hb的每個(gè)亞基的三級(jí)結(jié)構(gòu)都與Mb非常相似，雖然它們的氨基酸序列差別很大(27/141)。15血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)Hb分子近似球形，四個(gè)亞基以四面體方式排列。四個(gè)血紅素輔基都在分子表面的疏水性空穴中。四個(gè)亞基之間有個(gè)中央空穴，是BPG結(jié)合部位。16血紅蛋白與O2的結(jié)合導(dǎo)致亞基構(gòu)象改變Hb的His F8與Fe2+形成配位，F(xiàn)e原子高于卟啉環(huán)0.06nm。O2的結(jié)合導(dǎo)致Fe原子只高于卟啉環(huán)0.02nm。Fe原子的移動(dòng)導(dǎo)致His F8也下移，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)亞基立體構(gòu)象的改變。17與O2的結(jié)合導(dǎo)致Hb四級(jí)結(jié)構(gòu)的顯著變化與O2結(jié)合導(dǎo)致的Hb亞基構(gòu)象變化，并傳導(dǎo)至亞基-亞基之間的界面，導(dǎo)致一些鏈間離子

8、相互作用的斷裂，引起Hb四級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。11與22之間發(fā)生相對(duì)位移。18與O2的結(jié)合導(dǎo)致Hb四級(jí)結(jié)構(gòu)的顯著變化19肌紅蛋白和血紅蛋白與氧氣運(yùn)輸線粒體產(chǎn)生能量的過程需要O2，血紅蛋白和肌紅蛋白在線粒體得到氧氣的過程中發(fā)揮重要作用。20肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線Mb和Hb與O2結(jié)合的特性不同。Mb的氧合曲線為一雙曲線，Hb的氧合曲線為S-型。動(dòng)脈血中Hb的氧飽和度約為96%，回到心臟的靜脈血中Hb 64%氧飽和，1/3的氧被釋放到組織中。Mb可以把O2分配給耗氧的細(xì)胞器線粒體。Mb對(duì)O2的親和力更強(qiáng)，所以能從血液中接收O2。血液循環(huán)中紅細(xì)胞從肺帶走O2，在組織中Mb接收Hb釋放出的O2。21Hb

9、氧合的別構(gòu)效應(yīng)allosteric effect別構(gòu)效應(yīng)：多亞基的蛋白質(zhì)，其中一個(gè)亞基結(jié)合其它分子而發(fā)生構(gòu)象改變，進(jìn)而引起其余亞基以至整個(gè)分子的構(gòu)象、性質(zhì)和功能的變化。同促別構(gòu)效應(yīng)：調(diào)節(jié)物也是正常的配體（如這里的O2），一個(gè)配體的結(jié)合影響同種配體與剩余空位的結(jié)合能力。異促別構(gòu)效應(yīng)：調(diào)節(jié)物是正常配體以外的分子（如BPG對(duì)Hb氧合的調(diào)節(jié)）。22別構(gòu)效應(yīng)allosteric effect在不結(jié)合氧的狀態(tài)，4個(gè)亞基的C-末端處于受限制的構(gòu)象，稱為Hb的T(緊張)態(tài)，而在結(jié)合氧的狀態(tài)下，4個(gè)C-末端幾乎可以完全自由轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為R(松弛)態(tài)。當(dāng)Hb處于T態(tài)構(gòu)象時(shí)，只有-亞基上的血紅素能結(jié)合O2，-亞基上的血

10、紅素被一些氨基酸殘基遮擋住了。-亞基的氧合導(dǎo)致系列的構(gòu)象變化，使Hb從T態(tài)變?yōu)镽態(tài)，這個(gè)構(gòu)象變化使-亞基上的血紅素露出來，可以結(jié)合O2。23Hb結(jié)合O2的協(xié)同效應(yīng)cooperativityHb與氧的親和力弱，但1個(gè)O2與一個(gè)亞基的結(jié)合增加同一Hb分子中其余亞基的氧結(jié)合部位對(duì)O2的親和力，Hb的氧合很快達(dá)到飽和，其氧合曲線呈S形。這種效應(yīng)稱為（正）協(xié)同效應(yīng)。其原因就是O2分子與Hb的亞基結(jié)合后通過別構(gòu)調(diào)節(jié)，改變了Hb的構(gòu)象和性質(zhì)。Hb對(duì)第4個(gè)O2的親和力約是第一個(gè)O2的300倍。Hb氧合的協(xié)同效應(yīng)增加了Hb在肌肉中卸載O2的效率，使它有效地起輸送氧的作用。24肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線25BP

11、G對(duì)Hb氧合的影響2，3-二磷酸甘油酸(BPG)能夠與Hb結(jié)合，通過別構(gòu)效應(yīng)影響Hb的氧合性質(zhì)，是別構(gòu)抑制劑。酶個(gè)Hb四聚體只有一個(gè)BPG結(jié)合部位，位于中央空穴中，高負(fù)電荷的BPG通過靜電相互作用結(jié)合上來。BPG降低Hb對(duì)O2的親和力，使其氧合曲線呈正常的S形。高原適應(yīng)的代償性變化中，BPG濃度升高，降低Hb對(duì)O2的親和力，從而提高對(duì)組織中O2的供應(yīng)。26BPG對(duì)Hb氧合的影響B(tài)PGLys82His2His143Val127H+和CO2對(duì)Hb氧合的影響CO2和H+是組織呼吸的終產(chǎn)物CO2在碳酸酐酶催化下生成HCO3-和H+，這樣增加了組織中的H+濃度。H+濃度增加使Hb的氧合曲線向右移動(dòng)，促進(jìn)Hb釋放O2，這稱為Bohr效應(yīng)。Bohr效應(yīng)有重要的生理意義，使組織更容易獲得氧氣。Bohr效應(yīng)機(jī)制中，H+可與Hb的幾個(gè)氨基