《生物化學(xué)》本科課件第6章+蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

1、第6章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系前言蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)行使其功能的基礎(chǔ)球狀蛋白質(zhì)的構(gòu)象不是剛性的，靜止的，而是柔性的，動態(tài)的蛋白質(zhì)功能總是跟蛋白質(zhì)與其他分子相互作用相聯(lián)系相互作用中蛋白質(zhì)構(gòu)象有時(shí)發(fā)生些微的改變，有時(shí)發(fā)生劇烈的變化正是這種結(jié)構(gòu)的變化賦予了蛋白質(zhì)強(qiáng)大的功能一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能153個(gè)AA8段螺旋（一）三級結(jié)構(gòu) myoglobin，Mb 哺乳動物肌細(xì)胞貯存和分配氧的蛋白質(zhì)，由一條多肽鏈和一個(gè)輔基血紅素構(gòu)成。脫輔基稱為珠蛋白。兩套位置編號，93位His又編為F8（二）輔基原卟啉血紅素蛋白質(zhì)自身不能與氧發(fā)生可逆結(jié)合，需要過渡金屬的低氧態(tài)來結(jié)合氧。肌紅蛋白由原卟啉IX來固定Fe2+。

2、亞鐵螯合酶 Fe原子有6個(gè)配位鍵Fe原子可以是亞鐵（Fe2+）或高鐵（Fe3+）氧化態(tài)，相應(yīng)的血紅素稱為亞鐵血紅素和高鐵血紅素，相應(yīng)的肌紅蛋白稱為亞鐵肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白。只有亞鐵態(tài)的蛋白質(zhì)才能結(jié)合O2（三）O2與Mb的結(jié)合93位空間位阻Mb:CO復(fù)合物游離血紅素：CO咪唑復(fù)合物游離血紅素結(jié)合CO的能力是結(jié)合氧的25000倍，但肌紅蛋白中的血紅素對CO的親和力僅比氧大250倍。有效防止代謝過程中產(chǎn)生的少量CO占據(jù)它們的氧結(jié)合部位。雖如此，CO含量0.060.08%即有中毒危險(xiǎn)，0.1%則窒息死亡?？臻g位阻肌紅蛋白和血紅蛋白多肽微環(huán)境的作用固定血紅素保護(hù)血紅素鐵免遭氧化為氧分子提供一個(gè)合適的結(jié)

3、合部位。（四）Mb的氧結(jié)合曲線 MbO2Mb+O2氧合Mb去氧Mb氧合Mb與去氧Mb的濃度比與氧濃度成正比O2（肺或腮）血紅蛋白O2（組織）肌紅蛋白O2（線粒體）Mb氧分?jǐn)?shù)飽和度（fractional satuation ）給定氧壓下的氧分?jǐn)?shù)飽和度根據(jù)henry定律，溶于液體的任一氣體的濃度與液面上的該氣體分壓成正比。Y值可用分光光度計(jì)法測定Y=1 Mb被氧完全飽和Y=0.5 p(O2)=K=P50P50 ：Mb被氧半飽和時(shí)的氧分壓YMb氧結(jié)合/解離曲線K值方程的實(shí)際曲線是雙曲線形氧結(jié)合曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作的的氧結(jié)合曲線如下：由于該雙曲線方程作圖求K值不方便，通常把方程線性化，步驟如下：氧和

4、血紅蛋白結(jié)合的Hill圖直線斜率是Hill系數(shù)（nH = 1.0),在log(Y/(1-Y)=0, log(O2)=logP50=-pK；也就是K=P50二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能( hemoglobin， Hb )1、結(jié)構(gòu)：1 、2、1、2亞基血紅蛋白在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣。存在血液的紅細(xì)胞中（3億Hb/紅細(xì)胞），脊椎動物的Hb由4個(gè)多肽亞基組成，兩個(gè)是一種亞基，兩個(gè)是另外一種亞基。每個(gè)亞基都有一個(gè)血紅素基和一個(gè)氧結(jié)合部位。不同發(fā)育階段，亞基的種類不同。發(fā)育階段 名稱 a鏈或a樣鏈 b鏈或b樣鏈 亞基組成 胚胎 z e z2e2胎兒 Hb F a g a2 g2出生到死亡 Hb A a b a

5、2b2出生到死亡 Hb A2 a d a2d2各階段間有相當(dāng)多的重疊卟啉鐵2.血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)Hb分子近似球形，所有脊椎動物的Hb都顯示基本相同的三維結(jié)構(gòu)（如圖），四個(gè)亞基占據(jù)4個(gè)頂角，四個(gè)血紅素基分別位于每個(gè)多肽鏈的裂隙處。并暴露在分子表面。肌紅蛋白 血紅蛋白 血紅蛋白血紅蛋白的a鏈和b鏈的三級結(jié)構(gòu)和肌紅蛋白鏈的三級結(jié)構(gòu)非常相似。然而，事實(shí)上141個(gè)氨基酸殘基中只有27個(gè)位置的殘基對于人的這3種多肽鏈?zhǔn)枪灿械摹＿@表明，十分不同的氨基酸序列也能夠規(guī)定出十分相似的三級結(jié)構(gòu)血紅蛋白的b鏈和肌紅蛋白鏈的三級結(jié)構(gòu)十分相似人的三種多肽鏈氨基酸序列比對結(jié)果粉紅色表示高度保守的殘基，灰色表示在人血紅蛋白和

6、肌紅蛋白中的保守殘基。與血紅素的Fe2+離子相互作用的兩個(gè)His殘基是所有蛋白功能所必須的，因此是最保守的殘基。 肌紅蛋白 / 血紅蛋白 / 血紅蛋白AA序列大不相同，結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)決定功能（載氧）（二）氧結(jié)合引起的Hb的構(gòu)象變化 變構(gòu)脫氧血紅蛋白 氧合血紅蛋白對氧的親和力低 對氧的親和力高 1、氧合作用改變Hb四級結(jié)構(gòu)裝配接觸滑動接觸2211接觸面積大2112可變2.血紅素鐵的微小位移導(dǎo)致血紅蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)換這一微小的移動具有很深的生物學(xué)后果。移動的結(jié)果導(dǎo)致維系去氧血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)的鏈間鹽鍵斷裂以及b-亞基之間的空隙變窄。3、Hb的兩種不同構(gòu)象態(tài)緊張態(tài) 松弛態(tài)O2和兩種構(gòu)象態(tài)都能結(jié)合，但是對R態(tài)

7、的親和力明顯高于T態(tài)，并且氧的結(jié)合更穩(wěn)定了R態(tài)。穩(wěn)定T態(tài)的鹽鍵和氫鍵T 型血紅蛋白肽鏈之間的8個(gè)鹽橋鏈C末端有Tyr-OH可與C=O形成氫鍵氧的結(jié)合使穩(wěn)定T態(tài)的鹽鍵和氫鍵發(fā)生斷裂（三）Hb氧結(jié)合曲線對于具有n個(gè)結(jié)合L位點(diǎn)的蛋白P：因此Hb的氧分?jǐn)?shù)飽和度方程為：紅色是理論曲線，藍(lán)色是實(shí)驗(yàn)觀察到的曲線，紫色的是一個(gè)結(jié)合部位S曲線是氧與Hb協(xié)同性結(jié)合的標(biāo)志Hill 方程nH = 1非協(xié)同nH 1正協(xié)同nH =n完全協(xié)同Hill系數(shù)與配體的結(jié)合2.8Hill方程的斜率為nH在log(Y/1-Y)=0的附近接近一直線。因?yàn)镺2與Hb的結(jié)合是協(xié)同的。在p(O2)極高或極低時(shí)都只能結(jié)合一個(gè)氧分子，因此可預(yù)測

8、Hill曲線兩端的斜率應(yīng)為1。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)確實(shí)如此。nH=2.8在中間的氧分壓區(qū)域協(xié)同性最大為2.8，但不能達(dá)到亞基數(shù)目4這個(gè)值，因?yàn)橥耆膮f(xié)同是不存在的。K4約為0.5torr而K1約為148torr，因此Hb對第4個(gè)氧的親和力約為第1個(gè)的300倍。協(xié)同性使得血紅蛋白更能有效地輸送氧氣，協(xié)同效應(yīng)，就是增加血紅蛋白在肌肉中的卸氧效率。(R)relaxed state(T) tense state 血中氧分子的運(yùn)送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle靜脈動脈環(huán)境氧高時(shí)Hb 快速吸收氧分子環(huán)境氧低時(shí)Hb 迅速釋放氧分子釋放氧分子后Hb 變回 T state任何一

9、個(gè)亞基接受氧分子后，會增進(jìn)其它亞基吸附氧分子的能力（四）Hb結(jié)合氧的調(diào)節(jié)1、 H+、CO2促進(jìn)O2的釋放碳酸酐酶H+Hb氧合的拮抗物pH降低時(shí)：促進(jìn)氧的釋放 緩沖血液pH組織中的代謝作用即產(chǎn)生H+，也產(chǎn)生CO2。在氧分壓不變時(shí)，低pH能促進(jìn)更多的氧釋放因此，H+可看作是Hb氧合的拮抗物。Bohr效應(yīng)CO2與Hb的結(jié)合氨甲酸血紅蛋白釋放的H+有助于Bohr效應(yīng)氨甲酸可形成額外的鹽橋：穩(wěn)定T態(tài) 促進(jìn)氧的釋放H+血紅蛋白除從肺到組織轉(zhuǎn)運(yùn)全部的氧外，還轉(zhuǎn)運(yùn)組織中形成的約20%總H+和CO2到肺和腎，以排出體外。2、BPG降低Hb對氧的親和力2，3 - 二磷酸甘油酸 Hb異促別構(gòu)調(diào)節(jié)的效應(yīng)物Hb四聚體只

10、有一個(gè)BPG結(jié)合部位4個(gè)亞基締合形成的中央空穴內(nèi)BPGHb高負(fù)電荷的BPG分子通過與每個(gè)b鏈的Lys b82、His b2、His b143和N-末端Val b1等殘基的荷正電基團(tuán)的靜電相互作用結(jié)合于Hb分子上。離子鍵穩(wěn)定T態(tài)4（ ）4BPG對R態(tài)Hb的親和力至少比對T態(tài)Hb低一個(gè)數(shù)量級。對R態(tài)Hb的親和力順序?yàn)椋篐bO2Hb(O2)2 Hb(O2)3YBPG對Hb氧合曲線的影響hemoglobin fetal Hb F ( 22 ) 對氧的親和力比成人高Ser取代His 與BPG結(jié)合能力減弱氧合Hb中央空穴太小，容納不了BPG,BPG與Hb(O2)4不結(jié)合酸性檸檬酸貯存血液會使BPG濃度下降

11、，加入肌苷即可防止BPG水平的下降，因此，肌苷已廣泛用于血液的保存。分子?。河捎诨蛲蛔儯瑢?dǎo)致蛋白質(zhì)中氨基酸種類發(fā)生變化，并引起功能降低或喪失。鐮刀型貧血癥（sickle-cell anemia）三、血紅蛋白分子病鐮刀狀貧血病血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細(xì)胞，患者因此缺氧窒息正常細(xì)胞 鐮刀形細(xì)胞它是最早認(rèn)識的一種分子病，在非洲某些地區(qū)十分流行死亡率極高由于遺傳基因突變導(dǎo)致血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)突變鐮刀狀細(xì)胞貧血病的雜合子患者的壽命雖也不長，但是它能抵抗一種流行于非洲的瘧疾。自然選擇的結(jié)果使雜合狀態(tài)處于更有利的位置。正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys -鏈 谷氨酸鐮刀型 -Val

12、-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys -鏈 纈氨酸 （極性） （非極性）N2. 鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白的氨基酸序列的細(xì)微變化3. 鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白可形成纖維狀沉淀纖維狀沉淀壓迫細(xì)胞膜，使之彎曲成鐮刀狀。如氧分壓低，鐮刀狀化的程度增加，某些細(xì)胞破裂后，在血管中形成凍膠狀而限制血流。從而使氧分壓進(jìn)一步下降。（三）其他血紅蛋白病血紅蛋白突變影響下述關(guān)鍵區(qū)域之一者都可能造成嚴(yán)重后果突變發(fā)生在血紅蛋白分子表面突變發(fā)生在血紅素基的附近突變發(fā)生在特異的部位 突變發(fā)生在亞基界面上（四）地中海貧血地中海貧血癥可以由幾條途徑產(chǎn)生：缺失一個(gè)或多個(gè)編碼血紅蛋白鏈的基因；所有基因都可能存在，但一個(gè)或多個(gè)基因發(fā)

13、生無義突變，結(jié)果產(chǎn)生縮短了的蛋白鏈，或產(chǎn)生移碼突變，致使合成的鏈含不正確的氨基酸序列所以基因都可能存在，但突變發(fā)生在編碼區(qū)之外，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄或被阻斷或前體mRNA的不正確加工人類基因組含若干個(gè)珠蛋白基因，因此有許多種地中海貧血，其中成人血紅蛋白a和b鏈的缺失或功能錯(cuò)誤能產(chǎn)生兩種類型的地中海貧血b-地中海貧血b-珠蛋白基因丟失或不能被表達(dá)， 一般在幼年就死亡，雜合子癥狀較輕2. a-地中海貧血人每個(gè)染色體上有兩個(gè)鄰接的a鏈拷貝，因此，人可以有4、3、2、1或0個(gè)a基因拷貝，僅含1個(gè)有輕微癥狀。0個(gè)則是致命性的。一般出生前或出生后不久死亡。四、免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白免疫（immunity）是人類和脊椎動

14、物最重要的防御機(jī)制。免疫系統(tǒng)能在分子水平上識別“自我”和“非我”，然后破壞那些被鑒定為非我的實(shí)體。生理水平上：多種類型蛋白質(zhì)，分子和細(xì)胞之間的一套復(fù)雜而協(xié)調(diào)的相互作用個(gè)別蛋白質(zhì)水平上：配體與蛋白質(zhì)可逆結(jié)合的一個(gè)生化系統(tǒng)（一）免疫系統(tǒng)細(xì)胞免疫系統(tǒng)：破壞被病毒感染的宿主細(xì)胞、某些寄生物和外來的移植組織。體液免疫系統(tǒng)：針對細(xì)菌感染，胞外病毒及外來蛋白質(zhì)。骨髓胸腺T 淋巴細(xì)胞巨噬細(xì)胞B 淋巴細(xì)胞抗體骨髓淋巴細(xì)胞單核細(xì)胞漿細(xì)胞記憶細(xì)胞TH細(xì)胞TC細(xì)胞特異抗原MHC結(jié)合抗原淋巴因子胞毒活性樹突狀細(xì)胞與感染的宿主細(xì)胞相互作用與巨噬細(xì)胞相互作用；分泌細(xì)胞因子抗原特異的膜受體在B細(xì)胞中為特異性抗體，可直接識別抗

15、原并與之結(jié)合在T細(xì)胞中為含有可變區(qū)和恒定區(qū)的受體，只能識別與主要組織相容性復(fù)合體（MHC）結(jié)合的抗原人類能產(chǎn)生超過108種具有不同特異性的抗體，因此，任何病毒或入侵細(xì)胞表面上的化學(xué)結(jié)構(gòu)都能被抗體結(jié)合能引起免疫反應(yīng)的任何分子或病原體稱為抗原抗原決定簇；表位半抗原（二）免疫系統(tǒng)能識別自我和非我1、主要組織相容性復(fù)合體（major histocompatibility complex， MHC ) 膜蛋白、呈遞抗原給T細(xì)胞免疫系統(tǒng)必須識別并破壞入侵者和異常者，也必須識別但不破壞生物體自身的正常蛋白和細(xì)胞。蛋白質(zhì)抗原的檢測由MHC蛋白介導(dǎo)。結(jié)合抗原肽的裂隙MHC - I: 幾乎存在所以脊椎動物細(xì)胞表面

16、，能結(jié)合并展示由細(xì)胞內(nèi)隨機(jī)發(fā)生的蛋白質(zhì)降解和更新衍生來的肽。該復(fù)合體是TC細(xì)胞的T細(xì)胞受體的識別靶。95%以上正發(fā)育TC細(xì)胞(包括識別自身蛋白質(zhì)的肽復(fù)合體細(xì)胞）都被消滅，最后只剩下能識別外來肽復(fù)合體的TC細(xì)胞群。（免疫自身耐受）MHC II：主要存在巨噬細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞表面，與該類細(xì)胞吞噬的外來抗原消化的肽段結(jié)合并展示在膜上。和TC細(xì)胞一樣，TH細(xì)胞在胸腺中進(jìn)行嚴(yán)格的選擇，最后只剩下能識別外來肽復(fù)合體的TH細(xì)胞群。每個(gè)T細(xì)胞只有一個(gè)單一類型的T細(xì)胞受體。輔受體輔受體TC細(xì)胞的細(xì)胞膜幾乎所有的細(xì)胞巨噬細(xì)胞或B細(xì)胞TH細(xì)胞的細(xì)胞膜存在于：幾乎所有的脊椎動物細(xì)胞表面結(jié)合并展示：細(xì)胞內(nèi)隨機(jī)發(fā)生的蛋白降

17、解 及更新衍生來的肽(三) 在細(xì)胞表面的分子相互作用引發(fā)免疫反應(yīng)一個(gè)新的抗原經(jīng)常是一個(gè)感染的先兆。少數(shù)具有能與該抗原結(jié)合的受體或抗體的淋巴細(xì)胞必須迅速而有選擇性地增殖以消滅感染。所有的的免疫反應(yīng)都涉及細(xì)胞表面分子的相互作用TH細(xì)胞本身只間接地參與被感染細(xì)胞和病毒的破壞，但它們的作用對整個(gè)免疫反應(yīng)是關(guān)鍵的。（如HIV感染的第一靶就是TH細(xì)胞）（四）免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）的結(jié)構(gòu)和類別 可溶性血清糖蛋白，1.高度的特異性；2.龐大的多樣性（1）免疫球蛋白結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 兩條輕鏈（L）、兩條重鏈（H） 每條鏈都有可變區(qū)（V）、恒定區(qū)（C） 可變區(qū)都在N端 識別和結(jié)合抗原的地方Fa

18、b：Fragment antigen bindingFc： Fragment crystallizableIg G（Fab）2和FcFab（Fragment antigen binding）Fab與抗原的結(jié)合A、IgA：存在于身體的分泌物中B、IgD：存在于B細(xì)胞表面C、IgE：與過敏反應(yīng)有關(guān)D、IgM：初次免疫反應(yīng)初期產(chǎn)生E、IgG：體內(nèi)最多的一類（2）分類IgM 五聚體，只存在于血液中IgG是血液中參與免疫反應(yīng)的最主要的抗體 IgG + 抗原 巨噬細(xì)胞結(jié)合、吞噬（3）基于抗原-抗體反應(yīng)的生化分析方法多克隆抗體：是識別一個(gè)蛋白質(zhì)（抗原）的不同部分（表位）的多種抗體的混合物。單克隆抗體：由同一

19、B細(xì)胞的群體（一個(gè)克隆）合成并分泌的，識別同一表位?？乖?抗體反應(yīng)由于高度特異性已經(jīng)成為許多分析和制備生化方法的核心。如免疫擴(kuò)散和免疫電泳ELISA (酶聯(lián)免疫吸附）Western blot (免疫印跡測定)ELISA免疫印跡樣品純化 前 后單克隆抗體制備五、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮參與需能的收縮活動肌肉組成肌肉肌纖維束肌纖維肌原纖維（一）肌纖維的結(jié)構(gòu)肌原纖維：明帶和暗帶肌節(jié)（二）肌原纖維由粗絲和細(xì)絲組成：粗絲（thick filament） 只分布于暗/A帶細(xì)絲（thick filament） I帶只有細(xì)絲H區(qū)只有粗絲肌球蛋白肌動蛋白粗絲和細(xì)絲均呈六角形排列肌球蛋白肌動蛋白的兩種形式

20、：球狀 ( G actin)纖維狀 ( F actin)單體形式聚合形式K+ 、 Mg2+ 、 ATP存在時(shí)原肌球蛋白肌鈣蛋白 復(fù)合體（三）骨骼肌的相關(guān)蛋白質(zhì)肌球蛋白相關(guān)蛋白質(zhì)：M盤：M蛋白、肌中蛋白和肌酸激酶C蛋白F蛋白H蛋白肌動蛋白相關(guān)蛋白a-輔肌動蛋白，副原肌球蛋白結(jié)蛋白，波形蛋白肌連蛋白伴肌動蛋白共同形成肌原纖維周圍的柔性絲狀網(wǎng)（四）肌肉收縮的機(jī)制：肌絲滑動模型肌肉收縮時(shí)，H區(qū)和I區(qū)寬度減小，但A帶寬度保持不變收縮分子機(jī)制六、 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)化蛋白質(zhì)的多樣性和專一化是在生物進(jìn)化過程中實(shí)現(xiàn)的原始生命原始原核生物（原始細(xì)菌，異養(yǎng)厭養(yǎng)）自養(yǎng)原核生物（藍(lán)藻，自養(yǎng)需氧）真核生物比原核生物結(jié)

21、構(gòu)、功能復(fù)雜通過有絲分裂增殖真核細(xì)胞，有性生殖要進(jìn)行減數(shù)分裂生物進(jìn)化的過程生物的幾種進(jìn)化趨勢（1）無細(xì)胞結(jié)構(gòu) 有細(xì)胞結(jié)構(gòu)原核細(xì)胞結(jié)構(gòu) 真核結(jié)構(gòu)單細(xì)胞結(jié)構(gòu) 多細(xì)胞結(jié)構(gòu)（2）厭氧生物 需氧生物（3）異養(yǎng)生物 自養(yǎng)生物（4）無性生殖 有性生殖生物的進(jìn)化是從簡單到復(fù)雜的過程，那么執(zhí)行生命任務(wù)的蛋白質(zhì)也同樣經(jīng)歷了從簡單到多樣化和專一化的過程。蛋白質(zhì)進(jìn)化的規(guī)律新蛋白質(zhì)是在舊蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過突變、遺傳和自然選擇的進(jìn)化過程產(chǎn)生和發(fā)展起來的。編碼舊蛋白基因突變新蛋白的基因自然選擇適合環(huán)境的新蛋白基因遺傳球蛋白的相對分子質(zhì)量增加時(shí)，親水殘基和疏水殘基的相對比例會發(fā)生什么變化 答：隨著蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量（Mr）