蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能2課件

生物化學(xué)趙艷玲2010蛋白質(zhì)的生物功能是以其化學(xué)組成和空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象取決于其一級結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境。第五節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、蛋白質(zhì)功能的多樣性二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)六、氨基酸序列與生物學(xué)功能五、免疫球蛋白四、血紅蛋白分子病三、血紅蛋白的功能：轉(zhuǎn)運(yùn)氧1.催化2.調(diào)節(jié)3.轉(zhuǎn)運(yùn)4.貯存5.運(yùn)動6.結(jié)構(gòu)成分7.支架作用8.防御和進(jìn)攻一、蛋白質(zhì)功能的多樣性二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)血紅蛋白（hemoglobin，Hb）的主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣。紅細(xì)胞成熟期間產(chǎn)生大量的Hb（含3億個Hb），Hb以高濃度（約34％）溶于紅細(xì)胞溶膠中。動脈血中Hb約為96%氧飽和度，靜脈血中則為64%。向組織釋放6.5mlO2/100ml血液。某些過渡金屬的低氧態(tài)（Fe2+和Cu+）具很強(qiáng)的結(jié)合氧傾向。肌紅蛋白－血紅蛋白家族中Fe由原卟啉Ⅸ固定。原卟啉Ⅸ是四吡咯環(huán)系統(tǒng)。1.血紅素

Mb分子中多肽主鏈由長短不一的8段直的α螺旋組成，8段螺旋分別命名為A、B、C、…、H，相應(yīng)的非螺旋肽段稱為NA、AB、…、HC。8個螺旋段大體上組裝成兩層，構(gòu)成肌紅蛋白的單結(jié)構(gòu)域。拐彎處α螺旋受到破壞。Mb的整個分子致密結(jié)實(shí)，分子內(nèi)部只有能容納4個水分子的空間。O2與Mb的結(jié)合Mb中血紅素鐵在第5配位鍵與珠蛋白第93位His的咪唑N結(jié)合，當(dāng)Mb成為MbO2時，第6配位被O2占據(jù)，但去氧后第6配位位置空著。在血紅素基的氧結(jié)合部位一側(cè)，還有另一個His殘基（第64位），與氧分子能緊密接觸。被結(jié)合的氧分子夾在His咪唑環(huán)N和Fe原子之間。氧結(jié)合部位是一個空間位阻區(qū)域。游離在溶液中的鐵卟啉結(jié)合CO比結(jié)合O2強(qiáng)25000倍（b），但在肌紅蛋白中血紅素對CO的親和力僅比O2約大250倍。這里CO的直線結(jié)合受到阻礙主要是遠(yuǎn)側(cè)His的空間位阻造成的。3、與O2結(jié)合的機(jī)制O2的結(jié)合改變Mb的構(gòu)象在去氧Mb中Fe離子只有5個配體，并位于離卟啉環(huán)平面上方0.06nm處，鐵卟啉呈圓頂狀。當(dāng)與O2結(jié)合時，鐵離子被拉回到離卟啉環(huán)平面只有0.02nm處，鐵卟啉變成平面狀。O2F8Histidine空間排斥Feme4.Hb的四級結(jié)構(gòu)亞基締合--中央空穴，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）結(jié)合部位亞基之間的相互作用區(qū)域。Hb的亞基組成脊椎動物的Hb由4個多肽亞基組成，兩個α亞基，兩個β亞基。每個亞基都有一個血紅素基和一個氧結(jié)合部位。胎兒血紅蛋白（HbF）對氧的親和力增高，能有效地通過胎盤從母體的血循環(huán)中吸收氧。不同種屬的Hb氨基酸序列中有9個位置的殘基是共有的，這些高度保守的殘基對Hb的功能有著特殊重要的意義。Hb內(nèi)部非極性氨基酸殘基的位置變化較大，但只是一種疏水殘基被換成另一種疏水殘基，分子內(nèi)部的疏水特性總是被保留下來。1.氧結(jié)合顯著改變Hb的四級結(jié)構(gòu)HbO2與Hb在四級結(jié)構(gòu)上有顯著不同，特別是αβ亞基的相互作用發(fā)生變化。三、血紅蛋白的功能：轉(zhuǎn)運(yùn)氧αβ接觸裝配接觸(α1β1和α2β2)滑動接觸(α1β2和α2β1)762.血紅素鐵的微小移動導(dǎo)致Hb構(gòu)象的轉(zhuǎn)換氧合過程中鐵原子位移引發(fā)的構(gòu)象改變Fe2+移動時，拖動HisF8殘基,并進(jìn)而引起螺旋F和拐彎EF和FG的位移。這些移動傳遞到亞基的界面，引發(fā)構(gòu)象的重調(diào)，導(dǎo)致四級結(jié)構(gòu)的改變。（TR）FHelixFemeFeF8HistidineO2EFFG3.HbO2與Hb代表不同的構(gòu)象態(tài)血紅蛋白存在兩種主要的構(gòu)象：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)）O2對R態(tài)的親和力明顯高于T態(tài)，并且氧的結(jié)合穩(wěn)定R態(tài)。O2與一個處于T態(tài)的血紅蛋白亞基結(jié)合將引發(fā)構(gòu)象由T態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)。有些小分子物質(zhì)（配基）可專一地與蛋白質(zhì)可逆結(jié)合，使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為別構(gòu)效應(yīng)。4.BPG降低Hb對O2的親和力BPG在脫氧Hb中的結(jié)合位點(diǎn)DBGbindingsiteBPG與Hb的相互作用屬于異促別構(gòu)調(diào)節(jié)。BPG把兩個β鏈交聯(lián)在一起，穩(wěn)定Hb的T態(tài)構(gòu)象，促進(jìn)氧的釋放。BPG對Hb的變構(gòu)效應(yīng)物功能BPG濃度的調(diào)節(jié)（濃度升高）對肺中O2的結(jié)合影響不大，但對組織中O2的釋放影響不小。BPG是血紅蛋白的負(fù)效應(yīng)物。BPG（2,3-二磷酸甘油酸）通過與它的兩個β亞基形成鹽鍵穩(wěn)定了血紅蛋白的脫氧態(tài)的構(gòu)象，因而降低脫氧血紅蛋白的氧親和力。

（1）高山適應(yīng)和肺氣腫的生理補(bǔ)償變化：BPG升高。（2）血庫儲血時加入肌苷可防止BPG水平的下降。5.H+、CO2促進(jìn)O2的釋放Bohr效應(yīng)：pH下降使得Hb的氧分?jǐn)?shù)降低。Bohr效應(yīng)具有重要的生理意義。四、血紅蛋白分子?。ㄒ唬┓肿硬∈沁z傳的除精子和卵子之外，人的所有細(xì)胞在正常情況下均為二倍體，存在等位基因?；虻母淖儗?dǎo)致其指導(dǎo)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的改變。與有缺陷的Hb有關(guān)的疾?。?）血紅蛋白?。河捎讦粱颚骆湴l(fā)生了變化（2）地中海貧血：由于缺少了α或β鏈（二）鐮刀狀細(xì)胞貧血病（sickle-cellanemia）紅細(xì)胞脫氧時，鐮刀狀細(xì)胞明顯增加。不正常的Hb稱為HbS。1.鐮刀狀細(xì)胞貧血病由Hb突變引起鐮刀狀細(xì)胞貧血病是一種致死性疾病，但它能抵抗瘧疾。2.HbS氨基酸序列的細(xì)微變化

-鏈N端氨基酸排列順序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…3.HbS可形成纖維狀沉淀脫氧HbS聚集成纖維狀結(jié)構(gòu)6條脫氧HbS纖維狀纏繞成長管狀結(jié)構(gòu)血紅蛋白S線性締合的分子基礎(chǔ)纖維沉淀壓迫細(xì)胞質(zhì)膜，使它彎曲成鐮刀狀。在體外用氰酸鉀處理鐮刀狀細(xì)胞貧血病患者的紅細(xì)胞，可以防止它在缺氧狀態(tài)下形成鐮刀狀。（三）地中海貧血(thalassemia)產(chǎn)生途經(jīng)：（1）缺失一個或多個編碼Hb的基因；（2）一個或多個基因發(fā)生無義突變；（3）突變發(fā)生在編碼區(qū)之外，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄阻斷或hnRNA不正確加工。1.β－地中海貧血β－珠蛋白基因丟失或不能表達(dá)。需依賴胎兒γ鏈的連續(xù)產(chǎn)生以形成有功能的血紅蛋白。多數(shù)不到成熟就夭折。2.α－地中海貧血α－珠蛋白水平低下，形成β4、γ4或δ4同四聚體，它們能結(jié)合氧，但無血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)，總是處于R態(tài)，向組織卸氧的效率差。通常在出生前或出生后不久死亡。五、免疫球蛋白免疫(immunity)

是人類和脊椎動物最重要的防御機(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。在生理水平上免疫系統(tǒng)對入侵的反應(yīng)或應(yīng)答（respone）是多種類型的蛋白質(zhì)、分子和細(xì)胞之間的一套復(fù)雜而協(xié)同的相互作用，然而在個別蛋白質(zhì)水平上免疫反應(yīng)是配體與蛋白質(zhì)可逆結(jié)合的一個生化系統(tǒng)。免疫系統(tǒng)體液免疫系統(tǒng)：針對細(xì)菌感染、胞外病毒以及進(jìn)入生物體的外來蛋白質(zhì)。細(xì)胞免疫系統(tǒng)：破壞被病毒感染的細(xì)胞、某些寄生物和外來的移殖組織?？乖?、抗體的概念免疫反應(yīng)主要涉及淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。淋巴細(xì)胞B細(xì)胞（免疫球蛋白）T細(xì)胞（T細(xì)胞受體）能引起免疫反應(yīng)的任何分子或病原體稱為抗原（antigen）。一個復(fù)雜的抗原可以被若干個不同的抗體結(jié)合。當(dāng)外源物性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、顆粒（細(xì)菌、細(xì)胞、病毒）進(jìn)入人或動物體內(nèi)時，機(jī)體的免疫系統(tǒng)便產(chǎn)生相應(yīng)的免疫球蛋白（immuneglobin），并以之結(jié)合，以消除異物的毒害。此反應(yīng)稱為免疫反應(yīng)，此異物便是抗原(antigen)，此球蛋白便是抗體(antibody)

。抗體的特點(diǎn)：高度特異性；多樣性多克隆抗體和單克隆抗體如果給動物注射抗原,雖然抗原與各種抗體產(chǎn)生細(xì)胞的親和性有所不同,但是還是有大量抗體產(chǎn)生細(xì)胞將與之結(jié)合,結(jié)果血液中出現(xiàn)的抗體源于數(shù)種不同的細(xì)胞克隆，這些抗體就是多克隆抗體（polyclonalantibodies）。如果可以分離到抗體產(chǎn)生細(xì)胞的單克隆，然后使所有的抗體均來自同樣的克隆，這樣制備的抗體稱為單克隆抗體（monoclonalantibodies）。免疫印記法（immunoblotassay或Westernblotting）對不同種屬的細(xì)胞色素C的研究指出具有同種功能的蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的相似性。細(xì)胞色素C由124個殘基構(gòu)成，在生物氧化反應(yīng)中起重要作用。人與黑猩猩、猴、狗、金槍魚、飛蛾和酵母的細(xì)胞色素C比較，其不同的氨基酸殘基數(shù)依