第6章蛋白质的结构与功能.ppt

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1、一、肌红蛋白的结构与功能一、肌红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能三、血红蛋白分子病三、血红蛋白分子病四、免疫球蛋白四、免疫球蛋白五、蛋白质的氨基酸序列与生物学功能五、蛋白质的氨基酸序列与生物学功能（一）、蛋白质功能的多样性（一）、蛋白质功能的多样性 1.催化功能催化功能-酶酶 2.调节功能调节功能-激素、基因调控因子激素、基因调控因子 3.转运功能转运功能-膜转运蛋白、血红膜转运蛋白、血红/血清蛋白血清蛋白 4.贮存功能贮存功能-乳、蛋、谷蛋白乳、蛋、谷蛋白 5.运动功能运动功能-鞭毛、肌肉蛋白鞭毛、肌肉蛋白 6.结构成分结构成分-皮、毛、骨、牙、细胞骨架皮、毛

2、、骨、牙、细胞骨架 7.支架作用支架作用-接头蛋白接头蛋白 8.防御功能防御功能-免疫球蛋白免疫球蛋白 9.异常功能异常功能一、肌红蛋白的结构和功能（一）三级结构（一）三级结构肌红蛋白（肌红蛋白（myoglobin，Mb）主要存在于肌肉中，是主要存在于肌肉中，是哺乳动物哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。的蛋白质。肌红蛋白由一条多肽肌红蛋白由一条多肽链和一个辅基血红素（链和一个辅基血红素（heme）构成，相对分子量构成，相对分子量16700，含，含153个氨基酸残基。除去血红素个氨基酸残基。除去血红素后仅剩下的肽链部分称为脱辅基后仅剩下的肽链部分称为脱辅基

3、蛋白质（蛋白质（apoprotein),又叫又叫珠蛋珠蛋白白，它和血红蛋白的，它和血红蛋白的、亚基有亚基有明显的同源性，它们的构象和功明显的同源性，它们的构象和功能也极为相似。血红素非共价地能也极为相似。血红素非共价地结合在珠蛋白的疏水空穴中。结合在珠蛋白的疏水空穴中。抹香鲸肌红蛋白的三级结构抹香鲸肌红蛋白的三级结构（二）辅基（二）辅基血红素由原卟啉血红素由原卟啉（protoporphyrin）中间结合一个）中间结合一个Fe原子构成，原卟原子构成，原卟啉啉是由是由4个吡咯环个吡咯环通过甲叉桥连接而通过甲叉桥连接而成的扁平环状化合成的扁平环状化合物。物。丙酸基丙酸基乙烯基乙烯基乙烯基乙烯基甲基甲

4、基乙烯基乙烯基血红素血红素卟啉环中央结合卟啉环中央结合Fe原子，原子，Fe原子通常是八面体配位，原子通常是八面体配位，应该有应该有6个配位键，其中个配位键，其中4个与个与4个吡咯环的个吡咯环的N原子相原子相连，另两个配位键分布在连，另两个配位键分布在卟啉环的上下。卟啉环的上下。Fe原子可原子可以是二价的或三价的，相以是二价的或三价的，相应的血红素称为应的血红素称为亚铁亚铁血红血红素（素（ferroheme，heme）和高铁血红素（和高铁血红素（ferriheme，hematin），相应的肌红蛋），相应的肌红蛋白称为白称为亚铁亚铁肌红蛋白肌红蛋白（ferromyoglobin）和高）和高铁肌红蛋

5、白铁肌红蛋白（ferrimyoglobin，metmyoglobin）。）。（三）（三）O2与与Mb的结合的结合近端组氨酸远端组氨酸空间位阻空间位阻CO的毒性作用 第第6个配位位置的空间位阻很重要。游离在溶个配位位置的空间位阻很重要。游离在溶液中的铁卟啉结合液中的铁卟啉结合CO的能力比结合的能力比结合O2强强25000倍，倍，但在肌红蛋白中，血红素对但在肌红蛋白中，血红素对CO的亲和力仅比对的亲和力仅比对O2的亲和力大的亲和力大250倍。肌红蛋白（还有血红蛋白）降倍。肌红蛋白（还有血红蛋白）降低对低对CO的亲和力，可以有效地防止代谢过程中产的亲和力，可以有效地防止代谢过程中产生的少量生的少量C

6、O占据它们的占据它们的O2结合部位。尽管如此，结合部位。尽管如此，当空气中当空气中CO的含量达到的含量达到0.06%0.08%即有中毒即有中毒的危险，达到的危险，达到0.1%则会导致死亡。则会导致死亡。O2 2和CO与肌红蛋白血红素Fe（）的结合肌红蛋白的蛋白质部分的作用 通常情况下，通常情况下，O2分子与分子与Fe（）紧密接触）紧密接触会使会使Fe（）氧化成）氧化成Fe（），溶液中游离的），溶液中游离的亚铁血红素很容易被氧化成高铁血红素，但在亚铁血红素很容易被氧化成高铁血红素，但在肌红蛋白中，由于血红素处于疏水环境中，血肌红蛋白中，由于血红素处于疏水环境中，血红素红素Fe（）不容易被氧化。）

7、不容易被氧化。同样是血红素，与不同的蛋白质结合后，具同样是血红素，与不同的蛋白质结合后，具有不同的功能，如在细胞色素有不同的功能，如在细胞色素C中，血红素起中，血红素起可逆电子载体的作用，过氧化氢酶中，血红素可逆电子载体的作用，过氧化氢酶中，血红素催化催化H2O2歧化成水和歧化成水和O2。肌红蛋白血红素Fe原子的位移 肌红蛋白血红素在没有与肌红蛋白血红素在没有与O2结合时，铁原结合时，铁原子是向第子是向第 5 配位体方向（配位体方向（His F8）突出的。当）突出的。当与与O2结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。肌红蛋白血红素Fe原子的位移 肌红蛋白血红肌红蛋白血红

8、素在没有与素在没有与O2结结合时，铁原子是合时，铁原子是向第向第 5 配位体方配位体方向（向（His F8）突出）突出的。当与的。当与O2结合结合时，铁原子被拉时，铁原子被拉回到卟啉平面。回到卟啉平面。（四）（四）Mb的氧结合曲线的氧结合曲线 MbO2Mb+O2氧合氧合Mb去氧去氧Mb氧合氧合Mb与与去氧去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比的浓度比与氧浓度成正比 氧分数饱和度（氧分数饱和度（fractional satuation）肌红蛋白分子总数肌红蛋白分子总数氧合肌红蛋白分子数氧合肌红蛋白分子数 Y=1 Mb被氧完全饱和被氧完全饱和 Y=0.5 p(O2)=K=P50P50：Mb被氧半饱和时的氧

9、分压被氧半饱和时的氧分压YMb氧结合氧结合/解离曲线解离曲线Hill图图氧与肌红蛋白结合的Hill图二、血红蛋白的结构和功能(hemoglobin，Hb)1、结构：、结构：1、2、1、2亚基亚基卟啉铁卟啉铁肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 血红蛋白血红蛋白远端组氨酸近端组氨酸 肌红蛋白肌红蛋白 /血红蛋白血红蛋白/血红蛋白血红蛋白lAAAA序列不相同，结构相似序列不相同，结构相似l结构决定功能（载氧）结构决定功能（载氧）血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧合具有正协同同促效应，

10、即一个合具有正协同同促效应，即一个O2的结合促进的结合促进同一分子其它亚基与同一分子其它亚基与O2的结合。具有这种性质的结合。具有这种性质的蛋白质称为别构蛋白（也有负协同效应的）。的蛋白质称为别构蛋白（也有负协同效应的）。血红蛋白的别构效应别构效应：别构效应：多亚基蛋白质一般具有多个配体结合部位,一个配体与蛋白质上的一个结合部位的结合影响同一个蛋白质上其他结合部位的亲和力,称为别构效应别构蛋白：别构蛋白：多是寡聚蛋白，每个亚基除了有正常的配体结合部位（结合配体）外，还有别构部位（结合调节物），有时配体结合部位和别构部位分属不同的亚基（活性亚基和调节亚基），配体结合部位之间以及配体结合部位和调节

11、部位之间通过蛋白质构象的变化而相互作用。同促同促(别构别构)效应效应：别构蛋白与一种配基的的结合对于和后续同种配基结合能力的影响，包括（正）协同效应和负协同效应。正协同效应正协同效应：一种配基的结合促进后续同：一种配基的结合促进后续同种配基的结合，种配基的结合，S型结合曲线。型结合曲线。负协同效应负协同效应：一种配基的结合抑制促进后：一种配基的结合抑制促进后续同种配基的结合。续同种配基的结合。异促异促(别构别构)效应效应：就是别构效应，正常配体：就是别构效应，正常配体的结合行为受到另一种配体的结合行为受到另一种配体(调节物调节物)与另一与另一种部位种部位(别构部位别构部位)结合的影响。结合的影

12、响。（二）氧结合引起的（二）氧结合引起的Hb的构象变化的构象变化 变构变构脱氧血红蛋白脱氧血红蛋白 氧合血红蛋白氧合血红蛋白对氧的亲和力低对氧的亲和力低 对氧的亲和力高对氧的亲和力高 1、氧合作用改变、氧合作用改变Hb四级结构四级结构装配接触装配接触滑动接触滑动接触22112112可变可变氧合时，每个氧合时，每个二聚体半分子作为一个刚体移动，这两个二聚体彼二聚体半分子作为一个刚体移动，这两个二聚体彼此滑动。我们将其中一个二聚体看作不动，另一个二聚体将绕一个此滑动。我们将其中一个二聚体看作不动，另一个二聚体将绕一个设想的偏心轴旋转设想的偏心轴旋转15，并平移，并平移0.08nm。血红蛋白氧合时亚

13、基的移动 去氧血红蛋白去氧血红蛋白 1111的移动过程的移动过程 氧合血红蛋白氧合血红蛋白2、Hb的两种不同构象态的两种不同构象态tense staterelaxed state虽然氧虽然氧R态和态和T态的血红蛋白结合，但与态的血红蛋白结合，但与R态的亲和力明显高于态的亲和力明显高于T态，并且氧的结合稳定了态，并且氧的结合稳定了R态。态。R态是氧合血红蛋白的主要存态是氧合血红蛋白的主要存在形式在形式l T T 型血红蛋白肽链之间的型血红蛋白肽链之间的8 8个盐桥个盐桥l 链链C C末端有末端有Tyr-OHTyr-OH可与可与C=OC=O形成氢键形成氢键（三）（三）Hb氧结合曲线氧结合曲线对于具

14、有对于具有n n个结合位点的蛋白个结合位点的蛋白P P：肌红蛋白和血红蛋白氧结合曲线比较肌红蛋白和血红蛋白氧结合曲线比较等轴双曲线S形曲线Hill 方程方程nH=1非协同非协同nH 1正协同正协同nH=n完全协同完全协同Hill系系数数与与配配体体的的结结合合Y(R)relaxed state(T)tense state 血中氧分子的运送：LungMuscle静脉动脉环境氧高时Hb 快速吸收氧分子环境氧低时Hb 迅速释放氧分子释放氧分子后Hb 变回 T state任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力（四）（四）Hb结合氧的调节结合氧的调节1、H+、CO2促进促进O2的释放的

15、释放碳酸酐酶碳酸酐酶H+Hb氧合的拮抗物氧合的拮抗物pH降低时：促进氧的释放降低时：促进氧的释放 缓冲血液缓冲血液pHCO2与与Hb的结合的结合释放的释放的H+有助于有助于Bohr效应效应氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态态 促进氧的释放促进氧的释放在氧分压不变时，低在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放能促进更多的氧释放Bohr效应效应2、BPG降低降低Hb对氧的亲和力对氧的亲和力2，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 Hb异促别构调节的效应物异促别构调节的效应物Hb四聚体只有一个四聚体只有一个BPG结合部位结合部位4个亚基缔合形成个亚基缔合形成的中央空穴内的中央空穴内

16、BPG离子键稳定离子键稳定T态态O2和和BPG与血红蛋白的结合是互相排斥的，虽然它们有与血红蛋白的结合是互相排斥的，虽然它们有自己的结合部位并相隔较远自己的结合部位并相隔较远 氧合氧合Hb中央空穴太小，容纳不了中央空穴太小，容纳不了BPG,BPG对对R态态Hb亲和力的大小顺序为亲和力的大小顺序为:HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 BPG与与Hb(O2)4不结合不结合fetal hemoglobin 胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白 HbF(22)对氧的亲和力比成人高，从母体的对氧的亲和力比成人高，从母体的HbA中中获得获得O2 Ser取代取代His 与与BPG结合能力减弱结合能力减弱氧分数饱和度氧分数饱和度Y分子病：分子病：由于基因突变，导致蛋白质由于基因突变，导致蛋白质中氨基酸种类发生变化，并引起功能中氨基酸种类发生变化，并引起功能降低或丧失。降低或丧失。镰刀型贫血症（镰刀型贫血症（sickle-cell anemia）镰刀状贫血病镰刀状贫血病血液中大量出现血液中大量出现镰刀红细胞，患镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息者因此缺氧窒息正常细胞正常细胞 镰刀形细胞镰刀形细胞w它是最早认识的它是最早