第5章 蛋白质结构与功能

1、第五章第五章 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能 第一节第一节 活性蛋白质与前体活性蛋白质与前体 第二节第二节 血红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能 第三节第三节 分子病分子病 第四节第四节 蛋白质分子进化蛋白质分子进化 第五节第五节 蛋白质变性蛋白质变性 第六节第六节 蛋白质与活性多肽的界限蛋白质与活性多肽的界限 第一节第一节 活性蛋白质与前体活性蛋白质与前体 三、两类前体的不同功能三、两类前体的不同功能 二、酶与酶原二、酶与酶原 一、激素与激素原一、激素与激素原 一、激素与激素原一、激素与激素原 一、激素与激素原一、激素与激素原 （二）脑啡肽与前体（二）脑啡肽与前体 （一）胰岛素与前

2、体（一）胰岛素与前体 （一）胰岛素与前体（一）胰岛素与前体 胰岛素原分子包含一条由胰岛素原分子包含一条由8181 个氨基酸残基组成的多肽链。链个氨基酸残基组成的多肽链。链 内有内有3 3对二硫键。其化学结构如图对二硫键。其化学结构如图 5 5l l所示。所示。 B链（链（ l30）在前、）在前、 A链（链（6181）在后，连接肽）在后，连接肽 （C肽链）插在中间。即：肽链）插在中间。即：H2NBCACOOH 在类胰蛋白酶及类羧肽酶在类胰蛋白酶及类羧肽酶 B 的催化下，从胰岛素原的催化下，从胰岛素原 分子上切下分子上切下 Arg31、Arg32、Lys59以及以及Arg60 四个残基四个残基 ，

3、从而释放出，从而释放出 C 肽，产生了有生物活性的胰岛素（图肽，产生了有生物活性的胰岛素（图 5 2）。）。 C肽在胰岛素原分子中起何作用？肽在胰岛素原分子中起何作用？ 有不同的意见。其中，一个比较合理的意有不同的意见。其中，一个比较合理的意 见是：胰岛素一条链的结构是生物合成的见是：胰岛素一条链的结构是生物合成的 需要，有利于使胰岛素的需要，有利于使胰岛素的3对二硫键正确的对二硫键正确的 配对。配对。 胰岛素原还有的前体，即前胰岛素原胰岛素原还有的前体，即前胰岛素原 （preproinsulin）。通过一级结构测定查）。通过一级结构测定查 明，前胰岛素原与胰岛素原相比，在明，前胰岛素原与胰岛

4、素原相比，在 N 端端 多出了一个肽段。此肽段称为多出了一个肽段。此肽段称为信号肽信号肽 （signal peptide）。人前胰岛素原的信号。人前胰岛素原的信号 肽其序列为：肽其序列为： （二）脑啡肽与前体（二）脑啡肽与前体 甲硫脑啡肽，甲硫脑啡肽，其一级结构为其一级结构为 TyrTyrGlyGlyGlyGlyPhePheMet Met ； 亮脑啡肽，亮脑啡肽，其一级结构为其一级结构为 TyrTyrGlyGlyGlyGlyPhePheLeuLeu。 脑啡肽结构与功能关系的一些规律脑啡肽结构与功能关系的一些规律 1. Tyr1；以甲氧基取代酚羟基，则脑啡肽丧失镇痛；以甲氧基取代酚羟基，则脑啡肽

5、丧失镇痛 活性，其活性，其 N 末端延长一个末端延长一个Arg，则活性下降。，则活性下降。 2. Gly2：改为：改为DAla，则镇痛药效大大提高。这可，则镇痛药效大大提高。这可 能有助于能有助于转角的形成，与受体的结合，延长了转角的形成，与受体的结合，延长了 半衰期。半衰期。 3. Gly3：为活性所必需，不能被取代。：为活性所必需，不能被取代。 4. Phe4：可以被：可以被Trp、NCH3Phe取代，但不能被取代，但不能被 Tyr、Leu取代。取代。 5. Met5：去除，则活性下降，延长一个：去除，则活性下降，延长一个 Thr，则活，则活 性不变。性不变。 二、酶与酶原二、酶与酶原 表

6、表 52 酶原转变成活性酶酶原转变成活性酶 二、酶与酶原二、酶与酶原 （二）胰蛋白酶原的激活（二）胰蛋白酶原的激活 （一）胰凝乳蛋白酶原激活（一）胰凝乳蛋白酶原激活 （一）胰凝乳蛋白酶原激活（一）胰凝乳蛋白酶原激活 由由 245 个个 氨基酸残氨基酸残 基组成的，基组成的， 具有具有 5 对对 二硫键的二硫键的 一条多肽一条多肽 链，没有链，没有 酶活性。酶活性。 当胰凝乳蛋白酶原的当胰凝乳蛋白酶原的 Arg15 与与 Ile16 之间的肽键之间的肽键 被胰蛋白酶切开之后，才具有酶活性。这种酶称被胰蛋白酶切开之后，才具有酶活性。这种酶称 为为胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶活性最高，胰

7、凝乳蛋白酶活性最高， 但不稳定。但不稳定。 胰凝乳蛋白酶被其它胰凝乳蛋白酶被其它胰凝乳蛋白分子作用（自身激胰凝乳蛋白分子作用（自身激 活），切开活），切开 Leul3Ser14、Tyrl46Thrl47 以及以及 Asnl48 Alal49 间的肽键，释放间的肽键，释放2个个2肽（肽（Ser14Arg15；Thrl47 Asnl48），产生稳定的但活性较低的），产生稳定的但活性较低的 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 催化部位催化部位Aspl02、His57、Ser195具有相具有相 同的取向。同的取向。 Arg15Ile16之间的肽键被切开之后，

8、形之间的肽键被切开之后，形 成了新的成了新的Ile16 N 末端。这个新末端的氨基末端。这个新末端的氨基 与分子内部的与分子内部的 Asp194 的羧基能形成盐键，的羧基能形成盐键， 从而使从而使 Ilel6 的氨基质子化。这是使酶具有的氨基质子化。这是使酶具有 活性的重要条件之一。上述盐键的形成，活性的重要条件之一。上述盐键的形成， 引起一系列的构象变化：引起一系列的构象变化： 构象变化构象变化 从而形成了一个能与底物的非从而形成了一个能与底物的非 极性侧链（芳香族氨基酸和极性侧链（芳香族氨基酸和 Met 的侧键）相结合的疏水的的侧键）相结合的疏水的 “口袋口袋”。“口袋口袋”的一面由的一面

9、由 189192 残基组成。这个结合残基组成。这个结合 部位（口袋）在酶原中是不存部位（口袋）在酶原中是不存 在的。它是结合底物的部位。在的。它是结合底物的部位。 酶分子中的酶分子中的 Ser195 和和 Glyl93 的亚氨基能够与底物中敏感肽的亚氨基能够与底物中敏感肽 键的羧基氧同时形成氢键键的羧基氧同时形成氢键 Met192 从酶分子从酶分子 的内部转移到酶的内部转移到酶 分子的表面；分子的表面； Gly187和和Gly193 更加伸展，更加伸展， 构构 象象 变变 化化 （二）胰蛋白酶原的激活（二）胰蛋白酶原的激活 消化道中蛋白酶原激活的连锁反应消化道中蛋白酶原激活的连锁反应 三、两类

10、前体的不同功能三、两类前体的不同功能 现在看来，有两类前体。现在看来，有两类前体。 一类是前胰岛素原、前脑啡肽原、前甲一类是前胰岛素原、前脑啡肽原、前甲 状旁腺素原等那样的前体。状旁腺素原等那样的前体。其多肽链的其多肽链的 N 端区都有一个信号肽。表端区都有一个信号肽。表 53 列举了列举了 各种蛋白质前体的信号肽。各种蛋白质前体的信号肽。 信号肽与蛋白质的分泌直接相关信号肽与蛋白质的分泌直接相关 另一类前体，如胰岛素原、另一类前体，如胰岛素原、 脑啡肽原、各种蛋白酶的酶脑啡肽原、各种蛋白酶的酶 原以及血纤蛋白原、原胶原原以及血纤蛋白原、原胶原 等，是调节生理功能，或者等，是调节生理功能，或者

11、 是形成特定构象所需要的。是形成特定构象所需要的。 第二节第二节 血红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能 六、影响血红蛋白氧亲和力的因素六、影响血红蛋白氧亲和力的因素 五、五、S形氧合曲线的生理意义形氧合曲线的生理意义 四、血红蛋白的变构效应四、血红蛋白的变构效应 三、血红蛋白对氧分子的结合三、血红蛋白对氧分子的结合 二、血红蛋白分子结构二、血红蛋白分子结构 一、概述一、概述 一、概述一、概述 血红蛋白（血红蛋白（hemoglobin，简，简 写写Hb）存在于人和脊椎动物）存在于人和脊椎动物 的红细胞中，是的红细胞中，是O2和和CO2的的 运载工具。运载工具。 血红蛋白是最早得到结晶的蛋白质

12、之一，血红蛋白是最早得到结晶的蛋白质之一， 是第一个与生理功能相联系的蛋白质，是第一个与生理功能相联系的蛋白质， 是第一个得到是第一个得到 X 射线衍射结构分析初步射线衍射结构分析初步 结果的蛋白质。结果的蛋白质。 从血红蛋白一级结构的研究中提出了分从血红蛋白一级结构的研究中提出了分 子病的概念；子病的概念； 从血红蛋白与从血红蛋白与 O2结合的研究中发现了协结合的研究中发现了协 同效应。同效应。 3种血红蛋白的亚基组成如下：种血红蛋白的亚基组成如下： HbA： 22 HbA2：22 HbF： 22 成人的血红蛋白成人的血红蛋白 9595以上以上 2 2左右左右 胎儿的血红蛋白胎儿的血红蛋白7

13、0708080 二、血红蛋白分子结构二、血红蛋白分子结构 血红蛋白是一种球状的色素蛋白，分子血红蛋白是一种球状的色素蛋白，分子 量量 66，700，由珠蛋白和血红素结合而成。，由珠蛋白和血红素结合而成。 （三）血红素与珠蛋白结合（三）血红素与珠蛋白结合 （二）血红素结构（二）血红素结构 （一）血红蛋白一、二、三、四级结构（一）血红蛋白一、二、三、四级结构 （一）血红蛋白一、二、三、四级结构（一）血红蛋白一、二、三、四级结构 血红蛋白（血红蛋白（HbA）分子的）分子的亚基包含一亚基包含一 条多肽链（称条多肽链（称链），由链），由 141 个氨基酸个氨基酸 残基组成。残基组成。亚基也包含一条多肽链

14、亚基也包含一条多肽链 （称（称链），由链），由 146 个氨基酸残基组成。个氨基酸残基组成。 二者的一级结构如图二者的一级结构如图59所示。为了比所示。为了比 较，抹香鲸肌红蛋白的一级结构也列在较，抹香鲸肌红蛋白的一级结构也列在 图图59中。中。 各肽链之间氨基酸的排列有许多相似之处。例各肽链之间氨基酸的排列有许多相似之处。例 如：在如：在链和链和键一级结构上，有键一级结构上，有 60 个位个位 置的氨基酸残基是相同的，占多肽链氨基酸残置的氨基酸残基是相同的，占多肽链氨基酸残 基总数的基总数的42%左右左右，链、链、链与肌红蛋白链与肌红蛋白 肽链肽链 (153AA)3 者有者有 23 个位置的

15、残基是相同的个位置的残基是相同的 血红蛋白血红蛋白亚基三级结构亚基三级结构 血红蛋白血红蛋白链链 肌红蛋白肌红蛋白 构象比较构象比较 血红蛋白分子是四聚体，血红蛋白分子是四聚体，包含包含 2 2 个个 亚基和亚基和 2 2 个个亚基。相同的亚基亚基。相同的亚基 分别配对。分别配对。 4个亚基按四面体个亚基按四面体 方式排布。亚基之方式排布。亚基之 间凹凸互补，形成间凹凸互补，形成 1 个长、宽、高分个长、宽、高分 别为别为6.4、5.5 nm、 5 nm 的四面体的四面体 圆柱形片段圆柱形片段 是是螺旋区。血红素以平盘螺旋区。血红素以平盘 表示。平盘中心的小球代表铁原子表示。平盘中心的小球代表

16、铁原子 血红蛋白亚基之间的接触血红蛋白亚基之间的接触 8 个盐桥使脱氧血红蛋白分子构象受到了约束，使个盐桥使脱氧血红蛋白分子构象受到了约束，使 其对氧分子的亲和力低于单独的其对氧分子的亲和力低于单独的或或亚基对氧亚基对氧 分子的亲和力，低于氧合血红蛋白的氧亲和力分子的亲和力，低于氧合血红蛋白的氧亲和力 此外，血红此外，血红 蛋白的四级蛋白的四级 结构中，在结构中，在4 个亚基之间个亚基之间 有一个中央有一个中央 空穴。空穴。2，3 二磷酸甘二磷酸甘 油酸（油酸（DPG） 位于这一空位于这一空 穴中。穴中。 DPG分子中几个带负电荷的基团与每个分子中几个带负电荷的基团与每个亚基的几个带正亚基的几

17、个带正 电荷的基团相互吸引，产生几个盐桥电荷的基团相互吸引，产生几个盐桥,使脱氧血红蛋白分子使脱氧血红蛋白分子 的四级结构更加稳定，进一步降低了脱氧血红蛋白分子对的四级结构更加稳定，进一步降低了脱氧血红蛋白分子对 氧分子的亲和力。氧分子的亲和力。 （二）血红素结构（二）血红素结构 在血红蛋白分子在血红蛋白分子 中每个亚基都包含中每个亚基都包含 1 个血红素（个血红素（heme）。）。 血红素由血红素由1 个铁原子个铁原子 和和 1 个原卟啉组成。个原卟啉组成。 原卟啉的结构原卟啉的结构 4 个吡咯环个吡咯环 次甲基桥连接次甲基桥连接 铁原子的配位结合铁原子的配位结合 6 6 个配位数个配位数

18、（三）血红素与珠蛋白结合（三）血红素与珠蛋白结合 血红蛋白分子的血红蛋白分子的 每个亚基必须为每个亚基必须为 血红素提供一个血红素提供一个 疏水性的空穴，疏水性的空穴， 以利于以利于O2 能与血能与血 红素铁原子结合。红素铁原子结合。 与与 血血 红红 素素 结结 合合 的的 氨氨 基基 酸酸 残残 基基 三、血红蛋白对氧分子的结合三、血红蛋白对氧分子的结合 结合与解离，主要取决于氧分压结合与解离，主要取决于氧分压 在血液中，血红蛋白实际结合的氧分子数在血液中，血红蛋白实际结合的氧分子数 （或者已结合（或者已结合O2的氧结合部位数）对于血的氧结合部位数）对于血 红蛋白应该能结合的氧分子数（或者

19、氧结红蛋白应该能结合的氧分子数（或者氧结 合部位数）的百分比，称为血红蛋白氧饱合部位数）的百分比，称为血红蛋白氧饱 和度，用和度，用Y表示。表示。 血红蛋白和肌红蛋白的氧结合曲线血红蛋白和肌红蛋白的氧结合曲线 四、血红蛋白的变构效应四、血红蛋白的变构效应 K K1 1，K K2 2，K K3 3，K K4 4分别为分别为 从上述各平衡公式可以得出：从上述各平衡公式可以得出： 根据氧结合饱和度的定义，根据氧结合饱和度的定义，Y应该是：应该是： 当上述当上述4个结合常数不相等时，个结合常数不相等时，也就是血红也就是血红 蛋白分子中蛋白分子中 4 个亚基的氧结合部位之间存个亚基的氧结合部位之间存 在

20、相互作用时在相互作用时，则，则Y对对X（用氧分压（用氧分压P O2 表示）的关系表现为表示）的关系表现为 S 形曲线形曲线 但是，如果上述但是，如果上述 4 个结合常数相等（个结合常数相等（k1 = k2= k3=k4）时，也就是，血红蛋白分子中）时，也就是，血红蛋白分子中 4 个氧结合个氧结合 部位之间不存在相互作用时，则部位之间不存在相互作用时，则 Y 对对X的关系如的关系如 （2）式所示：）式所示： 这是双曲线。这是双曲线。 因此，一般认为，在血红蛋白分子中，因此，一般认为，在血红蛋白分子中， 亚基首先与亚基首先与O O2 2结合：结合： O O2 2引起引起亚基亚基 构象变化。此构象变

21、化使相邻的构象变化。此构象变化使相邻的亚基亚基 的构象亦发生变化，排除了的构象亦发生变化，排除了亚基氧结亚基氧结 合部位的空间位阻，从而提高了合部位的空间位阻，从而提高了亚基亚基 对对O O2 2的亲和力。这种作用，就是变构效应，的亲和力。这种作用，就是变构效应， 或称别构效应或称别构效应 （allosteric effectallosteric effect）。）。 许多蛋白质和酶都有变构效应。许多蛋白质和酶都有变构效应。 Adair Adair 模型模型、齐变（、齐变（M.W.C.M.W.C.）模型和序）模型和序 变（变（K.N.FK.N.F）模型）模型 五、五、 S形氧合曲线的生理意义形

22、氧合曲线的生理意义 肺氧分压肺氧分压 10.66413.33 kPa 80100 mmHg 肌肉氧分压肌肉氧分压 2.6665.332 kPa 2040 mmHg 肌红蛋白的双曲线，肌红蛋白的双曲线， 可以设想：从肺可以设想：从肺氧分压在氧分压在10.66413.33 kPa （80100 mmHg）到肌肉到肌肉氧分压在氧分压在 2.666 5.332 kPa（2040 mmHg），氧分压虽然，氧分压虽然 有较大的变化，但是，有较大的变化，但是，Y 值变化不大。即到达值变化不大。即到达 肌肉后，氧合血红蛋白释放的肌肉后，氧合血红蛋白释放的O2不多。这就远不多。这就远 远满足不了肌肉中生物氧化对

23、于远满足不了肌肉中生物氧化对于O2的大量需要。的大量需要。 血红蛋白是有变构效应的。血红蛋白是有变构效应的。 S 形曲线的上部较平坦。形曲线的上部较平坦。当氧分压从当氧分压从13.33 kPa（100 mm Hg）降到）降到 10.664 kPa（80 mm Hg时（下降时（下降 20 mm Hg），）， 则氧结合饱和度（则氧结合饱和度（Y 值）从值）从 0.95 降到降到 0.93（仅下降（仅下降 0.02）。）。 这说明，这说明，在肺部，氧分压虽有较大的变化，但血液的氧饱在肺部，氧分压虽有较大的变化，但血液的氧饱 和度没有多大改变。和度没有多大改变。换句话说，存在较多的氧合血红蛋白。换句话

24、说，存在较多的氧合血红蛋白。 在肺部，要求在肺部，要求血液中所有的脱氧血红蛋白尽量地结合更多血液中所有的脱氧血红蛋白尽量地结合更多 的的O2 S 形曲线的中段形曲线的中段2.6665.332 kPa（2040 mmHg），坡度），坡度 较大。当氧分压从较大。当氧分压从 5.332 kPa（40 mmHg）降到）降到 2.666 kPa （20 mmHg）时，下降）时，下降2.666 kPa（20 mmHg），则），则 Y 值从值从 0.6 降到降到 0.3（下降（下降 0.3）。变化较大。这说明，）。变化较大。这说明，在肌肉在肌肉 中，氧分压即使有很小的下降，血液中的氧饱和度亦有较中，氧分压即

25、使有很小的下降，血液中的氧饱和度亦有较 大的下降大的下降。换句话说，在肌肉中，氧合血红蛋白。换句话说，在肌肉中，氧合血红蛋白能释放较能释放较 多的多的O2。能满足肌肉等组织的生理需要。能满足肌肉等组织的生理需要。 六、影响血红蛋白氧亲和力的因素六、影响血红蛋白氧亲和力的因素 氧亲和力是指：血红蛋白对于氧结合的牢氧亲和力是指：血红蛋白对于氧结合的牢 固程度，表示为固程度，表示为P O250。即血红蛋白中的氧达到。即血红蛋白中的氧达到 半饱和程度所需要的氧分压（半饱和程度所需要的氧分压（P O2）。）。 （一）（一）H H+ +和和 COCO2 2的影响的影响 （二）（二）DPG 的影响的影响 （

26、一）（一）H H+ +和和 COCO2 2的影响的影响 波尔效应：波尔效应： H+浓度和浓度和CO2分压的提分压的提 高，能够降低血红蛋白高，能够降低血红蛋白 分子对分子对O2的亲和力促使的亲和力促使 氧合血红蛋白的氧解离氧合血红蛋白的氧解离 曲线右移（右图）曲线右移（右图） 在肌肉中，高浓度的在肌肉中，高浓度的H+和和C O2促使氧合血促使氧合血 红蛋白分子释放红蛋白分子释放 O2 。 。在肺中，高浓度的 在肺中，高浓度的 O2 促使脱氧血红蛋白分子释放促使脱氧血红蛋白分子释放H+和和C O2。 问题一：提高问题一：提高H+浓度为什么能够降低血红蛋浓度为什么能够降低血红蛋 白对白对O2的亲和

27、力？的亲和力？ 实验表明，在脱氧血红蛋白分子中，实验表明，在脱氧血红蛋白分子中，H+的结合部位有：的结合部位有： 链链 N 末端末端 Val 的的NH2基；基；链链 His146 的咪唑基；的咪唑基；链链 H122 的咪唑基。的咪唑基。 链链NA1 Val 的的NH2基与基与 H+结合成带正电荷的基团（结合成带正电荷的基团（ NH3+）。后者与另一个）。后者与另一个链的链的 C 末端末端COO 基形成盐桥。 基形成盐桥。 此外，此外，H+还与还与链链 His146 的咪唑基结合成带正电荷的基的咪唑基结合成带正电荷的基 团。后者再与同一链上团。后者再与同一链上 Asp 94的侧链的侧链COO 基

28、生成盐桥。 基生成盐桥。 这些盐桥都有助于血红蛋白脱氧构象的稳定。因而，增加这些盐桥都有助于血红蛋白脱氧构象的稳定。因而，增加H+ 浓度会降低血红蛋白的氧亲和力。浓度会降低血红蛋白的氧亲和力。 问题二：提高问题二：提高C O2分压为什么能够降低血红分压为什么能够降低血红 蛋白对蛋白对O2的亲和力？的亲和力？ 在脱氧血红蛋白中，在脱氧血红蛋白中，COCO2 2的结合部位是的结合部位是 4 4 个亚基的个亚基的 N N 末端末端NHNH2 2基。基。 COCO2 2与与 N N 末端末端NHNH2 2基可发生下列可逆的反应：基可发生下列可逆的反应： 与氨基甲酸构成盐桥的基团可能是：与氨基甲酸构成盐

29、桥的基团可能是：82（EF6） Lys 的的NH3+基；基；141（H24）Arg的胍基。的胍基。 波尔效应具有下列重要的生理意义：波尔效应具有下列重要的生理意义： 当血液流经组织时，与血液相比，当血液流经组织时，与血液相比，组织的组织的 pH 值较低，值较低，CO2分压较高，因而有利于氧合血红分压较高，因而有利于氧合血红 蛋白分子释放蛋白分子释放O2，使组织能比单纯的氧分压下，使组织能比单纯的氧分压下 降时获得更多的降时获得更多的 O2。当血液流经肺部时，由于。当血液流经肺部时，由于 肺气泡的肺气泡的 O2分压较高，促进脱氧血红蛋白分子分压较高，促进脱氧血红蛋白分子 释放释放O2和和 H+。

30、C O2的呼出，有利于氧合血的呼出，有利于氧合血 红蛋白的生成。红蛋白的生成。 （二）（二）DPG 的影响的影响 DPG是红细胞中大量是红细胞中大量 存在的糖代谢的中间产物。存在的糖代谢的中间产物。 它能够降低血红蛋白对它能够降低血红蛋白对O2 的亲和力，使血红蛋白的的亲和力，使血红蛋白的 氧合曲线右移（图氧合曲线右移（图 523）。）。 实验表明，实验表明，DPG 与脱氧血红与脱氧血红 蛋白的结合能力比氧合血红蛋白的结合能力比氧合血红 蛋白高蛋白高 100 倍以上。因此，倍以上。因此， DPG 是与脱氧血红蛋白结合是与脱氧血红蛋白结合 的。的。 l 个脱氧血红蛋白分子能够与一分子的个脱氧血红

31、蛋白分子能够与一分子的 DPG 结合。结合。 DPG 分子与分子与 4 个氧分子在脱氧血红蛋白个氧分子在脱氧血红蛋白 分子上的结合，是互相排斥的。分子上的结合，是互相排斥的。 DPG 降低血红蛋白氧亲和力具降低血红蛋白氧亲和力具 有下有下 列重要的生理意义：列重要的生理意义： 当血液流经当血液流经O2分分压较低的组织时，红细胞中的压较低的组织时，红细胞中的 DPG 能促进氧合血红蛋白释放更多的能促进氧合血红蛋白释放更多的O2，以，以 满足组织对满足组织对O2的需要。的需要。DPG 的浓度越大，则的浓度越大，则 O2的释放量越多。红细胞中的释放量越多。红细胞中 DPG 浓度的变化浓度的变化 是调

32、节血红蛋白分子对是调节血红蛋白分子对O2亲和力的重要因素。亲和力的重要因素。 在空气稀薄的高山上的人，或者换气困难的肺在空气稀薄的高山上的人，或者换气困难的肺 气肿病人，其红细胞中的气肿病人，其红细胞中的 DPG 代偿性增加，代偿性增加， 使为数不多的氧合血红蛋白分子尽量地释放使为数不多的氧合血红蛋白分子尽量地释放O2， 以满足组织对以满足组织对O2的需要。的需要。 第三节第三节 分子病分子病 一、概述一、概述 二、镰刀状红细胞贫血症二、镰刀状红细胞贫血症 三、活性部位突变的血红蛋白三、活性部位突变的血红蛋白 四、三级结构突变的血红蛋白四、三级结构突变的血红蛋白 五、四级结构突变的血红蛋白五、

33、四级结构突变的血红蛋白 一、概述一、概述 分子病是一种遗传性疾病。是指：分子病是一种遗传性疾病。是指： 由于由于 DNA DNA 分子上的分子上的基因突变基因突变，而合，而合 成了失去正常生物活性的异常蛋白成了失去正常生物活性的异常蛋白 质，或者是缺失某种蛋白质，从而，质，或者是缺失某种蛋白质，从而， 影响了机体正常的生理功能而产生影响了机体正常的生理功能而产生 的疾病。的疾病。 基因突变包括下列几种类型基因突变包括下列几种类型 目前，发现的异常血红蛋白，绝大多数属于单个氨基目前，发现的异常血红蛋白，绝大多数属于单个氨基 酸取代，即单个碱基取代、例如：异常血红蛋白酸取代，即单个碱基取代、例如：

34、异常血红蛋白 S （HbS）和异常血红蛋白）和异常血红蛋白 C（HbC）都是由于血红蛋）都是由于血红蛋 白（白（HbA）链上第链上第 6 位的位的 Glu 发生了取代。在发生了取代。在 HbS 中，变成中，变成Val；在；在 HbC 中，则变为中，则变为Lys。 单个碱基取代；单个碱基取代； 一个或多个密码子的嵌入或缺失；一个或多个密码子的嵌入或缺失； 基因连接；基因连接； 终止密码变异等。终止密码变异等。 按照分子遗传学的三联体密码理论，单个氨基按照分子遗传学的三联体密码理论，单个氨基 酸取代是由于遗传密码上的单个碱基取代而产生的。酸取代是由于遗传密码上的单个碱基取代而产生的。 如下图所示。

35、如下图所示。 异常血红蛋白，除了个别氨基酸残基取代而外，还有一个或多异常血红蛋白，除了个别氨基酸残基取代而外，还有一个或多 个氨基酸残基的缺失，肽段的相互融合，肽链延长，甚至于整个氨基酸残基的缺失，肽段的相互融合，肽链延长，甚至于整 个肽链的缺失等。个肽链的缺失等。 改换分子表面。改换分子表面。在血红蛋白分子表面上的取代，在血红蛋白分子表面上的取代， 绝大多数是无害的，但绝大多数是无害的，但 HbS 等例外。等例外。 改换活性部位。改换活性部位。血红素附近的结构发生变异，影血红素附近的结构发生变异，影 响了血红素对氧的结合。响了血红素对氧的结合。 改换三级结构。改换三级结构。氨基酸变异使多肽链

36、不能折叠成氨基酸变异使多肽链不能折叠成 正常的构象。这些异常血红蛋白通常是不稳定的。正常的构象。这些异常血红蛋白通常是不稳定的。 改换四级结构。改换四级结构。在亚基之间界面上的突变，引起在亚基之间界面上的突变，引起 变构效应的丧失。这些异常血红蛋白通常具有异常变构效应的丧失。这些异常血红蛋白通常具有异常 的氧亲和力。的氧亲和力。 异常血红蛋白有下列几种类型异常血红蛋白有下列几种类型 二、镰刀状红细胞贫血症二、镰刀状红细胞贫血症 遗传性疾病，镰刀遗传性疾病，镰刀 形红细胞血红蛋白形红细胞血红蛋白 （HbS）比正常的）比正常的 红细胞脆弱，易破红细胞脆弱，易破 碎，寿命较短碎，寿命较短 问题一：问

37、题一：HbS与正常的血红蛋白（与正常的血红蛋白（HbA) 在结构与性质上有哪些区别？在结构与性质上有哪些区别？ HbS 比比 HbA 多多 24 个正电荷。个正电荷。HbS的的 等电点（等电点（6.91）比）比 HbA 的等电点（的等电点（6.68） 大大0.23。在。在pH8.0 缓冲系统中电泳，缓冲系统中电泳，HbS 的电泳速度较慢。脱氧的电泳速度较慢。脱氧HbS的溶解度很的溶解度很 低，约为脱氧低，约为脱氧 HbA 的的125。HbS 的浓的浓 溶液，脱氧后会形成纤维状沉淀。这个溶液，脱氧后会形成纤维状沉淀。这个 沉淀使红细胞由扁圆形变成镰刀形。沉淀使红细胞由扁圆形变成镰刀形。 暴露于血

38、红蛋白（暴露于血红蛋白（HbA）分子表面的是极性氨基）分子表面的是极性氨基 酸残基。在人类以及各种动物的血红蛋白之间，酸残基。在人类以及各种动物的血红蛋白之间， 分子表面的氨基酸残基有明显的差异。说明这部分子表面的氨基酸残基有明显的差异。说明这部 分的氨基酸容易变异，它们对于血红蛋白的功能分的氨基酸容易变异，它们对于血红蛋白的功能 不是关键性的。已发现一百多种在分子表面发生不是关键性的。已发现一百多种在分子表面发生 氨基酸取代的异常血红蛋白。这些取代，绝大多氨基酸取代的异常血红蛋白。这些取代，绝大多 数不影响血红变白分子的稳定性及功能。因此，数不影响血红变白分子的稳定性及功能。因此， 在临床上

39、，它们是无害的。只有一小部分异常血在临床上，它们是无害的。只有一小部分异常血 红蛋白可以引起临床症状，例如：红蛋白可以引起临床症状，例如： HbS、HbC、 HbE、HbI 以及以及 HbK Ibadan等。等。 问题二：问题二：HbS为什么能引起临床症状？为什么能引起临床症状？ 在在链第链第 6 位，用位，用 Val 取代取代 Glu，就是把，就是把 一个非极性残基放在一个非极性残基放在 HbS 分子的表面。分子的表面。 这种改换明显地减小了脱氧这种改换明显地减小了脱氧 HbS 的溶解的溶解 度，但对氧合度，但对氧合 HbS 的溶解度很少影响。的溶解度很少影响。 这个事实对理解镰刀状红细胞贫

40、血症的这个事实对理解镰刀状红细胞贫血症的 临床症状是很关键的。临床症状是很关键的。 镰刀形化的分子基础可以设想如下：镰刀形化的分子基础可以设想如下： 1用用 Val 取代取代 Glu，使，使 HbS 每个每个亚基亚基 的外侧产生了一个粘斑的外侧产生了一个粘斑（图（图526）。这。这 个粘斑在脱氧和氧合个粘斑在脱氧和氧合 HbS 分子中都有，分子中都有， 但但 HbA 上没有。上没有。 2在脱氧在脱氧 HbS 上有一个与粘斑互补的部位，上有一个与粘斑互补的部位， 脱氧脱氧 HbS 形成细长的聚合体形成细长的聚合体 ，即一股螺旋纤维即一股螺旋纤维 。 3. 几股螺旋纤维缠绕在一起，就形成了在电镜几

41、股螺旋纤维缠绕在一起，就形成了在电镜 下可见的直径为下可见的直径为 17nm 和和21.5 nm 的两种纤维的两种纤维 三、活性部位突变的血红蛋白三、活性部位突变的血红蛋白 HbM 发现于世界各地区和各种族。通过发现于世界各地区和各种族。通过 血红蛋白的结构分析，发现其氨基酸取血红蛋白的结构分析，发现其氨基酸取 代有下列代有下列5种类型（表种类型（表56） 血红蛋白血红蛋白M类型类型 先天性青紫症状以及继发性的红细胞增多，称为先天性青紫症状以及继发性的红细胞增多，称为 HbM 病病 与与 血血 红红 素素 结结 合合 的的 氨氨 基基 酸酸 残残 基基 四、三级结构突变的血红蛋白四、三级结构突

42、变的血红蛋白 Pro Pro 是是螺旋的破坏者。如果螺旋的破坏者。如果 Pro Pro 取代螺旋取代螺旋 段中的氨基酸残基，则血红蛋白分子构象便发段中的氨基酸残基，则血红蛋白分子构象便发 生严重的扰乱，从而产生不稳定的血红蛋白和生严重的扰乱，从而产生不稳定的血红蛋白和 CHBHACHBHA。有许多不稳定的血红蛋白，就是由于。有许多不稳定的血红蛋白，就是由于 Pro Pro 取代了螺旋段中的氨基酸残基而产生的。取代了螺旋段中的氨基酸残基而产生的。 例如：例如：Hb DuarteHb Duarte是是链的螺旋段链的螺旋段 E6 E6 的的 Val Val 6262被被 Pro Pro 取代而产生的

43、；取代而产生的；Hb Genoa Hb Genoa 是是链链 的螺旋段的螺旋段 B10 B10 的的 Leu 28 Leu 28 被被 Pro Pro 取代而产生取代而产生 的。的。 链链螺旋螺旋 段段 B5 缺失一个缺失一个 Val23 链非螺旋拐角区链非螺旋拐角区 F7FG2 缺失了一个肽段缺失了一个肽段Leu（91） HisCysAspLys （95） 五、四级结构突变的血红蛋白五、四级结构突变的血红蛋白 在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白 互相转变时，血红蛋白分子的四级结互相转变时，血红蛋白分子的四级结 构发生了改变，在构发生了改变，在1 12 2（或（或2 21

44、 1） 的接触处两条肽链发生明显的前后位的接触处两条肽链发生明显的前后位 移（图移（图5 52020）。）。 属于这类血红蛋白的有：属于这类血红蛋白的有：Hb YakimaHb Yakima： 9999（G1G1）AspHisAspHis；Hb KempseyHb Kempsey：9999 （G1G1）AspAsnAspAsn；Hb RadcliffeHb Radcliffe：9999 （G1G1）AspAlaAspAla等。等。102102（G4G4）Asn Asn 如如 果发生取代，则破坏氧合状态构象的稳定果发生取代，则破坏氧合状态构象的稳定 性，使血红蛋白的氧亲和力降低。例如性，使血红蛋

45、白的氧亲和力降低。例如Hb Hb KansasKansas：l02l02（G4G4）AsnThrAsnThr。在亚基。在亚基 之间界面上的突变，引起血红蛋白变构效之间界面上的突变，引起血红蛋白变构效 应的丧失，出现异常的氧亲和力。应的丧失，出现异常的氧亲和力。 第四节第四节 蛋白质分子进化蛋白质分子进化 一、概述一、概述 二、细胞色素二、细胞色素C分子的进化分子的进化 （一）细胞色素（一）细胞色素c一级结构的种属差异一级结构的种属差异 （二）细胞色素（二）细胞色素 C 三级结构的保守性三级结构的保守性 一、概述一、概述 关于不同种属生物的功能相同的蛋白质关于不同种属生物的功能相同的蛋白质 分子

46、，其一级结构有种属差异。分子，其一级结构有种属差异。 蛋白质分子的三维结构，特别是关键部蛋白质分子的三维结构，特别是关键部 分，不能因为变异而受到严重影响。分，不能因为变异而受到严重影响。 同源蛋白：指由共同的祖先分子经过变异和自然同源蛋白：指由共同的祖先分子经过变异和自然 选择而产生的功能上相同、相关或不同，但选择而产生的功能上相同、相关或不同，但 结构上有相似的不同蛋白质。结构上有相似的不同蛋白质。 3. 在同源蛋白的进化过程中，氨基酸残基在同源蛋白的进化过程中，氨基酸残基 之间的置换有下列规律：残基侧链的大小、之间的置换有下列规律：残基侧链的大小、 形状、柔性、电荷以及氢键形成能力等愈形

47、状、柔性、电荷以及氢键形成能力等愈 近似，则置换愈易发生，例如：近似，则置换愈易发生，例如：Lys 置换置换 为为 Arg， Ile 置换为置换为 Leu等。等。 4.4.同源蛋白在进化过程中，其三维结构的同源蛋白在进化过程中，其三维结构的 关键部位是守恒的，尤其是活性部位（包关键部位是守恒的，尤其是活性部位（包 括与金属辅基或辅酶相结合的位置）的氨括与金属辅基或辅酶相结合的位置）的氨 基酸残基及其三维排布，均不会发生改变。基酸残基及其三维排布，均不会发生改变。 5.5.蛋白质分子的疏水核，其疏水作用对维蛋白质分子的疏水核，其疏水作用对维 持蛋白质分子构象有重要的作用。持蛋白质分子构象有重要的

48、作用。 6.6.蛋白质分子在进化过程中，某些功能能蛋白质分子在进化过程中，某些功能能 够得到完善，或者新的功能能够产生。够得到完善，或者新的功能能够产生。 7.7.同源蛋白同源蛋白的进化有两个趋势：一个是的进化有两个趋势：一个是保保 全与完善其生物功能全与完善其生物功能；另一个是产生新；另一个是产生新 的生物功能，即的生物功能，即功能异化功能异化。 （一）细胞色素（一）细胞色素c c一级结构的种属差异一级结构的种属差异 现在，已测出近百种生物的细胞色素现在，已测出近百种生物的细胞色素 C C 的一级结构。表的一级结构。表5 57 7列举了列举了 38 38 种生物种生物 的细胞色素的细胞色素

49、C C 一级结构。一级结构。 脊椎动物的细胞色素脊椎动物的细胞色素 C C 都是由都是由 104 104 个个 （个别的（个别的 103 103 个）残基组成的，但昆虫个）残基组成的，但昆虫 的有的有 108 108 个残基，植物的有个残基，植物的有 111111114 114 个残基（一般为个残基（一般为 112 112 个）。个）。 表表5-8 5-8 细胞色素细胞色素 C C的种属差异量的种属差异量 （以人为标准）（以人为标准） 细胞色素细胞色素 C C的种属差的种属差 异量（异量（A A） 及进化树及进化树 （B B） （二）细胞色素（二）细胞色素 C C 三级结构的保守性三级结构的保

50、守性 图图5-32 两种不同种属的细胞色素两种不同种属的细胞色素C 三维结构的比较三维结构的比较 细胞色素细胞色素 C C 三级结构的保守性三级结构的保守性 1.1.对于生物功能最重要的结构部位是最保对于生物功能最重要的结构部位是最保 守的。守的。 血红素是细胞色素血红素是细胞色素 C C 分子的电子传递中分子的电子传递中 心，在生物进化过程中保持不变。心，在生物进化过程中保持不变。 马马 心心 细细 胞胞 色色 素素 C 分分 子子 构构 象象 Cys 14 Cys 14 、 Cys l7Cys l7 、 His 18His 18 、 Met 80Met 80 、 Tyr 48 Tyr 48

51、 、 Trp 59Trp 59、 6 6 个残基个残基 保持不变。保持不变。 乙烯基共价相连乙烯基共价相连 Fe 原子配位键相连原子配位键相连 丙酸基氢键相连丙酸基氢键相连 2.2.不同物种的细不同物种的细 胞色素胞色素 C C 的的 狭缝区域，其狭缝区域，其 疏水性残基一疏水性残基一 般是守恒残基，般是守恒残基， 或者是可以保或者是可以保 守性取代的残守性取代的残 基基 环绕狭缝周围的是环绕狭缝周围的是 16 16 个疏水性氨基酸残基。个疏水性氨基酸残基。 l l47 47 位氨位氨 基酸残基分基酸残基分 布于血红素布于血红素 的一侧的一侧 484891 91 位氨基位氨基 酸残基分布于血酸

52、残基分布于血 红素的另一侧红素的另一侧 16 16 个疏水性氨个疏水性氨 基酸残基：基酸残基： 6 6 个个LeuLeu（3232，3535， 6464，6868，9494， 9898），）， 3 3 个个 IleIle（8181，8585， 9595）；）； 2 2 个个 ProPro（3030，7171），）， 2 2 个个PhePhe（1010， 4646），）， 2 2 个个 TyrTyr（4848，6767），）， l l 个个TrpTrp（5959）。）。 狭缝的结构严格地决定着整个细胞色素狭缝的结构严格地决定着整个细胞色素 C C 分子的三维结构分子的三维结构 保守性取代保守性取

53、代 所谓保守性取代是指：化学性质相似的所谓保守性取代是指：化学性质相似的 氨基酸残基之间有相互置换的现象。氨基酸残基之间有相互置换的现象。 例如：例如： Leu Leu 与与 llelle，Val Val 与与 IleIle，Phe Phe 与与 TyrTyr，Asp Asp 与与 Glu Glu 之间都能互相替换。之间都能互相替换。 707080 80 肽段中的肽段中的 11 11 个残基都是守恒残个残基都是守恒残 基。它们参与构成血红素的疏水环境，基。它们参与构成血红素的疏水环境， 对于细胞色素对于细胞色素 C C 的功能可能十分重要。的功能可能十分重要。 3.3.多肽链方向发生改变的拐弯

54、处，对于保持多肽链方向发生改变的拐弯处，对于保持 分子构象的形状十分重要。分子构象的形状十分重要。 位于拐弯处的位于拐弯处的 ProPro（3030，7171，7676）以及）以及 GlyGly（2929，3434，4545，7777，8484）必然是守恒残基。必然是守恒残基。 血红素与环境之间有两个通道。血红素与环境之间有两个通道。 血红素与环境之间的两个通道血红素与环境之间的两个通道 左通道是由左通道是由 525274 74 肽段肽段 盘绕而成的。盘绕而成的。 通道中有通道中有 3 3 个疏水性的个疏水性的 守恒残基：守恒残基： Trp59Trp59、Tyr67Tyr67、 Tyr74Ty

55、r74。可能是可能是 电子传递通道电子传递通道 右通道使血红素右通道使血红素 的右侧能与环境的右侧能与环境 相通。是一个带相通。是一个带 正电荷的区域正电荷的区域 4.4.在分子背部的上方，有一个带负电的区在分子背部的上方，有一个带负电的区 域。在分子的右上方及左通道的口部，域。在分子的右上方及左通道的口部， 是一个带正电荷的区域是一个带正电荷的区域 分分 子子 背背 部部 的的 上上 方方 的的 带带 负负 电电 的的 区区 域域 包括包括2 2，4 4，6161，6262， 6666，6969，9090，93 93 号残基。它们都是号残基。它们都是 可变的残基。大多可变的残基。大多 数都是

56、带负电的数都是带负电的 在进化过程中，在进化过程中， 该区域保持带该区域保持带 负电不变负电不变 分分 子子 的的 右右 上上 方方 的的 带带 正正 电电 荷荷 区区 域域 由由5 5，7 7，8 8，1313，2525， 2727，9999，100 100 等残基等残基 围成右通道，使血红围成右通道，使血红 素的右侧能与环境相素的右侧能与环境相 通。允许种属差异通。允许种属差异 左左 通通 道道 的的 口口 部部 带带 正正 电电 荷荷 的的 区区 域域 3939，5353，5555， 7373，7979，8686， 8787。它们围绕。它们围绕 左通道的口部，左通道的口部， 成一环形，允

57、成一环形，允 许有种属差异许有种属差异 第五节第五节 蛋白质变性蛋白质变性 一、概述一、概述 二、各种变性因素对蛋白质构象的影响二、各种变性因素对蛋白质构象的影响 三、变性蛋白质的构象三、变性蛋白质的构象 四、变性和复性四、变性和复性 五、变性的预防和利用五、变性的预防和利用 一、概述一、概述 （一）变性概念（一）变性概念 （三）变性现象（三）变性现象 （二）变性因素（二）变性因素 （四）蛋白质变性的鉴定方法（四）蛋白质变性的鉴定方法 （五）研究蛋白质变性的重要意义（五）研究蛋白质变性的重要意义 （一）变性概念（一）变性概念 由于外界因素的作用，使天然蛋白质分由于外界因素的作用，使天然蛋白质分

58、 子的构象发生了异常变化，从而导致生子的构象发生了异常变化，从而导致生 物活性的丧失以及物理、化学性质的异物活性的丧失以及物理、化学性质的异 常变化。变性可以涉及次级键、二硫键常变化。变性可以涉及次级键、二硫键 的断裂，但不涉及一级结构上肽健的断的断裂，但不涉及一级结构上肽健的断 裂。裂。 （二）变性因素（二）变性因素 一类是化学因素一类是化学因素 酸、碱，有机溶剂（如：乙醇、甲醇、丙酮、乙醇等），酸、碱，有机溶剂（如：乙醇、甲醇、丙酮、乙醇等）， 尿素、盐酸胍，表面活性剂（如：十二烷基硫酸钠等），尿素、盐酸胍，表面活性剂（如：十二烷基硫酸钠等）， 以及三氯乙酸、磷钨酸、水杨酸等以及三氯乙酸、

59、磷钨酸、水杨酸等 另一类是物理因素另一类是物理因素 热（热（6070），紫外线、），紫外线、X 射线、超声波、高压、表射线、超声波、高压、表 面张力以及剧烈的振荡，研磨、搅拌等面张力以及剧烈的振荡，研磨、搅拌等 （三）变性现象（三）变性现象 1.1.物理性质的改变物理性质的改变 溶解度下降，有的甚至于凝集、沉淀；失去结晶溶解度下降，有的甚至于凝集、沉淀；失去结晶 的能力；出现流动双折射现象；特性粘度增加；的能力；出现流动双折射现象；特性粘度增加； 旋光值和椭圆度改变，以及紫外吸收光谱和荧光旋光值和椭圆度改变，以及紫外吸收光谱和荧光 光谱发生变化等光谱发生变化等 酶水解增强酶水解增强 化学反应增

60、多化学反应增多 抗原性改变；抗原性改变； 生物功能丧失生物功能丧失 3.3.生物性能的改变生物性能的改变 2.2.化学性质的改变化学性质的改变 （四）蛋白质变性的鉴定方法（四）蛋白质变性的鉴定方法 1.1.测定蛋白质的比活性测定蛋白质的比活性 2.2.以天然蛋白质作对照，测定蛋白质物理以天然蛋白质作对照，测定蛋白质物理 性质的变化。性质的变化。 3.3.测定蛋白质化学性质的变化。测定蛋白质化学性质的变化。 4.4.用免疫法测定蛋白质的抗原性是否改变，用免疫法测定蛋白质的抗原性是否改变， 抗体能否与抗原专一性结合。抗体能否与抗原专一性结合。 5.5.观察蛋白质的溶解度是否下降，是否凝观察蛋白质的