蛋白质化学蛋白质分子结构与功能的关系

1、一、肌红蛋白的结构与功能 （一）肌红蛋白(myoglobin，Mb)的三级结构 （二）辅基血红素(heme) （三）O2与肌红蛋白的结合 （四） O2的结合改变肌红蛋白的构象(一)肌红蛋白的三级结构 共有8段-螺旋，占全部序列的75%。整条肽链折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋，血红素通过与周围氨基酸残基的次级键以及血红素铁与近端的His形成的配位键而“藏”在洞中。 该口袋允许O2进入。 CO也能与血红素结合，CO的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止O2与血红素的结合。（二）辅基血红素结构 二价态的血红素铁结合氧气 三

2、价态的血红素铁不能结合氧气NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+（三）O O2 2与肌红蛋白的结合肌红蛋白的三维结构O2 及 CO 与肌红蛋白血红素Fe的结合氧合肌红蛋白结合咪唑和CO的游离血红素肌红蛋白：CO复合物（四） O2的结合改变肌红蛋白的构象 未结合氧时，5个配位键，Fe位于卟啉环上方0.055nm；结合氧时， Fe被拉进卟啉

3、环， Fe位于卟啉环上方0.026nm； His同时被拉动引起构象改变。 Fe的这一微小移动对血红蛋白有显著的影响。 见P255图6-5二、血红蛋白 (hemoglobin, Hb) 的结构与功能 (一)血红蛋白的结构 (二)氧结合引起的血红蛋白构象变化 (三)血红蛋白的协同性氧结合(Hb氧结合曲线） (四)H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响( (一) )血红蛋白的结构 血红蛋白是由四个亚基组成，2个-亚基，2个-亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组成。个亚基以正四面体的方式排列，彼此之间以非共价键相连 血血红红蛋蛋白白血血红红蛋蛋白白 血红蛋白（22），有稳定的四级结构，与氧

4、的亲和力很弱。但当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基的铁结合后，Fe2+被拉回卟啉环，铁卟啉环由圆顶状变成平面，与配位键连接得His发生位移，并引起该亚基构象改变，一个亚基构象的改变又引起其余亚基的构象相继发生改变，亚基间的次级键被破坏，结果整个分子从紧密的构象变成比较松散的构象，易于与氧结合，使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。 血红蛋白上有CO2结合部位，因此，血红蛋白还能运输CO2(二)氧结合引起的血红蛋白构象变化(三)血红蛋白的协同性氧结合(Hb氧结合曲线）Hb和Mb氧结合曲线的比较 血红蛋白四个亚基之间具有正协同效应，氧合曲线是S型曲线 刚开始时，氧的结合要比肌红蛋白对氧的结合慢（

5、在脱氧血红蛋白中，亚基之间的连接比较紧密），这种构象不利于O2的结合，而当第一亚基与氧结合后， 增加了其余亚基对氧的亲和力。 反之，当氧分压降低时，从氧合血红蛋白失去一个氧分子，将引起其余的氧分子更易解离，说明各亚基间存在一种协同效应。 (四) H+、CO2和BPG 对血红蛋白结合氧的影响 1、H+ 、CO2促进O2的释放（Bohr效应 ） 2、BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低Hb对O2的亲和力波尔效应 H+和CO2降低Hb与氧气亲和力，即H+和CO2促进Hb释放O2，这样的效应被称为波尔效应。 质子浓度对血红蛋白与O2亲和力的影响 不同PHPH下MbMb和HbHb的氧分数饱和度曲线hemo

6、globin代谢越快，H+或CO2越多，需要的氧越多，越有利于Hb释放O2。Bohr效应 当当H H+ +增加，增加，pHpH下下降氧分数饱和度降氧分数饱和度曲线向右移动。曲线向右移动。BPG的别构效应 二磷酸甘油酸（BPG ）降 低血红蛋白对氧的亲和力，BPG是血红蛋白的异促效应物（负效应物）。 BPG通过与两个亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态的构象，因而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。 胎儿血红蛋白 胎儿血红蛋白HbF（22）与O2的亲和力明显高于成人的HbA，这显然有利于它们从母体的胎盘中获取O2。类别类别肌红蛋白（肌红蛋白（MbMb）血红蛋白（血红蛋白（HbHb）来源来源肌肉组织肌肉组织

7、红细胞红细胞种类种类一种一种三种：三种：HbAHbA1 1（成人（成人9898）、）、HbAHbA2 2（成人（成人2 2）和和HbFHbF（胎儿）（胎儿）一级结构一级结构单条肽链，单条肽链，153153个个aaaa，其中的，其中的8383个个aaaa为为保守序列保守序列四条肽链四条肽链,-,-亚基约亚基约141aa,141aa,亚基约亚基约146aa146aa；HbAHbA1 1：2 22 2；HbAHbA2 2:2 22 2；HbFHbF：2 22 2二级结构二级结构7575-螺旋螺旋每条链同每条链同MbMb三级结构三级结构典型的球蛋白，分子表面形成一个疏典型的球蛋白，分子表面形成一个疏水

8、口袋，血红素即藏在其中水口袋，血红素即藏在其中每条链同每条链同MbMb四级结构四级结构无无4 4个亚基占据着个亚基占据着4 4面体的面体的4 4个角，链间以离子个角，链间以离子键结合，键结合， ()()2 2，在二聚体内结合紧密，在二聚体内结合紧密，在二聚体之间结合疏松。在二聚体之间结合疏松。辅基辅基血红素（血红素（FeFe2 2），结合氧气），结合氧气每个亚基结合一分子血红素（每个亚基结合一分子血红素（FeFe2 2），一分），一分子血红蛋白可结合四分子氧气子血红蛋白可结合四分子氧气协同效应协同效应无无正协同效应正协同效应功能功能肌肉组织中储存氧气；运输氧气到线肌肉组织中储存氧气；运输氧气到

9、线粒体粒体在血液中运输氧气在血液中运输氧气肌红蛋白和血红蛋白的比较三、血红蛋白分子病 (一)分子病是遗传的 (二)镰刀状细胞贫血病 (三)其他血红蛋白病 (四)地中海贫血(二)镰刀状细胞贫血病 这种病在非洲的某些这种病在非洲的某些地区发展率较高。这种病地区发展率较高。这种病人最显著的特点是相当一人最显著的特点是相当一部分红血球呈镰刀形。部分红血球呈镰刀形。镰镰状状细胞贫血症患者的细胞贫血症患者的Hb简称为简称为HbS。HbS造成红造成红细胞溶血，致使病人体内细胞溶血，致使病人体内的红细胞减少，只有正常的红细胞减少，只有正常人的人的1/2。 这种病人的病因在哪里呢？这种病人的病因在哪里呢？Hem

10、oglobin A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Hemoglobin S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys- 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8 血红蛋白分子中血红蛋白分子中-链上一个氨基酸的差异，即链上一个氨基酸的差异，即-链第链第6 6位原来是位原来是GluGlu，现在，现在被被ValVal取代。由于这个取代。由于这个aaaa的差别，使血红蛋白溶解度下降至的差别，使血红蛋白溶解度下降至1/251/25，输氧功，输氧功能降低。能降低。 镰刀状贫血病 的分子机理 Glu Val 由于由于ValVal取代

11、了取代了GluGlu，使，使HbsHbs链表面具有链表面具有密集的疏水支链密集的疏水支链这些疏水支链使这些疏水支链使HbsHbs分子集成长链分子集成长链HbS之间的自组装反应 镰型细胞镰型细胞贫血症的血红蛋贫血症的血红蛋白不适当的结合白不适当的结合导致形成长导致形成长链，很多长链聚集成很多长链聚集成多股螺旋，将红多股螺旋，将红血球挤扭成镰刀血球挤扭成镰刀状。状。四、免疫系统和免疫球蛋白 （一）免疫系统 (二) 免疫系统能识别自我和非我 (三) 在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应 （四）免疫球蛋白的结构和类型 （五）基于抗体抗原相互作用的生化分析方法（一）免疫系统 免疫反应主要涉及淋巴细胞（l

12、ymphocyte）和巨噬细胞（microphage），淋巴细胞又分为两个细胞群，B淋巴细胞和 T淋巴细胞。 B淋巴细胞：又称B细胞，它在骨髓中发育完成。 T淋巴细胞：又称T细胞，它虽在骨髓中分泌但最终迁移到胸腺中完成它们的后期发育。 B（T）细胞受体：B（T）细胞表达的抗原特异性膜受体。抗原与抗体 抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、核酸及其 它高分子化合物）。 抗原性包括： 免疫原性是指诱导特异免疫反应的能力。 抗原特异性（反应原性）是指与抗体特异结合的能力。 抗原决定簇：抗原性由抗原分子表面特殊的化学基团决定 （一级结构或空间结

13、构），这种决定或控制抗原性的化学基 团称抗原决定簇。 （四）免疫球蛋白的结构和类型 免疫球蛋白（Ig）： 是抗体的一种，由四条多肽链组成，两条大的链称重链或 H 链，两条小的链称轻链或 L 链，它们通过非共价键和二硫键连接成的复合体。 免疫球蛋白共有5个类别： IgG、IgA、IgM、IgD和IgE抗原抗体反应 抗体是2价的，抗原是多价的： 抗体极度过剩，抗原分子所有价被抗体的饱和，可溶。 抗原一抗体比例适中，形成网状的抗原抗体复合物，不可溶。 抗原极度过剩，抗体被饱和，可溶。 抗原抗体反应的条件： 抗原决定簇与抗体结合部位构象互补。 二者各有对应的化学基团，通过作用力使二者结合（离子键、氢键

14、 等） 糖链VH结构域VH结构域CL结构域VL结构域VL结构域重链五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 (一)肌纤维的结构 (二)肌原纤维由粗丝和细丝构成 (三)骨骼肌的相关蛋白质 (四)肌肉收缩的机制：肌丝滑动模型 肌肉收缩主要有两种蛋白完成：肌球蛋白是一种ATP酶，水解ATP，将其中化学能转变为机械能，机械能控制肌动蛋白（也称微丝或微管等）的构象变化。六、纤维状蛋白质的结构与功能 1. -角蛋白角蛋白 2. -角蛋白角蛋白 3. 胶原蛋白胶原蛋白-角蛋白 一级结构：由311个314个氨基酸残基组成。 二级结构：每一个-角蛋白分子在其中央形成典型的-螺旋，两端为非螺旋区。 模体：由于螺旋区由

15、（a-b-c-d-e-f-g）n重复序列组成，其中a和d为非极性氨基酸组成，这使得两个-角蛋白分子能够通过a和d残基上的疏水R基团结合，相互缠绕形成双股的卷曲螺旋。双股卷曲螺旋大大地提高了-螺旋的稳定性。 链间还形成多个二硫键，这种共价交联可进一步提高-角蛋白的强度。指甲的强度比毛发高是因为组成指甲的-角蛋白含有更多的Cys残基，能形成更多的二硫键。（烫发或直发的原理）-角蛋白 一级结构一级结构：富含富含Ala和和Gly，具有重复序列，具有重复序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser； 二级结构二级结构：主要是有序的反平行主要是有序的反平行-折叠，还有一折叠，还有一些无序的些无序的-

16、螺旋和螺旋和-转角环绕在转角环绕在-折叠的周围。折叠的周围。Gly和和Ala/Ser分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的-折叠更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的折叠更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的抗张性能。同时抗张性能。同时-螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与与-角蛋白不同的是，相邻的角蛋白不同的是，相邻的-角蛋白之间没有共价角蛋白之间没有共价交联。交联。-角蛋白中的-折叠蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础 永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochem

17、ical engineering), -角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为 -构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。 这是因为 -角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在 -构象状态，此外 -角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状( -螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。胶原蛋白 胶原蛋白胶原蛋白的的基本组成单位是由基本组成单位是由3条条链组成的原胶链组成的原胶原分子。原分子。3条条链可以相同，也可以不同。链可以相同，也可以不同。 原胶原的一级结构：约原胶原的一级结构：约1/3是是Gly，Pro含量也很高含量也很高（12%），具有三种修

18、饰的氨基酸，即），具有三种修饰的氨基酸，即4-羟脯氨酸、羟脯氨酸、3-羟脯羟脯氨酸（氨酸（ 9%）和）和5-羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的Gly-X-Y三联体序列。三联体序列。X和和Y通常是通常是Pro，但也可能是，但也可能是Lys。 胶原蛋白富含胶原蛋白富含Gly和和Pro的性质使得它难以形成的性质使得它难以形成-螺旋，螺旋，但有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成但有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。三股螺旋。胶原蛋白的结构问题 从结构和功能角度考虑血红蛋白分子病有那几种类型？ 镰刀形贫血病的分子机制是什么？从结构和功能角度考虑血红蛋白分子病有那几种类型？ 根本原因是基因突变引起的，有纯合体和杂合体之分 （1）血红蛋白分子表面发生突变- （镰刀状贫血病） （2）血红素附近的氨基酸残疾突变，影响蛋白与血红素的结合或是铁失去氧和能力 （3）血红蛋白内部的氨基酸残基突变，R集团的