蛋白质结构和功能

蛋白质结构和功能第6章蛋白质的结构与功能【掌握】肌红蛋白与血红蛋白的结构；氧结合引起的肌红蛋白与血红蛋白构象变化；血红蛋白的协同性氧结合；H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响；血红蛋白分子病。【重难点】肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能；镰刀状红细胞贫血病。很多蛋白质的构象在生物体中是柔性的、动态的。蛋白质分子与其它蛋白质、其它分子相互作用，使相互作用中的蛋白质构象发生微小甚至剧烈变化，从而使其生物功能（氧的转运、免疫应答和肌肉收缩、催化功能等）发生变化。蛋白质与其它分子（配体）相互作用的瞬间性质对生命至关重要，因为它允许生物体在内外环境发生变化时，能快速、可逆地作出反应。一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系⒈一级结构是空间结构的基础

RNase是由124氨基酸残基组成的单肽链蛋白质分子，分子中8个Cys的-SH构成4对二硫键，形成一定的空间构象。在变性剂（如8mol/L的尿素）和还原剂（如巯基乙醇）存在下，分子中的二硫键全部被还原，空间结构破坏，肽链完全伸展，酶的催化活性完全丧失。当用透析方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活性恢复，所有二硫键准确无误地复原。若用其他方法改变二硫键的配对方式，则酶完全丧失活性。实验表明，蛋白质的一级结构决定其空间结构，而特定的空间结构则是蛋白质具有生物活性的保证。

所以，蛋白质一定的结构执行一定的功能。功能不同的蛋白质总是有着不同的序列；比较种属来源不同而功能相同的蛋白质的一级结构，可能有某些差异，但与功能相关的结构也总是相同。若一级结构变化，蛋白质的功能可能发生很大的变化。（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间构象二、蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质的功能不仅与一级结构有关，更重要的依赖于蛋白质的空间构象。牛胰RNaseA变性与复性酶原的激活激素前体的激活-S-S-X缬天天天天赖异甘缬组46丝183静电吸引力或氢键肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶原-S-S-X缬天天天天赖异缬丝胰蛋白酶SSSS组活性中心游离的六肽胰蛋白酶原的激活过程1、肌红蛋白的结构

肌红蛋白(myoglobin,Mb)是哺乳动物细胞(主要是肌细胞)贮存和分配氧的蛋白质。

单体蛋白，由一条多肽主链和血红素辅基构成；多肽主链由8个α-螺旋区段组成单结构域；(二)肌红蛋白与血红蛋白

肌红蛋白的结构亲水侧链氨基酸分布在外表面，疏水侧链氨基酸分布在分子内部。形成内部的疏水洞穴疏水洞穴包含血红素辅基A－H为肌红蛋白的八个a-螺旋结构。

过渡金属的低价态具有很强的结合氧倾向(特别是Fe2+

和Cu+)蛋白质不能直接与氧发生可逆结合蛋白质如何参与氧气在生物体内的携带和运输？辅助蛋白质固定Fe2+的方式蛋白质固定Fe2+的方式有多种，在肌红蛋白和血红蛋白家族中，

Fe2+是由原卟啉（IX）分子固定。

辅基血红素原卟啉IX血红素heme与Fe络合561234123456血红素与肌红蛋白的结合6氧结合配位5HisF8（93位，近侧组氨酸）

作为辅基的血红素非共价结合于肌红蛋白分子的疏水空穴中环境缺乏氧气时，配位6是空着的。环境中富含氧气时，血红素如何协助肌红蛋白结合氧气？O2与肌红蛋白的结合6氧结合配位血红素与肌红蛋白的结合部位氧气与肌红蛋白结合了5HisE7（64位,远侧组氨酸）HisF8（近侧组氨酸）远侧组氨酸近侧组氨酸O2通过血红素与肌红蛋白结合空间位阻，倾斜60°疏水环境的意义•通常O2与Fe(Ⅱ)接触会使Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ)，血红素也是一样。•但在肌红蛋白内部，由于疏水的环境，Fe(Ⅱ)不易被氧化。•微环境的作用：固定血红素基；保护血红素铁免遭氧化；为O2提供一个合适的结合部位。O2的结合改变肌红蛋白的构象去氧肌红蛋白血红素Fe2+被HisF8（X）拉出卟啉环平面（圆顶状）卟啉环呈圆顶状卟啉环呈平面状与氧结合形成氧合肌红蛋白（MbO2）后Fe2+半径变小，从而能进入卟啉环的小孔被拉回（平面状）。肌红蛋白结合氧的定量分析(氧结合曲线)MbO2Mb+O2注:MbO2代表氧合肌红蛋白,Mb代表去氧肌红蛋白.[Mb].[O2][MbO2]K=…………⑴;[MbO2][Mb]K[O2]=或：K为MbO2的解离常数：……⑶;[O2][O2]＋KY=根据Henry定律，溶于液体的任一气体的浓度与液体上面的该气体分压成正比：

………………⑷p(O2)p(O2)＋K’Y=Y为一定的氧压下肌红蛋白的氧分数饱和度：[MbO2][MbO2]＋[Mb]Y=…(2);p(O2)p(O2)＋KY=p(O2)值可以进行调节和测量,

氧分压常用torr*

作单位。

（1torr=133.3Pa=1mmHg）

Y值可用分光光度计法测定,因为肌红蛋白氧合时卟啉环中电子位移引起吸收光谱改变。

Y对p(O2)作图所得的曲线称为氧结合曲线或解离曲线。Y=1时,所有肌红蛋白分子的氧结合部位均被O2所占据,即肌红蛋白被氧完全饱和。Y=0.5时,p(O2)=K=P50,P50

定义为肌红蛋白被氧半饱和时的氧分压。YY：即氧饱和分数，氧合肌红蛋白分子数占肌红蛋白分子总数的百分比。•肌肉毛细血管中氧浓度为3kPa，细胞内表面处约为1.33kPa,线粒体中为0-1.33kPa，肌红蛋白P50为0.27kPa。因此，大多数情况下，肌红蛋白是高度氧合的。如果由于肌肉收缩而使线粒体中氧含量下降，它可以立即供氧。•高氧合的肌红蛋白有利于氧从细胞内表面向线粒体转运。细胞内表面1.33kPa（Y为80%），线粒体0.13kPa（Y为25%）或更低。肌红蛋白是氧的贮存库

血红蛋白存在于血液的红细胞

(erythrocytes,双凹圆盘状,直径69μm)中。血红蛋白以高浓度(约为质量的34%)溶解于红细胞溶胶中。

血红蛋白(hemoglobin,Hb)的主要功能是在血液中结合并转运氧气。2、血红蛋白血红蛋白的结构成人血红蛋白主要是HbA(HbA1),其亚基组成为α2β2。胎儿血红蛋白主要是HbF,亚基组成为α2γ2

。

脊椎动物的血红蛋白由4个多肽亚基组成,两个是一种亚基(α链）,另两个是另一种亚基（β链）。每个亚基都有一个血红素辅基和一个氧结合部位。

氧结合引起的血红蛋白构象变化1.氧合作用显著改变Hb的四级结构。氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著不同，特别是αβ亚基的相互作用发生变化。2.血红素铁的微小移动导致血红蛋白空间结构的显著变化。

3.氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态。

T态：即紧张态(tensestate)。

R态：即松弛态(relaxedstate。T态：即紧张态，去氧血红蛋白的主要构象态R态：即松弛态，氧合血红蛋白的主要构象态。

关于别构效应的几个定义（P77）

：别构效应：也称变构效应，多亚基蛋白质因一个亚基构象的变化引起其他亚基构象发生变化，进而改变蛋白质活性的现象。别构蛋白质：具有别构效应的蛋白质。效应物：对蛋白分子其它部位与配体的结合能力产生影响的配体。血红蛋白的协同性氧结合（Ｈb氧结合曲线）

同促效应：寡聚蛋白上某种配体的结合对其他同种配体同部位结合的影响。正协同性：某种配体的影响使得其他同种配体与蛋白质同种部位的结合变的更容易。

负协同性：某种配体的影响使得其他同种配体与蛋白质同种部位的结合变的更难。异促效应：寡聚蛋白上的某种配体的结合影响了配体与蛋白其它结合部位的结合。正效应物（激活剂）：效应物可降低使活性部位达到饱和的浓度。负效应物（抑制剂）：效应物可提高使活性部位达到饱和的浓度。

关于别构效应的几个定义：Hb+4O2Hb（O2）4解离常数K：K=[Hb][O2]4[Hb（O2）4]Y=P4（O2）P4（O2）+K据此方程Y对p（O2）作图，所得曲线为S形曲线氧饱和度Y:血红蛋白的氧合具有正协同同促效应，即一个亚基与O2的结合增强同一Hb分子中其余亚基对O2的亲和力。O2既是正常的配体，又是正同促效应物或调节物。Hb氧合曲线是S形。H+,CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响血红蛋白与O2的结合受环境中其它分子如质子、CO2和红细胞代谢物

2,3-二磷酸甘油酸（BPG）的调节。虽然它们在蛋白质分子上的结合部位离血红素辅基很远，但这些分子极大影响Hb氧合性质。这种在空间上相隔部位之间的相互作用在很多寡聚蛋白质中存在，即异促别构效应。YpH降低使血红蛋白的氧结合能力下降（P50升高），氧合曲线右移。p50pH1）

H+和CO2促进Ｏ２的释放CO2+H2OH2CO3H++HCO3-碳酸酐酶HbO2+H+HbH++O2Bohr效应的生理意义：当血液流经组织，特别是代谢迅速的肌肉时，由于这里的pH较低，CO2浓度较高，因此有利于血红蛋白释放O2，使组织能比因单纯的p(O2)降低获得更多的氧。而氧的释放又促使血红蛋白与H+和CO2的结合，以补偿由于组织呼吸形成的CO2所引起的pH

降低，起着缓冲血液pH的作用。（在肺中吸氧排CO2，在肌肉中吸CO2排氧；H+和CO2促进氧的释放）Bohr效应（Bohreffect）:

增加CO2浓度或降低pH能显著提高血红蛋白亚基间的协同效应，降低血红蛋白对氧的亲和力，促进氧释放。反之，高浓度的氧也能促进血红蛋白释放H+和CO2的现象。2）BPG降低Hb对O2的亲和力

血红蛋白Hb只有一个BPG结合部位，位于四个亚基缔合形成的中央孔穴内，靠静电相互作用把两个β链交联在一起，有利O2的释放；O2和BPG与蛋白质的结合是相互排斥的。BPG（2,3－二磷酸甘油酸）是血红蛋白一个重要的异促别构效应物。BPG（2,3－二磷酸甘油酸）对血红蛋白氧合曲线的影响（使得P50升高，有利于释放氧气）

总之，各种蛋白质都有特定的空间构象，而特定的空间构象又与它们特定的生物学功能相适应，蛋白质的结构与功能是高度统一的。1.血红蛋白病:由于α或β链发生了变化.例如镰刀状细胞贫血等；2.地中海贫血:是由于缺少了α或β链，例如α－和β－地中海贫血.——因基因突变导致机体合成的血红蛋白一级结构改变，引起生物学功能缺陷而产生的遗传性疾病。三．血红蛋白分子病（一）镰刀状细胞贫血病１.镰刀状细胞贫血病症状:

镰刀状细胞贫血病患者的血红蛋白含量仅为正常人的一半，红细胞数也是正常人的一半左右．而且红细胞的形态也不正常，为新月状或镰刀状，这是由于不正常的血红蛋白引起的，这种血红蛋白称为血红蛋白Ｓ(HbS).正常人的红细胞病人的红细胞2.镰刀状细胞贫血病致病原因:

镰刀状细胞贫血病是最早被认识的一种分子病．它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子中氨基酸残基被更换所造成的。镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化（β链）:HbA和HbS有差异的肽段和化学结构，其氨基酸序列分别是：正常：

HbAH2NVal-His-Leu–Thr–Pro-Glu-Glu-LysCOOH镰刀状：HbSH2NVal-His-Leu–Thr–Pro–Val-Glu-LysCOOH(β链)12345678β６Glu（谷氨酸）β６Val（缬氨酸）。从一级结构看:只是从β６Glu（谷氨酸）被换成β６Val（缬氨酸）。Glu侧链是一个带电基团，而Val是一个非极性基团；从三级结构看:由于β６位于分子表面，因此Val代替Glu等于在HbS

分子表面安装了一个疏水侧链;从四级结构看:氧合HbS和HbA没多大区别。然而在低[O2]时（脱O2），HbS溶解度剧烈下降（仅为脱氧HbA的1/25），HbS分子发生线形缔合，形成长链，由多条长链进一步聚集成多股螺旋的微管纤维束，将整个红细胞扭