5蛋白质的结构与功能课件

生物化学赵艳玲2010蛋白质的生物功能是以其化学组成和空间结构为基础的。蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境。第五节蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质功能的多样性二、血红蛋白的结构六、氨基酸序列与生物学功能五、免疫球蛋白四、血红蛋白分子病三、血红蛋白的功能：转运氧二、血红蛋白的结构血红蛋白（hemoglobin，Hb）的主要功能是在血液中结合并转运氧气。红细胞成熟期间产生大量的Hb（含3亿个Hb），Hb以高浓度（约34％）溶于红细胞溶胶中。动脉血中Hb约为96%氧饱和度，静脉血中则为64%。向组织释放6.5mlO2/100ml血液。某些过渡金属的低氧态（Fe2+和Cu+）具很强的结合氧倾向。肌红蛋白－血红蛋白家族中Fe由原卟啉Ⅸ固定。原卟啉Ⅸ是四吡咯环系统。1.血红素ChlorophyllHemoglobin原卟啉Ⅸ与铁的络合物铁原卟啉Ⅸ称血红素（heme）。Fe有6个配位键，其中4个与四吡咯环的N原子相连，另两个分布于卟啉环面的上下。

Mb分子中多肽主链由长短不一的8段直的α螺旋组成，8段螺旋分别命名为A、B、C、…、H，相应的非螺旋肽段称为NA、AB、…、HC。8个螺旋段大体上组装成两层，构成肌红蛋白的单结构域。拐弯处α螺旋受到破坏。Mb的整个分子致密结实，分子内部只有能容纳4个水分子的空间。O2与Mb的结合Mb中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93位His的咪唑N结合，当Mb成为MbO2时，第6配位被O2占据，但去氧后第6配位位置空着。在血红素基的氧结合部位一侧，还有另一个His残基（第64位），与氧分子能紧密接触。被结合的氧分子夹在His咪唑环N和Fe原子之间。氧结合部位是一个空间位阻区域。O2的结合改变Mb的构象在去氧Mb中Fe离子只有5个配体，并位于离卟啉环平面上方0.06nm处，铁卟啉呈圆顶状。当与O2结合时，铁离子被拉回到离卟啉环平面只有0.02nm处，铁卟啉变成平面状。O2F8Histidine空间排斥Feme4.Hb的四级结构亚基缔合--中央空穴，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）结合部位亚基之间的相互作用区域。Hb的亚基组成脊椎动物的Hb由4个多肽亚基组成，两个α亚基，两个β亚基。每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。胎儿血红蛋白（HbF）对氧的亲和力增高，能有效地通过胎盘从母体的血循环中吸收氧。1.氧结合显著改变Hb的四级结构HbO2与Hb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。三、血红蛋白的功能：转运氧αβ接触装配接触(α1β1和α2β2)滑动接触(α1β2和α2β1)762.血红素铁的微小移动导致Hb构象的转换氧合过程中铁原子位移引发的构象改变Fe2+移动时，拖动HisF8残基,并进而引起螺旋F和拐弯EF和FG的位移。这些移动传递到亚基的界面，引发构象的重调，导致四级结构的改变。（TR）FHelixFemeFeF8HistidineO2EFFG3.HbO2与Hb代表不同的构象态血红蛋白存在两种主要的构象：T态（紧张态）和R态（松弛态）O2对R态的亲和力明显高于T态，并且氧的结合稳定R态。O2与一个处于T态的血红蛋白亚基结合将引发构象由T态转变为R态。4.BPG降低Hb对O2的亲和力BPG在脱氧Hb中的结合位点DBGbindingsiteBPG与Hb的相互作用属于异促别构调节。BPG把两个β链交联在一起，稳定Hb的T态构象，促进氧的释放。BPG对Hb的变构效应物功能BPG浓度的调节（浓度升高）对肺中O2的结合影响不大，但对组织中O2的释放影响不小。BPG是血红蛋白的负效应物。BPG（2,3-二磷酸甘油酸）通过与它的两个β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。

（1）高山适应和肺气肿的生理补偿变化：BPG升高。（2）血库储血时加入肌苷可防止BPG水平的下降。四、血红蛋白分子病（一）分子病是遗传的除精子和卵子之外，人的所有细胞在正常情况下均为二倍体，存在等位基因。基因的改变导致其指导的蛋白质结构和功能的改变。镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病，但它能抵抗疟疾。2.HbS氨基酸序列的细微变化-链N端氨基酸排列顺序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可形成纤维状沉淀脱氧HbS聚集成纤维状结构6条脱氧HbS纤维状缠绕成长管状结构血红蛋白S线性缔合的分子基础纤维沉淀压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。在体外用氰酸钾处理镰刀状细胞贫血病患者的红细胞，可以防止它在缺氧状态下形成镰刀状。（三）地中海贫血(thalassemia)产生途经：（1）缺失一个或多个编码Hb的基因；（2）一个或多个基因发生无义突变；（3）突变发生在编码区之外，导致转录阻断或hnRNA不正确加工。1.β－地中海贫血β－珠蛋白基因丢失或不能表达。需依赖胎儿γ链的连续产生以形成有功能的血红蛋白。多数不到成熟就夭折。2.α－地中海贫血α－珠蛋白水平低下，形成β4、γ4或δ4同四聚体，它们能结合氧，但无血红蛋白的别构效应，总是处于R态，向组织卸氧的效率差。通常在出生前或出生后不久死亡。五、免疫球蛋白免疫(immunity)

是人类和脊椎动物最重要的防御机制，免疫系统能在分子水平上识别“自我”和“非我”，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。在生理水平上免疫系统对入侵的反应或应答（respone）是多种类型的蛋白质、分子和细胞之间的一套复杂而协同的相互作用，然而在个别蛋白质水平上免疫反应是配体与蛋白质可逆结合的一个生化系统。免疫系统体液免疫系统：针对细菌感染、胞外病毒以及进入生物体的外来蛋白质。细胞免疫系统：破坏被病毒感染的细胞、某些寄生物和外来的移殖组织。抗原、抗体的概念免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。淋巴细胞B细胞（免疫球蛋白）T细胞（T细胞受体）能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原（antigen）。一个复杂的抗原可以被若干个不同的抗体结合。当外源物性物质，如蛋白质、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、颗粒（细菌、细胞、病毒）进入人或动物体内时，机体的免疫系统便产生相应的免疫球蛋白（immuneglobin），并以之结合，以消除异物的毒害。此反应称为免疫反应，此异物便是抗原(antigen)，此球蛋白便是抗体(antibody)

。抗体的特点：高度特异性；多样性多克隆抗体和单克隆抗体如果给动物注射抗原,虽然抗原与各种抗体产生细胞的亲和性有所不同,但是还是有大量抗体产生细胞将与之结合,结果血液中出现的抗体源于数种不同的细胞克隆，这些抗体就是多克隆抗体（polyclonalantibodies）。如果可以分离到抗体产生细胞的单克隆，然后使所有的抗体均来自同样的克隆，这样制备的抗体称为单克隆抗体（monoclonalantibodies）。免疫印记法（immunoblotassay或Westernblotting）对不同种属的细胞色素C的研究指出具有同种功能的蛋白质在结构上的相似性。细胞色素C由124个残基构成，在生物氧化反应中起重要作用。人与黑猩猩、猴、狗、金枪鱼、飞蛾和酵母的细胞色素C比较，其不同的氨基酸残基数依次为0、1、10、21、31