第6章+蛋白质结构与功能的关系

第6章蛋白质结构与功能的关系前言蛋白质的三维结构是蛋白质行使其功能的基础球状蛋白质的构象不是刚性的，静止的，而是柔性的，动态的蛋白质功能总是跟蛋白质与其他分子相互作用相联系相互作用中蛋白质构象有时发生些微的改变，有时发生剧烈的变化正是这种结构的变化赋予了蛋白质强大的功能一、肌红蛋白的结构和功能153个AA8段α螺旋（一）三级结构

myoglobin，Mb

哺乳动物肌细胞贮存和分配氧的蛋白质，由一条多肽链和一个辅基血红素构成。脱辅基称为珠蛋白。两套位置编号，93位His又编为F8（二）辅基原卟啉血红素蛋白质自身不能与氧发生可逆结合，需要过渡金属的低氧态来结合氧。肌红蛋白由原卟啉IX来固定Fe2+。亚铁螯合酶

Fe原子有6个配位键Fe原子可以是亚铁（Fe2+）或高铁（Fe3+）氧化态，相应的血红素称为[亚铁]血红素和高铁血红素，相应的肌红蛋白称为[亚铁]肌红蛋白和高铁肌红蛋白。只有亚铁态的蛋白质才能结合O2（三）O2与Mb的结合93位空间位阻Mb:CO复合物游离血红素：CO咪唑复合物游离血红素结合CO的能力是结合氧的25000倍，但肌红蛋白中的血红素对CO的亲和力仅比氧大250倍。有效防止代谢过程中产生的少量CO占据它们的氧结合部位。虽如此，CO含量0.06～0.08%即有中毒危险，0.1%则窒息死亡。空间位阻肌红蛋白和血红蛋白多肽微环境的作用固定血红素保护血红素铁免遭氧化为氧分子提供一个合适的结合部位。（四）Mb的氧结合曲线MbO2Mb+O2氧合Mb去氧Mb氧合Mb与去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比O2（肺或腮）血红蛋白O2（组织）肌红蛋白O2（线粒体）Mb氧分数饱和度（fractionalsatuation）给定氧压下的氧分数饱和度根据henry定律，溶于液体的任一气体的浓度与液面上的该气体分压成正比。Y值可用分光光度计法测定Y=1Mb被氧完全饱和Y=0.5p(O2)=K=P50P50：Mb被氧半饱和时的氧分压YMb氧结合/解离曲线K值方程的实际曲线是双曲线形氧结合曲线，根据实验数据制作的的氧结合曲线如下：由于该双曲线方程作图求K值不方便，通常把方程线性化，步骤如下：氧和血红蛋白结合的Hill图直线斜率是Hill系数（nH=1.0),在log(Y/(1-Y))=0,log(O2)=logP50=-pK；也就是K=P50二、血红蛋白的结构和功能

(hemoglobin，Hb)1、结构：α1、α2、β1、β2亚基血红蛋白在血液中结合并转运氧气。存在血液的红细胞中（3亿Hb/红细胞），脊椎动物的Hb由4个多肽亚基组成，两个是一种亚基，两个是另外一种亚基。每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。不同发育阶段，亚基的种类不同。发育阶段名称a链或a样链b链或b样链亚基组成胚胎zez2e2胎儿HbFaga2g2出生到死亡HbAaba2b2出生到死亡HbA2

ada2d2各阶段间有相当多的重叠卟啉铁2.血红蛋白的三维结构Hb分子近似球形，所有脊椎动物的Hb都显示基本相同的三维结构（如图），四个亚基占据4个顶角，四个血红素基分别位于每个多肽链的裂隙处。并暴露在分子表面。肌红蛋白

血红蛋白α

血红蛋白β血红蛋白的a链和b链的三级结构和肌红蛋白链的三级结构非常相似。然而，事实上141个氨基酸残基中只有27个位置的残基对于人的这3种多肽链是共有的。这表明，十分不同的氨基酸序列也能够规定出十分相似的三级结构血红蛋白的b链和肌红蛋白链的三级结构十分相似人的三种多肽链氨基酸序列比对结果粉红色表示高度保守的残基，灰色表示在人血红蛋白和肌红蛋白中的保守残基。与血红素的Fe2+离子相互作用的两个His残基是所有蛋白功能所必须的，因此是最保守的残基。肌红蛋白/血红蛋白α/血红蛋白βAA序列大不相同，结构相似结构决定功能（载氧）（二）氧结合引起的Hb的构象变化变构脱氧血红蛋白氧合血红蛋白对氧的亲和力低对氧的亲和力高1、氧合作用改变Hb四级结构装配接触滑动接触α2β2α1β1接触面积大α2β1α1β2可变2.血红素铁的微小位移导致血红蛋白构象的转换这一微小的移动具有很深的生物学后果。移动的结果导致维系去氧血红蛋白四级结构的链间盐键断裂以及b-亚基之间的空隙变窄。3、Hb的两种不同构象态紧张态松弛态O2和两种构象态都能结合，但是对R态的亲和力明显高于T态，并且氧的结合更稳定了R态。稳定T态的盐键和氢键T型血红蛋白肽链之间的8个盐桥αβ链C末端有Tyr-OH可与C=O形成氢键氧的结合使稳定T态的盐键和氢键发生断裂（三）Hb氧结合曲线对于具有n个结合L位点的蛋白P：因此Hb的氧分数饱和度方程为：红色是理论曲线，蓝色是实验观察到的曲线，紫色的是一个结合部位S曲线是氧与Hb协同性结合的标志Hill方程nH=1非协同nH＞1正协同nH=n完全协同Hill系数与配体的结合2.8Hill方程的斜率为nH在log(Y/1-Y)=0的附近接近一直线。因为O2与Hb的结合是协同的。在p(O2)极高或极低时都只能结合一个氧分子，因此可预测Hill曲线两端的斜率应为1。实际上，实验的数据确实如此。nH=2.8在中间的氧分压区域协同性最大为2.8，但不能达到亚基数目4这个值，因为完全的协同是不存在的。K4约为0.5torr而K1约为148torr，因此Hb对第4个氧的亲和力约为第1个的300倍。协同性使得血红蛋白更能有效地输送氧气，协同效应，就是增加血红蛋白在肌肉中的卸氧效率。(R)relaxedstate(T)tensestate

血中氧分子的运送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle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

Tstate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）Hb结合氧的调节1、H+、CO2促进O2的释放碳酸酐酶H+—Hb氧合的拮抗物pH降低时：促进氧的释放缓冲血液pH组织中的代谢作用即产生H+，也产生CO2。在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放因此，H+可看作是Hb氧合的拮抗物。Bohr效应CO2与Hb的结合氨甲酸血红蛋白释放的H+有助于Bohr效应氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态促进氧的释放H+血红蛋白除从肺到组织转运全部的氧外，还转运组织中形成的约20%总H+和CO2到肺和肾，以排出体外。2、BPG降低Hb对氧的亲和力2，3-二磷酸甘油酸——Hb异促别构调节的效应物Hb四聚体只有一个BPG结合部位—4个亚基缔合形成的中央空穴内BPGHb高负电荷的BPG分子通过与每个b链的Lysb82、Hisb2、Hisb143和N-末端Valb1等残基的荷正电基团的静电相互作用结合于Hb分子上。离子键稳定T态4（）4BPG对R态Hb的亲和力至少比对T态Hb低一个数量级。对R态Hb的亲和力顺序为：HbO2＞Hb(O2)2＞Hb(O2)3YBPG对Hb氧合曲线的影响hemoglobinfetalHbF(α2γ2)

对氧的亲和力比成人高

——Ser取代His

与BPG结合能力减弱氧合Hb中央空穴太小，容纳不了BPG,BPG与Hb(O2)4不结合酸性柠檬酸贮存血液会使BPG浓度下降，加入肌苷即可防止BPG水平的下降，因此，肌苷已广泛用于血液的保存。分子病：由于基因突变，导致蛋白质中氨基酸种类发生变化，并引起功能降低或丧失。

镰刀型贫血症（sickle-cellanemia）三、血红蛋白分子病镰刀状贫血病—血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息正常细胞镰刀形细胞它是最早认识的一种分子病，在非洲某些地区十分流行死亡率极高由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构突变镰刀状细胞贫血病的杂合子患者的寿命虽也不长，但是它能抵抗一种流行于非洲的疟疾。自然选择的结果使杂合状态处于更有利的位置。正常型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β链

谷氨酸镰刀型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β链

缬氨酸（极性）（非极性）N2.镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化3.镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀纤维状沉淀压迫细胞膜，使之弯曲成镰刀状。如氧分压低，镰刀状化的程度增加，某些细胞破裂后，在血管中形成冻胶状而限制血流。从而使氧分压进一步下降。（三）其他血红蛋白病血红蛋白突变影响下述关键区域之一者都可能造成严重后果突变发生在血红蛋白分子表面突变发生在血红素基的附近突变发生在特异的部位突变发生在亚基界面上（四）地中海贫血地中海贫血症可以由几条途径产生：缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因；所有基因都可能存在，但一个或多个基因发生无义突变，结果产生缩短了的蛋白链，或产生移码突变，致使合成的链含不正确的氨基酸序列所以基因都可能存在，但突变发生在编码区之外，导致转录或被阻断或前体mRNA的不正确加工人类基因组含若干个珠蛋白基因，因此有许多种地中海贫血，其中成人血红蛋白a和b链的缺失或功能错误能产生两种类型的地中海贫血b-地中海贫血b-珠蛋白基因丢失或不能被表达，一般在幼年就死亡，杂合子症状较轻2.a-地中海贫血人每个染色体上有两个邻接的a链拷贝，因此，人可以有4、3、2、1或0个a基因拷贝，仅含1个有轻微症状。0个则是致命性的。一般出生前或出生后不久死亡。四、免疫系统和免疫球蛋白免疫（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。生理水平上：多种类型蛋白质，分子和细胞之间的一套复杂而协调的相互作用个别蛋白质水平上：配体与蛋白质可逆结合的一个生化系统（一）免疫系统细胞免疫系统：破坏被病毒感染的宿主细胞、某些寄生物和外来的移植组织。体液免疫系统：针对细菌感染，胞外病毒及外来蛋白质。骨髓胸腺T淋巴细胞巨噬细胞B淋巴细胞抗体骨髓淋巴细胞单核细胞浆细胞记忆细胞TH细胞TC细胞特异抗原MHC结合抗原淋巴因子胞毒活性树突状细胞与感染的宿主细胞相互作用与巨噬细胞相互作用；分泌细胞因子抗原特异的膜受体在B细胞中为特异性抗体，可直接识别抗原并与之结合在T细胞中为含有可变区和恒定区的受体，只能识别与主要组织相容性复合体（MHC）结合的抗原人类能产生超过108种具有不同特异性的抗体，因此，任何病毒或入侵细胞表面上的化学结构都能被抗体结合能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原抗原决定簇；表位半抗原（二）免疫系统能识别自我和非我1、主要组织相容性复合体

（majorhistocompatibilitycomplex，MHC)

——膜蛋白、呈递抗原给T细胞免疫系统必须识别并破坏入侵者和异常者，也必须识别但不破坏生物体自身的正常蛋白和细胞。蛋白质抗原的检测由MHC蛋白介导。结合抗原肽的裂隙MHC-I:几乎存在所以脊椎动物细胞表面，能结合并展示由细胞内随机发生的蛋白质降解和更新衍生来的肽。该复合体是TC细胞的T细胞受体的识别靶。95%以上正发育TC细胞(包括识别自身蛋白质的肽复合体细胞）都被消灭，最后只剩下能识别外来肽复合体的TC细胞群。（免疫自身耐受）MHC–II：主要存在巨噬细胞和B淋巴细胞表面，与该类细胞吞噬的外来抗原消化的肽段结合并展示在膜上。和TC细胞一样，TH细胞在胸腺中进行严格的选择，最后只剩下能识别外来肽复合体的TH细胞群。每个T细胞只有一个单一类型的T细胞受体。辅受体辅受体TC细胞的细胞膜几乎所有的细胞巨噬细胞或B细胞TH细胞的细胞膜存在于：几乎所有的脊椎动物细胞表面结合并展示：细胞内随机发生的蛋白降解及更新衍生来的肽(三)在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应一个新的抗原经常是一个感染的先兆。少数具有能与该抗原结合的受体或抗体的淋巴细胞必须迅速而有选择性地增殖以消灭感染。所有的的免疫反应都涉及细胞表面分子的相互作用TH细胞本身只间接地参与被感染细胞和