蛋白质结构与功能的关系.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,蛋白质构造与功能的关系,第一页，共69页。,二价态的血红素铁结合氧气,三价态的血红素铁不能结合氧气,N,C,C,C,C,N,C,C,C,C,N,C,C,C,C,N,C,C,C,C,H,C,C,H,H,C,C,H,C,H,3,C,H,=,C,H,2,C,H,2,C,O,O,-,C,H,2,C,H,2,C,O,O,-,C,H,2,C,H,C,H,3,C,H,3,H,3,C,H,2,C,F,e,2,+,N,C,C,C,C,N,C,C,C,C,N,C,C,C,C,N,C,C,C,C,H,C,C,H,H,C,C,H,C,H,3,C,H,=,C,H,2,C,H,2,C,O,O,-,C,H,2,C,H,2,C,O,O,-,C,H,2,C,H,C,H,3,C,H,3,H,3,C,H,2,C,F,e,3,+,2.肌红蛋白的辅基血红素,第二页，共69页。,3.O,2,与肌红蛋白的结合,第三页，共69页。,氧结合部位是一种空间位阻区域,近侧His,远侧His,第四页，共69页。,O,2,和,CO,与肌红蛋白血红素,Fe,（）,的结合,第五页，共69页。,煤气中毒的机制,一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少许的CO即可完全克制血红蛋白与O2的结合，从而导致缺氧死亡。,急救措施是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。,第六页，共69页。,珠蛋白的作用：,1、固定亚铁血红素,F8 His固定,2、保护血红素免遭氧化,蛋白质中其他部位的疏水环境制止了极性互作,3、为氧提供合适的结合部位,远侧His的空间位阻，减少了与CO的亲和力,游离的血红素与CO的亲和力比氧强25000倍,有了珠蛋白后只大250倍,第七页，共69页。,4.O2的结合可变化肌红蛋白的构象,结合前，Fe2+距卟啉平面0.055nm，,结合后，Fe2+距卟啉平面只有0.026nm，即被O2又拉回到卟啉环平面,由圆顶状变成平面状,若是多亚基的血红蛋白则会变化亚基与亚基的互相作用，带来变构效应,但对肌红蛋白来说影响不大,第八页，共69页。,0.055nm,0.026nm,第九页，共69页。,5.肌红蛋白氧结合曲线,氧气经呼吸进入肺血液循环血红蛋白转运,组织肌红蛋白接受氧细胞线粒体呼吸能量,因此作用：,1、储存氧,2、转移氧到肌肉的线粒体,第十页，共69页。,肌红蛋白的氧结合曲线,第十一页，共69页。,二、血红蛋白的构造与功能,第十二页，共69页。,血红蛋白,血红蛋白（hemoglobin，Hb）存在于红细胞中，它的重要功能是在血液中结合并转运氧气，它在肺中与氧气结合，运送到全身各处组织中，再释放出氧气。,第十三页，共69页。,1.血红蛋白的构造,血红蛋白（homoglubin,Hb）四个亚基构成（2,、2,），,链含141个氨基酸残基、,146个氨基酸残基；亚基间通过8个离子键连接,第十四页，共69页。,Hb的链、链和Mb链构象的相似性,血红蛋白链、链及肌红蛋白链的三级构造非常相似，但这三种肽链的氨基酸序列有很大不一样，141个氨基酸残基位置中只有27个位置的残基在这三种肽链中是相似的。,Mb Hb,Hb,第十五页，共69页。,6.4nm5.5nm5.0nm,构造相似，141AA中27AA相似,141AA,146AA,153AA,第十六页，共69页。,2.氧结合引起的血红蛋白构象变化,0.08nm,第十七页，共69页。,0.06nm,0.021nm,第十八页，共69页。,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。,这一小小的移动变化了血红蛋白四聚体内亚基与亚基的互相作用。,第十九页，共69页。,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,紧张态（T态）松弛态（R态）,第二十页，共69页。,含亚基的蛋白质由于一种亚基的构象变化而引起其他亚基和整个分子构象、性质和功能发生变化，这种由别构而产生的效应称为别构效应,别构效应,第二十一页，共69页。,Po,2,/133Pa,0,1.0,.,0.5.,.,.,.,.,.,20,40,60,80,100,活动肌肉中Po,2,肺泡中Po,2,氧饱和度,肌红蛋白,血红蛋白,3.肌红蛋白与血红蛋白的氧合曲线(与功能有关）,第二十二页，共69页。,3.影响血红蛋白氧亲和力的原因,血红蛋白氧亲和力指血红蛋白与氧结合的牢固程度，可以用P50来表达，也就指血红蛋白中的氧到达半饱和时所需的氧分压。,氢离子、二氧化碳和2，3二磷酸甘油酸等物质的浓度变化都会影响到血红蛋白的氧亲和力。,第二十三页，共69页。,波尔（Bohr）效应,它重要描述pH值或H+浓度和CO2分压的变化对血红蛋白结合氧能力的影响，在pH值一定的状况下，CO2分压升高，血红蛋白对氧的结合能力减少；减少pH值（H+浓度升高），增进血红蛋白释放氧，此现象由丹麦科学家C.Bohr发现，因此称为Bohr效应。,第二十四页，共69页。,Mb和在不一样pH下Hb的氧合曲线,第二十五页，共69页。,CO,2,与,Hb,的结合,血红蛋白还能结合CO2，结合部位是亚基N末端游离的NH2。CO2的结合也能增进O2的释放。,第二十六页，共69页。,BPG,与,Hb,的结合,2,3-二磷酸甘油酸（BPG）是血红蛋白一种重要的别构效应剂（别构克制剂）。正常人红细胞中约具有4.5mmol/L的BPG，约与血红蛋白等摩尔数。每个Hb分子（四聚体）只有一种BPG结合位点，位于由4个亚基缔合形成的中央孔穴内。高负电荷的BPG分子与每个链的若干个残基的带正电荷基团通过静电结合于Hb分子上，BPG把两个链交联在一起。O2的结合使中央孔穴变小，使BPG结合变得困难。在没有BPG存在时，O2的结合轻易，而在有BPG存在时，O2的结合变得困难。,第二十七页，共69页。,BPG,对,Hb,氧合曲线的影响,BPG对R态Hb的亲和力至少比对T态Hb低一种数量级，BPG对R态Hb的亲和力大小次序为：HbO2 Hb(O2)2 Hb(O2)3，而对Hb(O2)4则完全不结合。,BPG浓度越大，Hb的氧合曲线就越往右偏移，阐明BPG克制O2的结合，并增长了正协同效应。BPG的存在可以增长Hb在组织中的卸氧量。正常状况下供应组织的氧量约为血液所能携带的最大氧量的40%（即Y=40%）。,第二十八页，共69页。,BPG,对,Hb,氧合曲线的影响,第二十九页，共69页。,BPG,的生理作用,人的某些生理性或病理性缺氧可以通过红细胞中BPG浓度的升高而代偿。当正常人在短时间内由海平面上升到4500m高的高山上时，红细胞中的BPG浓度几种小时后就开始上升，两天内可由4.5mmol/L增长到7.5mmol/L，使氧的释放量增大。值得注意的是，BPG浓度增长对肺中Hb与O2的结合影响不大。,第三十页，共69页。,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，这显然有助于它们从母体的胎盘（氧分压大大低于肺）中获取O2。之因此HbF与O2亲和力高于HbA，是由于与亚基结合的（Gamma）亚基不能结合BPG。,第三十一页，共69页。,三、血红蛋白分子病,第三十二页，共69页。,分子病指蛋白质分子中由于AA排列次序与正常蛋白质不一样而发生的一种遗传病(基因突变导致的)。,病因：血红蛋白AA次序的细微变化,-链N端氨基酸排列次序 1 2 3 4 5 6 7 8,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,镰刀形贫血病：病人体内血红蛋白的含量乃至红细胞的量都较正常人少，且红细胞的形状为新月形，即镰刀状。此种细胞壁薄，并且脆性大，极易涨破而发生溶血；再者，发生镰变的细胞粘滞加大，易栓塞血管；由于流速较慢，输氧机能减少，使脏器官供血出现障碍，从而引起头昏、胸闷而导致死亡。,镰刀状细胞贫血病,第三十三页，共69页。,Val,Glu,第三十四页，共69页。,正常红细胞,镰刀形红细胞,正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图,谷氨酸在生理pH值下为带负电荷R基氨基酸，而缬氨酸却是一种非极性R基氨基酸，就使得HbS分子表面的荷电性发生变化，引起等电点变化，溶解度减少，使之不正常地汇集成纤维状血红蛋白，致使红细胞变形成镰刀状,输氧功能下降,细胞脆弱易溶血.,镰刀型贫血病,第三十五页，共69页。,每种蛋白质分子都具有特定的构造来行使特定的功能，虽然是一级构造个别AA的变化也能引起功能的变化或丧失。,正常红细胞与镰刀状红细胞贫血病人的红细胞比较,第三十六页，共69页。,镰刀状细胞贫血病,镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病，它的纯合子患者有的在童年就死亡。杂合子患者的寿命也不长，但它能抵御一种流行于非洲的疟疾。这种疟疾也是一种致死性疾病，甚至具有正常血红蛋白的人死于这种疟疾的比例也很高，常常在还没有繁殖后裔就已死去。Hbs杂合子患者对这种疟疾有一定的抵御能力，尚能繁殖后裔，这是由于杂合子患者加速被感染红细胞的破坏而中断疟原虫的生活周期的缘故。,第三十七页，共69页。,地中海贫血,地中海贫血可以由几条途径产生：缺失一种或多种编码血红蛋白链的基因；所有基因都存在，但一种或多种基因发生无义突变（nonsense mutation），成果产生缩短了的肽链，或发生移码突变，产生无功能的肽链。所有基因都也许存在，但突变发生在编码区之外，导致不能转录，或转录后的加工不对的。,广东省是我国地中海贫血症发病率最高的地区，约有11.07%的人（800万人）携带地中海贫血症的基因（5月11日中央电视台报道）。,第三十八页，共69页。,四、免疫系统和免疫球蛋白,（免疫球蛋白部分）,免疫球蛋白，,Immunoglobulin,Ig,第三十九页，共69页。,免疫球蛋白G（Ig G）的构造,第四十页，共69页。,免疫球蛋白,G,的空间填充模型,第四十一页，共69页。,鸡卵清溶菌酶与其抗体的结合,抗体上的抗原结合构造域,鸡卵清溶菌酶（抗原）,鸡卵清溶菌酶上突出的,Gln121,第四十二页，共69页。,鸡卵清溶菌酶与其抗体的结合,抗体上的抗原结合构造域,鸡卵清溶菌酶上突出的,Gln121,第四十三页，共69页。,免疫沉淀的交联晶格,交联晶格,抗原决定簇,抗原,（含4个决定簇）,抗体,第四十四页，共69页。,人免疫球蛋白的多种类型,人的免疫球蛋白除了IgG外，尚有IgA、IgM、IgD 和 IgE，共有5种类型，它们各自存在于人体的不一样部位，起着不一样的作用。Ig 分子轻链恒定区（CL）的氨基酸序列可分为两种基本类型：和，一种 Ig 分子只能具有其中的一种。重链恒定区（包括CH1、CH2和CH3）的序列分为5种基本类型：（IgG）、（IgA）、（IgM）、（IgD）和（IgE）。,第四十五页，共69页。,多种Ig的构造,IgD的构造与IgG类似,IgG,IgE,IgA,IgM,第四十六页，共69页。,IgM的构造,二硫键,第四十七页，共69页。,酶联免疫吸附测定,enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA,第四十八页，共69页。,血清样品中单纯疱疹病毒抗体的,ELISA,检测,酶标板或微孔板,第四十九页，共69页。,尿激酶的免疫印迹测定,(1,4),(2,5),(3,6)-纯化程度逐渐增高的尿激酶样品,免疫印迹,这种检测某种蛋白的措施称为Western blotting,尿激酶单抗检测,第五十页，共69页。,单克隆抗体的制备措施,用目的抗原免疫小鼠，取小鼠脾脏制成B,淋巴,细胞悬液；,繁殖小鼠骨髓瘤细胞；,将制得的B,淋巴,细胞与骨髓瘤细胞融合，产生杂交瘤细胞；,转移到只有杂交瘤细胞才能生长的培养基中进行选择性培养；,用ELISA法筛选出能分泌目的抗体的单克隆杂交瘤细胞株；,扩大培养，从培养液中提取纯化单克隆抗体。,第五十一页，共69页。,五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩,(肌纤维的构造),脊椎动物的骨骼肌又称横纹肌或随意肌。肌肉由许多平行的肌纤维束或称肌束构成。肌束中的每个肌纤维就是一种骨骼肌细胞，它是长柱形的多核细胞，直径约在20100m之间，长可达5cm以上，人体的某些肌纤维甚至可达50cm。肌细胞间有少许结缔组织，并有毛细血管和神经纤维等。,第五十二页，共69页。,骨骼肌的组织水平,第五十三页，共69页。,肌纤维的细胞水平,肌纤维（肌细胞）是由多种称为成肌细胞的肌肉前体细胞融合而成的。每个肌纤维具有约1000个肌原纤维，肌原纤维直径2m。这些肌原纤维处在肌浆中。核一般处在细胞的周围，质膜的内表面。肌纤维中具有许多线粒体，在肌肉收缩时提供能源物质ATP，肌纤维中的内质网称为肌质网，分布在各肌原纤维的周围，肌肉收缩时由它提供所需的Ca2+。,第五十四页，共69页。,肌原纤维的构造,肌原纤维展现一种很有规则的周期性构造，暗带和明带交替排列。明带折射率是各向同性的，因此又称各向同性带（isotropic band），简称 I 带；暗带是各向异性的，因此又称各向异性带（anisotropic band），简称A带。I 带被一条称为Z线或Z盘的细线提成相等的两半。在A带中央有一种较明亮的区域称为H区，H区正中间有一种致密的横线，称为M线或M盘，它将H辨别成相等的两半。,第五十五页，共69页。,骨骼肌肌原纤维的电镜图,第五十六页，共69页。,肌 节,一种肌原纤维可以当作是由许多称为肌节（sarcomere）的反复单位构成的，反复单位是一种A带加上前后各半个I带，即从Z线到下一种Z线。一种肌节在松驰状态下长度为2.5m。上述肌纤维构造在光学显微镜下就能观测到。,第五十七页，共69页。,肌肉收缩的显微观测,在一种完全的收缩中，每个肌节缩短约1.0m（原长2.5 m）。收缩时I带和H区几乎消失，Z盘向A带靠拢，也即缩短是由I带和H区两者的宽度减少导致的，但A带宽度（即粗丝长度）和Z盘到H区边缘的距离（即细丝长度）并不变化。,第五十八页，共69页。,肌原纤维由粗丝和细丝构成,粗丝是由250360个肌球蛋白分子通过它们的尾部缔合而成的分子束，直径约为16nm；它们的尾都朝向A带的中央（H区），长度约为1.5m。构造中肌球蛋白的头部有规则地每间隔约14nm在两端伸出。粗丝上伸出的头部与相邻的细丝接触。,（粗丝的构造）,第五十九页，共69页。,粗丝和细丝中的分子装配,第六十页，共69页。,第六十一页，共69页。,肌原纤维由粗丝和细丝构成,（细丝的构造）,细丝由肌动蛋白（actin）、原肌球蛋白和肌钙蛋白复合体构成，在低离子强度下，肌动蛋白以单体的形式存在，称为G肌动蛋白。在生理条件（高离子强度）下，G肌动蛋白聚合成纤维状的F肌动蛋白。F肌动蛋白外观上像是右手双螺旋构造，螺距约72nm。每7个肌动蛋白分子表面有一条原肌球蛋白分子索，它遮盖着肌动蛋白上能与肌球蛋白结合的位点。肌钙蛋白复合体由3个蛋白构成，肌钙蛋白T、I、C。其中T能与原肌球蛋白结合，C能与钙离子结合，I 阻抑肌动蛋白与肌球蛋白结合。,第六十二页，共69页。,骨骼肌的有关蛋白质,除骨骼肌的重要蛋白质外，尚有多种蛋白质在维持肌肉构造和调整肌肉收缩方面起着重要的作用。肌球蛋白和肌动蛋白共占总肌丝蛋白质的65%，原肌球蛋白和肌钙蛋白各占5%，其他的调整和构造蛋白约占肌丝蛋白质的25%。,两个细胞骨架蛋白，肌连蛋白和伴肌动蛋白，它们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网。,第六十三页，共69页。,骨骼肌收缩的肌丝滑动模型,第六十四页，共69页。,肌肉收缩的分子机制,当信号通过神经传至肌细胞时，肌细胞膜去极化，兴奋传至横小管系（横小管系是肌膜向内凹入形成的细管，它围绕在每条肌原纤维的明带与暗带交界处的表面，直径约2040nm），引起肌质网释放钙离子至肌浆，钙离子与细丝上的肌钙蛋白C结合，肌钙蛋白复合体发生构象变化，通过肌钙蛋白I使原肌球蛋白发生位移，阻抑作用解除，暴露出肌动蛋白上与肌球蛋白的结合位点，肌肉收缩得以进行。,第六十五页，共69页。,肌肉收缩的分子机制,第六十六页，共69页。,肌球蛋白的头部与肌动蛋白丝的结合,第六十七页，共69页。,肌肉松弛,肌肉收缩完毕后，钙离子被钙泵从肌浆中回收到肌质网，另一ATP与肌球蛋白的头部结合时，肌球蛋白头部与肌动蛋白脱离，肌球蛋白头部又回至原位，肌纤维松弛。ATP由线粒体供应，当机体死亡后，线粒体停止产生ATP，无新的ATP与肌球蛋白结合，因而肌球蛋白头部不能脱离肌动蛋白，使肌肉长期处在收缩状态，称为尸僵。,第六十八页，共69页。,肌连蛋白,肌连蛋白是一种弹性蛋白质。它是目前已知最大的单链蛋白质，人的心肌肌连蛋白由26926个氨基酸残基构成，分子量为2993103。在肌连蛋白分子中央是一种新的构造花式，由PEVK的反复单位构成。PEVK花式也许起弹簧装置的作用，在肌肉伸展之后可拉动肌肉恢复原状，并且也也许在调整肌纤维的强度和弹性方面起作用。在强度特殊的肌肉中，如心肌，PEVK区的长度只有163个残基，而在弹性大的骨骼肌中PEVK区超过个残基。,第六十九页，共69页。,