第6章蛋白质化学-蛋白质分子结构与功能的关系.pptx

第第6章章 蛋白质分子结构蛋白质分子结构 与功能的关系与功能的关系一、肌一、肌红蛋白的蛋白的结构与功能构与功能二、血二、血红蛋白的蛋白的结构与功能构与功能三、血三、血红蛋白分子病蛋白分子病四、免疫系四、免疫系统和免疫球蛋白和免疫球蛋白五、肌球蛋白五、肌球蛋白丝、肌、肌动蛋白蛋白丝与肌肉收与肌肉收缩六、六、纤维状蛋白状蛋白质的的结构与功能构与功能一、肌红蛋白的结构与功能一、肌红蛋白的结构与功能（一）肌（一）肌红蛋白蛋白(myoglobin，Mb)的三的三级结构构（二）（二）辅基血基血红素素(heme)（三）（三）O2与肌与肌红蛋白的蛋白的结合合（四）（四）O2的的结合改合改变肌肌红蛋白的构象蛋白的构象(一)肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构 共有共有8段段-螺旋，螺旋，占全部序列的占全部序列的75%。整条整条肽链折叠成折叠成紧密球状，疏水密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、大都在分子内部，极性、带电荷的荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋深的疏水口袋，血，血红素通素通过与周与周围氨基酸残基的次氨基酸残基的次级键以及血以及血红素素铁与近端的与近端的His形成的配位形成的配位键而而“藏藏”在洞中。在洞中。该口袋允口袋允许O2进入入。CO也能与血也能与血红素素结合合，CO的毒性是因的毒性是因为它与血它与血红素素的的亲和力更大，从而阻止和力更大，从而阻止O2与血与血红素的素的结合。合。（二）辅基血红素结构（二）辅基血红素结构 二价态的血红素铁结合氧气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三价态的血红素铁不能结合氧气NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+（三）（三）O O2 2与与肌肌红红蛋蛋白白的的结结合合肌红蛋白的三维结构肌红蛋白的三维结构血血红红素素在在蛋蛋白白中中的的位位置置O2 及及 CO 与肌红蛋白血红素与肌红蛋白血红素Fe的结合的结合氧合肌红蛋白氧合肌红蛋白结合咪唑和结合咪唑和CO的游的游离血红素离血红素肌红蛋白：肌红蛋白：CO复合物复合物（四）（四）O2的结合改变肌红蛋白的构象的结合改变肌红蛋白的构象 未未结合氧合氧时，5个配位个配位键，Fe位于位于卟啉啉环上方上方0.055nm；结合合氧氧时，Fe被拉被拉进卟啉啉环，Fe位于位于卟啉啉环上方上方0.026nm；His同同时被拉被拉动引起构象改引起构象改变。Fe的的这一微小移一微小移动对血血红蛋白有蛋白有显著的影响。著的影响。见见P255图图6-5二、血红蛋白二、血红蛋白(hemoglobin,Hb)的结构与功能的结构与功能(一一)血血红蛋白的蛋白的结构构(二二)氧氧结合引起的血合引起的血红蛋白构象蛋白构象变化化(三三)血血红蛋白的蛋白的协同性氧同性氧结合合(Hb氧氧结合曲合曲线）(四四)H+、CO2和和BPG对血血红蛋白蛋白结合氧的影响合氧的影响(一一)血红蛋白的结构血红蛋白的结构 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 血血红蛋白（蛋白（22），有），有稳定的四定的四级结构，与氧的构，与氧的亲和力和力很弱。但当氧与血很弱。但当氧与血红蛋白分子中一个蛋白分子中一个亚基的血基的血红素素辅基的基的铁结合后，合后，Fe2+被拉回被拉回卟啉啉环，铁卟啉啉环由由圆顶状状变成平成平面，与配位面，与配位键连接得接得His发生位移，并引起生位移，并引起该亚基构象改基构象改变，一个，一个亚基构象的改基构象的改变又引起其余又引起其余亚基的构象相基的构象相继发生生改改变，亚基基间的次的次级键被破坏，被破坏，结果整个分子从果整个分子从紧密的构密的构象象变成比成比较松散的构象，易于与氧松散的构象，易于与氧结合，使血合，使血红蛋白与氧蛋白与氧结合的速度大大加快。合的速度大大加快。血血红蛋白上有蛋白上有CO2结合部位，因此，血合部位，因此，血红蛋白蛋白还能运能运输CO2(二二)氧结合引起的血红蛋白构象变化氧结合引起的血红蛋白构象变化(三三)血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合(Hb氧结合曲线）氧结合曲线）Hb和和Mb氧氧结结合合曲曲线线的的比比较较 血红蛋白四个亚基之间具有正协同效应，血红蛋白四个亚基之间具有正协同效应，氧合曲线是氧合曲线是S型曲线型曲线 刚开始时，氧的结合要比肌红蛋白对氧的结合慢（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。(四四)H+、CO2和和BPG 对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响1、H+、CO2促促进O2的的释放（放（Bohr效效应）2、BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低二磷酸甘油酸）降低Hb对O2的的亲和和力力波尔效应波尔效应 H+和和CO2降低降低Hb与氧气与氧气亲和力，和力，即即H+和和CO2促促进Hb释放放O2，这样的效的效应被称被称为波波尔效效应。质子浓度对血红蛋白与质子浓度对血红蛋白与O2亲和力的影响亲和力的影响 不同不同PHPH下下MbMb和和HbHb的氧分数饱和度曲线的氧分数饱和度曲线hemoglobin代谢越快，代谢越快，H+或或CO2越多，需要越多，需要的氧越多，越有的氧越多，越有利于利于Hb释放释放O2。Bohr效应效应 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的别构效应的别构效应 二磷酸甘油酸（二磷酸甘油酸（BPG）降）降 低血低血红蛋白蛋白对氧的氧的亲和力，和力，BPG是血是血红蛋白的异促效蛋白的异促效应物（物（负效效应物）。物）。BPG通通过与两个与两个亚基形成基形成盐键稳定了血定了血红蛋蛋白的脱氧白的脱氧态的构象的构象，因而降低脱氧血，因而降低脱氧血红蛋白的氧蛋白的氧亲和力。和力。胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白 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红细胞红细胞种类种类一种一种三三种种：HbAHbA1 1（成成人人9898）、HbAHbA2 2（成成人人2 2）和和HbFHbF（胎儿）（胎儿）一级结构一级结构单单条条肽肽链链，153153个个aaaa，其其中中的的8383个个aaaa为为保守序列保守序列四四条条肽肽链链,-,-亚亚基基约约141aa,141aa,亚亚基基约约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典型型的的球球蛋蛋白白，分分子子表表面面形形成成一一个个疏疏水口袋，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个个亚亚基基占占据据着着4 4面面体体的的4 4个个角角，链链间间以以离离子子键键结结合合，()()2 2，在在二二聚聚体体内内结结合合紧紧密密，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），结合氧气每每个个亚亚基基结结合合一一分分子子血血红红素素（FeFe2 2），一一分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肌肉肉组组织织中中储储存存氧氧气气；运运输输氧氧气气到到线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肌红蛋白和血红蛋白的比较三、血红蛋白分子病三、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(二二)镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病 这种病在非洲的某些地这种病在非洲的某些地区发展率较高。这种病人区发展率较高。这种病人最显著的特点是相当一部最显著的特点是相当一部分红血球呈镰刀形。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简简称为称为HbS。HbS造成红细造成红细胞溶血，致使病人体内的胞溶血，致使病人体内的红细胞减少，只有正常人红细胞减少，只有正常人的的1/2。这种病人的病因在哪里呢？这种病人的病因在哪里呢？Hemoglobin 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，现在被，现在被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。镰刀状贫血病镰刀状贫血病 的分子机理的分子机理 Glu Val 由于由于ValVal取代了取代了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之间的自组装反应之间的自组装反应 镰型镰型细胞贫血细胞贫血症的血红症的血红蛋白不适蛋白不适当的结合当的结合导致形成导致形成长长链链，很，很多长链聚多长链聚集成多股集成多股螺旋，将螺旋，将红血球挤红血球挤扭成镰刀扭成镰刀状。状。四、免疫系统和免疫球蛋白四、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（一）免疫系统 免疫反免疫反应主要涉及淋巴主要涉及淋巴细胞（胞（lymphocyte）和巨）和巨噬噬细胞（胞（microphage），淋巴），淋巴细胞又分胞又分为两个两个细胞群，胞群，B淋巴淋巴细胞和胞和 T淋巴淋巴细胞。胞。B淋巴淋巴细胞：胞：又称又称B细胞，它在骨髓中胞，它在骨髓中发育完成。育完成。T淋巴淋巴细胞：胞：又称又称T细胞，它胞，它虽在骨髓中分泌但最在骨髓中分泌但最终迁移到胸腺中完成它迁移到胸腺中完成它们的后期的后期发育。育。B（T）细胞受体：胞受体：B（T）细胞表达的抗原特异性胞表达的抗原特异性膜受体。膜受体。抗原与抗体抗原与抗体 抗原是指抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴入异体机体后，能致敏淋巴细胞胞产生特异抗生特异抗体，并能与抗体体，并能与抗体发生特异生特异结合的物合的物质（主要有蛋白（主要有蛋白质、核、核酸及其酸及其 它高分子化合物）。它高分子化合物）。抗原性包括：抗原性包括：免疫原性免疫原性是指是指诱导特异免疫反特异免疫反应的能力。的能力。抗原特异性抗原特异性（反（反应原性）是指与抗体特异原性）是指与抗体特异结合的能力。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抗原决定簇：抗原性由抗原分子表面特殊的化学基团决定决定（一（一级结构或空构或空间结构），构），这种决定或控制抗原性种决定或控制抗原性的化学基的化学基 团称称抗原决定簇抗原决定簇。（四）免疫球蛋白的结构和类型（四）免疫球蛋白的结构和类型 免疫球蛋白免疫球蛋白（Ig）：）：是抗体的一种，由四条是抗体的一种，由四条多多肽链组成，两条大的成，两条大的链称重称重链或或 H 链，两条小，两条小的的链称称轻链或或 L 链，它，它们通通过非共价非共价键和二硫和二硫键连接成的复合体。接成的复合体。免疫球蛋白共有免疫球蛋白共有5个个类别：IgG、IgA、IgM、IgD和和IgE抗原抗体反应抗原抗体反应 抗体是抗体是2价的，抗原是多价的：价的，抗原是多价的：抗体极度抗体极度过剩，抗原分子所有价被抗体的剩，抗原分子所有价被抗体的饱和，可溶。和，可溶。抗原一抗体比例适中，形成网状的抗原抗原一抗体比例适中，形成网状的抗原抗体复合物，抗体复合物，不可溶。不可溶。抗原极度抗原极度过剩，抗体被剩，抗体被饱和，可溶。和，可溶。抗原抗体反抗原抗体反应的条件：的条件：抗原决定簇与抗体抗原决定簇与抗体结合部位构象互合部位构象互补。二者各有二者各有对应的化学基的化学基团，通，通过作用力使二者作用力使二者结合合（离子（离子键、氢键 等）等）糖链糖链VH结构域结构域VH结构域结构域CL结结构构域域VL结构域结构域VL结构域结构域重链重链五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩(一一)肌肌纤维的的结构构(二二)肌原肌原纤维由粗由粗丝和和细丝构成构成(三三)骨骼肌的相关蛋白骨骼肌的相关蛋白质(四四)肌肉收肌肉收缩的机制：肌的机制：肌丝滑滑动模型模型 肌肉收肌肉收缩主要有两种蛋白完成：肌球蛋白是主要有两种蛋白完成：肌球蛋白是一种一种ATP酶，水解，水解ATP，将其中化学能，将其中化学能转变为机机械能，机械能控制肌械能，机械能控制肌动蛋白（也称微蛋白（也称微丝或微管等）或微管等）的构象的构象变化。化。六、六、纤维状蛋白质的结构与功能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（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，还有一些折叠，还有一些无序的无序的-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。同时能。同时-螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与-角蛋白角蛋白不同的是，相邻的不同的是，相邻的-角蛋白之间没有共价交联。角蛋白之间没有共价交联。-角蛋白中的角蛋白中的-折叠折叠蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次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 永久性卷永久性卷发(烫发)是一是一项生物化学工程生物化学工程(biochemical engineering),-角蛋白在湿角蛋白在湿热条件条件下可以伸展下可以伸展转变为-构象，但在冷却干燥构象，但在冷却干燥时又可自又可自发地恢复原状。地恢复原状。这是因是因为-角蛋白的角蛋白的侧链R基一般都比基一般都比较大，大，不适于不适于处在在-构象状构象状态，此外，此外-角蛋白中的螺旋多角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫有着很多的二硫键交交联，这些交些交联键也是当外力也是当外力解除后使解除后使肽链恢复原状恢复原状(-螺旋构象螺旋构象)的重要力量。的重要力量。这就是卷就是卷发行行业的生化基的生化基础。胶原蛋白胶原蛋白 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条条链组成的原胶原分子。链组成的原胶原分子。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-羟脯氨酸（羟脯氨酸（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，但螺旋，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三股螺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。旋。胶原蛋白的结构问题问题 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从结构和功能角度考虑血红蛋白分子病有那几种类型？几种类型？根本原因是基因突根本原因是基因突变引起的，有引起的，有纯合体和合体和杂合体之分合体之分（1）血）血红蛋白分子表面蛋白分子表面发生突生突变-（镰刀状刀状贫血病）血病）（2）血）血红素附近的氨基酸残疾突素附近的氨基酸残疾突变，影响蛋白与血，影响蛋白与血红素的素的结合或是合或是铁失失去氧和能力去氧和能力（3）血）血红蛋白内部的氨基酸残基突蛋白内部的氨基酸残基突变，R集集团的小改的小改变很大，使三很大，使三级结构构发生生变化化（4）氨基酸残基突）氨基酸残基突变后，血后，血红蛋白蛋白亚基基间不能相互作用，失去氧合不能相互作用，失去氧合别构构调节作用作用（5）血）血红蛋白基因缺失蛋白基因缺失导致致亚基缺失（地中海基缺失（地中海贫血病）血病）镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达40%40%40%40%；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？