蛋白质的结构和功能.ppt

第六章 蛋白质的结构和功能1蛋白质不是静止的分子，而是处于不停蛋白质不是静止的分子，而是处于不停的运动之中。蛋白质的功能几乎总是依的运动之中。蛋白质的功能几乎总是依赖于与其它分子的相互作用，这种相互赖于与其它分子的相互作用，这种相互作用受到蛋白质分子的构象变化的影响。作用受到蛋白质分子的构象变化的影响。2主要内容蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与肌红蛋白与血红蛋白血红蛋白蛋白质与配体结合的空间互补性蛋白质与配体结合的空间互补性免疫免疫球蛋白球蛋白化学能对蛋白质相互作用的影响化学能对蛋白质相互作用的影响肌球肌球蛋白与肌动蛋白蛋白与肌动蛋白31 1、肌红蛋白、肌红蛋白肌红蛋白（肌红蛋白（myoglobinmyoglobin，MbMb）是哺乳动）是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。白质。肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素构成，相对红素构成，相对MW=16700MW=16700，由，由153153个个AAAA残基。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称残基。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称为珠蛋白。为珠蛋白。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白4肌红蛋白的结构肌红蛋白的结构1、肌红蛋白的三级结构、肌红蛋白的三级结构（1 1）长短不同的）长短不同的8 8条条-螺旋组成；螺旋组成；（2 2）80%AA80%AA处于螺旋中处于螺旋中（3 3）拐弯处为无规卷曲）拐弯处为无规卷曲（4 4）肌红蛋白中）肌红蛋白中4 4个个ProPro各处于四个拐弯处；各处于四个拐弯处；（5 5）分子十分紧密，仅）分子十分紧密，仅能容纳能容纳4 4个水分子；个水分子；（6 6）亲水外部疏水内部）亲水外部疏水内部蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白52、辅基血红素、辅基血红素 FeFe原子被称为原卟原子被称为原卟啉啉IXIX（9 9）的有机分）的有机分子固定的，共称血素子固定的，共称血素（HemeHeme），使血液呈），使血液呈红色。红色。FeFe有六个配位有六个配位键，其中四个与卟啉键，其中四个与卟啉的吡咯环的的吡咯环的N N原子相原子相连。连。Fe2+Fe2+称亚铁血红称亚铁血红素，素，Fe3+Fe3+为高铁血红为高铁血红素，只有素，只有Fe2+Fe2+的蛋白的蛋白才能结合氧才能结合氧肌红蛋白的结构肌红蛋白的结构蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白63、氧与肌红蛋白的结合、氧与肌红蛋白的结合Fe2+Fe2+与珠蛋白的与珠蛋白的9393位位（F8F8）HisHis的咪唑基的咪唑基N N相连；相连；当形成氧合肌红蛋白当形成氧合肌红蛋白（oxy-myoglobinoxy-myoglobin）时，）时，第第6 6个配位键与氧结合；个配位键与氧结合；当成高铁肌红蛋白时，第当成高铁肌红蛋白时，第6 6配位键被配位键被H H2 2O O分子占据；分子占据；在氧结合一侧有一在氧结合一侧有一E7 HisE7 His氧结合部位形成空间位阻氧结合部位形成空间位阻区区肌红蛋白的结构肌红蛋白的结构蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白7肌红蛋白与氧的结合肌红蛋白与氧的结合蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白8MbMb多肽微环境的作用多肽微环境的作用固定血红素基。固定血红素基。保护血红素铁免遭氧化。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。为氧分子提供一个合适的结合部位。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白9氧的结合改变了肌红蛋白的构型氧的结合改变了肌红蛋白的构型肌红蛋白血红素与肌红蛋白血红素与氧结合后，铁原子氧结合后，铁原子从离卟啉环平面上从离卟啉环平面上方方0.055nm0.055nm处，被处，被拉到离卟啉环平面拉到离卟啉环平面上方上方0.026nm0.026nm处。处。这对这对MbMb生物功能并生物功能并没有影响，但会影没有影响，但会影响响HbHb的性质的性质。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白10肌红蛋白氧合曲线MbO2Mb+O2MbO2MbO2K =MbO2Mb+MbO2Y =O2K+O2O2pO2K+pO2Y =O2蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白11肌红蛋白氧合曲线pO2K+pO2Y =O2p50=K=2.8 torrY=0.5 双曲线型蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白12肌红蛋白氧合曲线Hill图图logP50蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白13肌红蛋白氧合曲线2静脉血中氧分压线粒体中氧分压蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白细胞表面氧分压14152 血红蛋白血红蛋白蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白16血红蛋白的结构血红蛋白的结构 Hb Hb分子近似球形；分子近似球形；M.W.=68 000M.W.=68 000 Hb Hb由四个亚基组成（二条由四个亚基组成（二条亚基和二条亚基和二条亚亚基）；基）；亚基（亚基（141aa141aa）比）比亚基（亚基（146aa146aa）短，但）短，但都比肌红蛋白链（都比肌红蛋白链（153aa153aa）短；这主要是因为）短；这主要是因为末端末端H H螺旋比较短；螺旋比较短；4 4个血红素分别位于四条多肽链的个血红素分别位于四条多肽链的E E和和F F螺旋螺旋之间的裂隙处，并暴露于分子表面。之间的裂隙处，并暴露于分子表面。Hb-Hb-和和Hb-Hb-及及MbMb虽然三级结构相似，但虽然三级结构相似，但其氨基酸序列却有很大的不同，约只有其氨基酸序列却有很大的不同，约只有2727个位个位置是相同的。置是相同的。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白1718血红蛋白血红蛋白4个血红素基分别位于每个多肽个血红素基分别位于每个多肽链的链的E和和F螺旋之间的裂隙处，并暴露在螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。分子的表面。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白19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氧合作用显著改变血红蛋白的四级结构。氧合作用显著改变血红蛋白的四级结构。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白20血红素铁血红素铁0.039nm0.039nm的的微小位移微小位移导致血红导致血红蛋白构象蛋白构象的改变。的改变。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蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白21脱氧血红蛋白（紧张态）脱氧血红蛋白（紧张态）氧合血红蛋白（松驰态）氧合血红蛋白（松驰态）氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态。（态。（T T态和态和R R态）态）蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白22氧合导致稳定氧合导致稳定T态的离子键和盐桥的断裂，血态的离子键和盐桥的断裂，血红蛋白的氧结合过程是一协同过程。红蛋白的氧结合过程是一协同过程。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白23血红蛋白结合氧的协同作用示意图血红蛋白结合氧的协同作用示意图蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白24HbHb的氧结合曲线的氧结合曲线血红蛋白是目前了解最清楚的别构蛋白质，血红蛋白是目前了解最清楚的别构蛋白质，血红蛋白的氧合具有正协同效应，即一个血红蛋白的氧合具有正协同效应，即一个O2O2的结合会增加同一分子中其余空的氧结的结合会增加同一分子中其余空的氧结合部位对合部位对O2O2的亲和力。的亲和力。HbHb的氧合曲线呈的氧合曲线呈S S形形而非双曲线形。每个血红蛋白分子有而非双曲线形。每个血红蛋白分子有4 4个血个血红素，因此最多只能结合红素，因此最多只能结合4 4分子氧，现假定分子氧，现假定O2O2与与HbHb的结合是的结合是“全或无全或无”的现象。的现象。Hb +4 O2Hb(O2)4蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白25Hb(O2)4HbO24K =Hb+Hb(O2)4Y =O24K+O24O2P4(O2)K+P4(O2)Y =O2Hb(O2)4蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白26HbHb的氧结合曲线的氧结合曲线蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白27 肺泡中肺泡中pO2=100torr,YO2=0.97 毛细管中毛细管中pO2=20torr,YO2=0.25 Hb P50=26torr Hb 0.97-0.25=0.72 Mb 0.97-0.89=0.08 协同效应增加血红蛋白在肌肉中卸协同效应增加血红蛋白在肌肉中卸O2效率。效率。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白28Hill图图蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白29H+H+、COCO2 2和和BPGBPG对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响血红蛋白与血红蛋白与O O2 2的结合受环境中其他分子的的结合受环境中其他分子的影响，如影响，如H+H+、COCO2 2和和BPGBPG等。虽然它们在蛋等。虽然它们在蛋白质分子上的结合部位离血红素基很远，白质分子上的结合部位离血红素基很远，但这些分子极大的影响血红蛋白的氧合性但这些分子极大的影响血红蛋白的氧合性质。这种空间上相隔的部位之间的相互作质。这种空间上相隔的部位之间的相互作用就是用就是别构效应（别构效应（allosteric effectallosteric effect）。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白30H+H+和和COCO2 2促进促进O O2 2的释放（的释放（BohrBohr效应）效应）pHpH下降时，下降时，HbHb的氧饱和曲线向右移动。这种的氧饱和曲线向右移动。这种pHpH对血红蛋白对氧的亲和力的影响被称为对血红蛋白对氧的亲和力的影响被称为BohrBohr效应效应。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白31Bohr效应生理意义：当血液流经肌肉时，这里的当血液流经肌肉时，这里的pHpH较低，较低，CO2CO2浓度较高，浓度较高，因此有利于血红蛋白释放因此有利于血红蛋白释放O2O2，使组织能比因单纯，使组织能比因单纯氧分压降低获得更多的氧，但同时氧的释放又促氧分压降低获得更多的氧，但同时氧的释放又促使血红蛋白与使血红蛋白与H+H+和和CO2CO2结合，以补偿组织呼吸引起结合，以补偿组织呼吸引起的的pHpH降低；当血液流经肺时，由于氧分压高有利降低；当血液流经肺时，由于氧分压高有利于血红蛋白与氧的结合因此而促进了于血红蛋白与氧的结合因此而促进了H+H+和和CO2CO2的释的释放，同时放，同时CO2CO2的呼出又有利于氧合血红蛋白的生成。的呼出又有利于氧合血红蛋白的生成。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白32Bohr效应示意图效应示意图蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白33BPGBPG降低降低HbHb对对O2O2的亲和力的亲和力BPGBPG是是HbHb的一个重要的一个重要别构效应物别构效应物。HbHb四聚体分四聚体分子只有一个子只有一个BPGBPG结合部位，位于由四个亚基缔结合部位，位于由四个亚基缔合形成的中央孔穴内。合形成的中央孔穴内。BPGBPG和两个和两个链之间的离子键有助于稳定去氧链之间的离子键有助于稳定去氧形式（形式（T T态）的血红蛋白构象，促进氧的释放。态）的血红蛋白构象，促进氧的释放。人的某些生理性和病理性的缺氧可以通过红人的某些生理性和病理性的缺氧可以通过红细胞中细胞中BPGBPG浓度的改变来调节对组织的供氧量。浓度的改变来调节对组织的供氧量。胎儿红细胞中胎儿红细胞中Hb FHb F与与BPGBPG结合力比结合力比Hb AHb A弱，这弱，这有助于胎儿从母体获得有助于胎儿从母体获得O O2 2。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白34H Hb b和和两两个个亚亚基基之之间间的的离离子子键键结结合合35B BP PG G和和二二氧氧化化碳碳对对H Hb b氧氧合合曲曲线线的的影影响响36BPG对Hb氧合曲线的影响37胎胎儿儿和和成成人人的的血血红红蛋蛋白白氧氧合合曲曲线线38镰刀状细胞贫血是分子病镰刀状细胞贫血是分子病镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白39病因：病因：患者的二条患者的二条 链上的链上的N-N-末端开始的第末端开始的第6 6位位GluGlu被被ValVal所取代。所取代。Hb-S Hb-S 比比 Hb-AHb-A负电荷减少，即电泳负电荷减少，即电泳时向正极移动的速率下降。从三级结构上看，由时向正极移动的速率下降。从三级结构上看，由于于6glu6glu位于分子表面，因此位于分子表面，因此HbSHbS表面多了一疏水表面多了一疏水侧链，血红蛋白的对氧亲和力和别构性质并不受侧链，血红蛋白的对氧亲和力和别构性质并不受此影响，但这一变化显著地降低了脱氧血红蛋白此影响，但这一变化显著地降低了脱氧血红蛋白的溶解度。疏水侧链与其互补链之间通过疏水作的溶解度。疏水侧链与其互补链之间通过疏水作用而沉淀，压迫细胞质膜，使其弯曲成镰刀形状。用而沉淀，压迫细胞质膜，使其弯曲成镰刀形状。用氰酸钾处理镰刀状的红细胞可以防止它在脱氧用氰酸钾处理镰刀状的红细胞可以防止它在脱氧状态下形成镰刀状。状态下形成镰刀状。蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白40镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白41问题什么是别构效应和协同效应？以血红蛋白为例说明其与蛋白质功能的关系。42