第6章蛋白质的结构与功能.pptx

第第6 6章章蛋白质的功能与进化蛋白质的功能与进化一、肌红蛋白的结构与功能一、肌红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能三、血红蛋白分子病三、血红蛋白分子病四、免疫球蛋白四、免疫球蛋白五、蛋白质的氨基酸序列与生物学功能五、蛋白质的氨基酸序列与生物学功能（一）、蛋白质功能的多样性（一）、蛋白质功能的多样性1.催化功能催化功能-酶酶2.调节功能调节功能-激素、基因调控因子激素、基因调控因子3.转运功能转运功能-膜转运蛋白、血红膜转运蛋白、血红/血清蛋白血清蛋白4.贮存功能贮存功能-乳、蛋、谷蛋白乳、蛋、谷蛋白5.运动功能运动功能-鞭毛、肌肉蛋白鞭毛、肌肉蛋白6.结构成分结构成分-皮、毛、骨、牙、细胞骨架皮、毛、骨、牙、细胞骨架7.支架作用支架作用-接头蛋白接头蛋白8.防御功能防御功能-免疫球蛋白免疫球蛋白9.异常功能异常功能一、肌红蛋白的结构和功能（一）三级结构（一）三级结构 myoglobinmyoglobin，MbMb 肌红蛋白（肌红蛋白（myoglobin，Mb）主要存在于肌肉中，是主要存在于肌肉中，是哺乳动物哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。的蛋白质。肌红蛋白由一条多肽肌红蛋白由一条多肽链和一个辅基血红素（链和一个辅基血红素（heme）构成，相对分子量构成，相对分子量16700，含，含153个氨基酸残基。除去血红素后仅个氨基酸残基。除去血红素后仅剩下的肽链部分称为脱辅基蛋白剩下的肽链部分称为脱辅基蛋白质（质（apoprotein),又叫又叫珠蛋白珠蛋白，它和血红蛋白的它和血红蛋白的、亚基有明显亚基有明显的同源性，它们的构象和功能也的同源性，它们的构象和功能也极为相似。血红素非共价地结合极为相似。血红素非共价地结合在珠蛋白的疏水空穴中。在珠蛋白的疏水空穴中。抹香鲸肌红蛋白的三级结构抹香鲸肌红蛋白的三级结构（二）辅基（二）辅基血红素由原卟啉血红素由原卟啉（protoporphyrin）中间结合一）中间结合一个个Fe原子构成，原原子构成，原卟啉卟啉是由是由4个吡咯个吡咯环通过甲叉桥连接环通过甲叉桥连接而成的扁平环状化而成的扁平环状化合物。合物。丙酸基丙酸基乙烯基乙烯基乙烯基乙烯基甲基甲基乙烯基乙烯基血红素血红素卟啉环中央结合卟啉环中央结合Fe原子，原子，Fe原子通常是八面体配位，原子通常是八面体配位，应该有应该有6个配位键，其中个配位键，其中4个与个与4个吡咯环的个吡咯环的N原子相原子相连，另两个配位键分布在连，另两个配位键分布在卟啉环的上下。卟啉环的上下。Fe原子可原子可以是二价的或三价的，相以是二价的或三价的，相应的血红素称为应的血红素称为亚铁亚铁血红血红素（素（ferroheme，heme）和高铁血红素（和高铁血红素（ferriheme，hematin），相应的肌红），相应的肌红蛋白称为蛋白称为亚铁亚铁肌红蛋白肌红蛋白（ferromyoglobin）和高）和高铁肌红蛋白铁肌红蛋白（ferrimyoglobin，metmyoglobin）。）。（三）（三）O2与与Mb的结合的结合近端组氨酸远端组氨酸空间位阻空间位阻CO的毒性作用 第第6个个配配位位位位置置的的空空间间位位阻阻很很重重要要。游游离离在在溶溶液液中中的的铁铁卟卟啉啉结结合合CO的的能能力力比比结结合合O2强强25000倍倍，但但在在肌肌红红蛋蛋白白中中，血血红红素素对对CO的的亲亲和和力力仅仅比比对对O2的的亲亲和和力力大大250倍倍。肌肌红红蛋蛋白白（还还有有血血红红蛋蛋白白）降降低低对对CO的的亲亲和和力力，可可以以有有效效地地防防止止代代谢谢过过程程中中产产生生的的少少量量CO占占据据它它们们的的O2结结合合部部位位。尽尽管管如如此此，当当空空气气中中CO的的含含量量达达到到0.06%0.08%即即有有中中毒毒的危险，达到的危险，达到0.1%则会导致死亡。则会导致死亡。O2 2和CO与肌红蛋白血红素Fe（）的结合肌红蛋白的蛋白质部分的作用 通通常常情情况况下下，O2分分子子与与Fe（）紧紧密密接接触触会会使使Fe（）氧氧化化成成Fe（），溶溶液液中中游游离离的的亚亚铁铁血血红红素素很很容容易易被被氧氧化化成成高高铁铁血血红红素素，但但在在肌肌红红蛋蛋白白中中，由由于于血血红红素素处处于于疏疏水水环环境境中中，血血红素红素Fe（）不容易被氧化。）不容易被氧化。同同样样是是血血红红素素，与与不不同同的的蛋蛋白白质质结结合合后后，具具有有不不同同的的功功能能，如如在在细细胞胞色色素素C中中，血血红红素素起起可可逆逆电电子子载载体体的的作作用用，过过氧氧化化氢氢酶酶中中，血血红红素素催化催化H2O2歧化成水和歧化成水和O2。肌红蛋白血红素Fe原子的位移 肌肌红红蛋蛋白白血血红红素素在在没没有有与与O2结结合合时时，铁铁原原子子是是向向第第 5 配配位位体体方方向向（His F8）突突出出的的。当当与与O2结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。肌红蛋白血红素Fe原子的位移 肌肌红红蛋蛋白白血血红红素素在在没没有有与与O2结结合合时时，铁铁原原子子是是向向第第 5 配配位位体体方方向向（His F8）突突出出的的。当当与与O2结结合合时时，铁铁原原子子被被拉拉回到卟啉平面。回到卟啉平面。（四）（四）Mb的氧结合曲线的氧结合曲线 MbO2Mb+O2氧合氧合Mb去氧去氧Mb氧合氧合Mb与与去氧去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比的浓度比与氧浓度成正比氧分数饱和度（氧分数饱和度（fractional satuation）肌红蛋白分子总数肌红蛋白分子总数氧合肌红蛋白分子数氧合肌红蛋白分子数Y=1 Mb被氧完全饱和被氧完全饱和Y=0.5 p(O2)=K=P50P50：Mb被氧半饱和时的氧分压被氧半饱和时的氧分压YMb氧结合氧结合/解离曲线解离曲线Hill图图氧与肌红蛋白结合的Hill图二、血红蛋白的结构和功能(hemoglobin，Hb)1、结构：、结构：1、2、1、2亚基亚基卟啉铁卟啉铁肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 血红蛋白血红蛋白远端组氨酸近端组氨酸 肌红蛋白肌红蛋白 /血红蛋白血红蛋白/血红蛋白血红蛋白lAAAA序列不相同，结构相似序列不相同，结构相似l结构决定功能（载氧）结构决定功能（载氧）血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧合具有正协同同促效应，即一个合具有正协同同促效应，即一个O2的结合促进的结合促进同一分子其它亚基与同一分子其它亚基与O2的结合。具有这种性质的结合。具有这种性质的蛋白质称为别构蛋白（也有负协同效应的）。的蛋白质称为别构蛋白（也有负协同效应的）。血红蛋白的别构效应别构效应：别构效应：多亚基蛋白质一般具有多个配体结合部位,一个配体与蛋白质上的一个结合部位的结合影响同一个蛋白质上其他结合部位的亲和力,称为别构效应别构蛋白：别构蛋白：多是寡聚蛋白，每个亚基除了有正常的配体结合部位（结合配体）外，还有别构部位（结合调节物），有时配体结合部位和别构部位分属不同的亚基（活性亚基和调节亚基），配体结合部位之间以及配体结合部位和调节部位之间通过蛋白质构象的变化而相互作用。同促同促(别构别构)效应效应：别构蛋白与一种配基的的结合对于和后续同种配基结合能力的影响，包括（正）协同效应和负协同效应。正协同效应正协同效应：一种配基的结合促进后续同：一种配基的结合促进后续同种配基的结合，种配基的结合，S型结合曲线。型结合曲线。负协同效应负协同效应：一种配基的结合抑制促进后：一种配基的结合抑制促进后续同种配基的结合。续同种配基的结合。异促异促(别构别构)效应效应：就是别构效应，正常配体：就是别构效应，正常配体的结合行为受到另一种配体的结合行为受到另一种配体(调节物调节物)与另一与另一种部位种部位(别构部位别构部位)结合的影响。结合的影响。（二）氧结合引起的（二）氧结合引起的Hb的构象变化的构象变化 变构变构脱氧血红蛋白脱氧血红蛋白 氧合血红蛋白氧合血红蛋白对氧的亲和力低对氧的亲和力低 对氧的亲和力高对氧的亲和力高 1、氧合作用改变、氧合作用改变Hb四级结构四级结构装配接触装配接触滑动接触滑动接触22112112可变可变氧合时，每个氧合时，每个二聚体半分子作为一个刚体移动，这两个二聚体彼二聚体半分子作为一个刚体移动，这两个二聚体彼此滑动。我们将其中一个二聚体看作不动，另一个二聚体将绕一个此滑动。我们将其中一个二聚体看作不动，另一个二聚体将绕一个设想的偏心轴旋转设想的偏心轴旋转15，并平移，并平移0.08nm。血红蛋白氧合时亚基的移动 去氧血红蛋白去氧血红蛋白 1111的移动过程的移动过程 氧合血红蛋白氧合血红蛋白2、Hb的两种不同构象态的两种不同构象态tense staterelaxed state虽然氧虽然氧R态和态和T态的血红蛋白结合，但与态的血红蛋白结合，但与R态的亲和力明显高于态的亲和力明显高于T态，并且氧的结合稳定了态，并且氧的结合稳定了R态。态。R态是氧合血红蛋白的主要存态是氧合血红蛋白的主要存在形式在形式l T T 型血红蛋白肽链之间的型血红蛋白肽链之间的8 8个盐桥个盐桥l 链链C C末端有末端有Tyr-OHTyr-OH可与可与C=OC=O形成氢键形成氢键（三）（三）Hb氧结合曲线氧结合曲线对于具有对于具有n n个结合位点的蛋白个结合位点的蛋白P P：肌红蛋白和血红蛋白氧结合曲线比较肌红蛋白和血红蛋白氧结合曲线比较等轴双曲线S形曲线Hill 方程方程nH=1非协同非协同nH 1正协同正协同nH=n完全协同完全协同Hill系系数数与与配配体体的的结结合合Y(R)relaxed state(T)tense state 血中氧分子的运送：Lung氧氧分分子子HemoglobinHemoglobinMyoglobinMyoglobinMuscle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 T state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）（四）Hb结合氧的调节结合氧的调节1、H+、CO2促进促进O2的释放的释放碳酸酐酶碳酸酐酶H+Hb氧合的拮抗物氧合的拮抗物pH降低时：促进氧的释放降低时：促进氧的释放 缓冲血液缓冲血液pHCO2与与Hb的结合的结合释放的释放的H+有助于有助于Bohr效应效应氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态态 促进氧的释放促进氧的释放在氧分压不变时，低在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放能促进更多的氧释放Bohr效应效应2、BPG降低降低Hb对氧的亲和力对氧的亲和力2，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 Hb异促别构调节的效应物异促别构调节的效应物Hb四聚体只有一个四聚体只有一个BPG结合部位结合部位4个亚基缔合形成个亚基缔合形成的中央空穴内的中央空穴内BPG离子键稳定离子键稳定T态态O2和和BPG与血红蛋白的结合是互相排斥的，虽然它们有与血红蛋白的结合是互相排斥的，虽然它们有自己的结合部位并相隔较远自己的结合部位并相隔较远 氧合氧合Hb中央空穴太小，容纳不了中央空穴太小，容纳不了BPG,BPG对对R态态Hb亲和力的大小顺序为亲和力的大小顺序为:HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 BPG与与Hb(O2)4不结合不结合fetal hemoglobin 胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白 HbF(22)对氧的亲和力比成人高，从母体的对氧的亲和力比成人高，从母体的HbA中中获得获得O2 Ser取代取代His 与与BPG结合能力减弱结合能力减弱氧氧分分数数饱饱和和度度Y分子病：分子病：由于基因突变，导致蛋白质由于基因突变，导致蛋白质中氨基酸种类发生变化，并引起功能中氨基酸种类发生变化，并引起功能降低或丧失。降低或丧失。镰刀型贫血症（镰刀型贫血症（sickle-cell anemia）三、血红蛋白分子病镰刀状贫血病镰刀状贫血病血液中大量出现血液中大量出现镰刀红细胞，患镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息者因此缺氧窒息正常细胞正常细胞 镰刀形细胞镰刀形细胞w它是最早认识的它是最早认识的一种分子病一种分子病w死亡率极高死亡率极高w由于遗传基因突由于遗传基因突变导致血红蛋白变导致血红蛋白分子结构突变分子结构突变镰刀状细胞贫血病 镰镰刀刀状状细细胞胞贫贫血血病病是是一一种种致致死死性性疾疾病病，它它的的纯纯合合子子患患者者有有的的在在童童年年就就死死亡亡。杂杂合合子子患患者者的的寿寿命命也也不不长长，但但它它能能抵抵抗抗一一种种流流行行于于非非洲洲的的疟疟疾疾。这这种种疟疟疾疾也也是是一一种种致致死死性性疾疾病病，甚甚至至对对于于具具有有正正常常血血红红蛋蛋白白的的人人死死于于这这种种疟疟疾疾的的比比例例也也很很高高，常常常常在在还还没没有有繁繁殖殖后后代代就就已已死死去去。HbsHbs杂杂合合子子患患者者对对这这种种疟疟疾疾有有一一定定的的抵抵抗抗能能力力，尚尚能能繁繁殖殖后后代代，这这是是因因为为杂杂合合子子患患者者加加速速被被感感染染红红细细胞胞的的破破坏坏而而中中断断疟疟原原虫虫的的生生活活周期的缘故。周期的缘故。HbA和HbS的胰蛋白酶消化液的指纹图谱HbA（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳）（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳）HbS正常型正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-链链 谷氨酸谷氨酸镰刀型镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys-链链 缬氨酸缬氨酸 （极性）（极性）（非极性）（非极性）N五、与免疫有关的蛋白质（一）体内参与免疫反应的淋巴细胞（一）体内参与免疫反应的淋巴细胞骨髓骨髓胸腺胸腺T T 淋巴细胞淋巴细胞巨噬细胞巨噬细胞 B B 淋巴细胞淋巴细胞细胞免疫细胞免疫抗体抗体体液免疫体液免疫2 2、免疫球蛋白、免疫球蛋白（immunoglobulin）可溶性血清糖蛋白可溶性血清糖蛋白（1 1）分类）分类A A、IgAIgA：存在于身体的分泌物中：存在于身体的分泌物中B B、IgDIgD：存在于：存在于B B细胞表面细胞表面C C、IgEIgE：与过敏反应有关：与过敏反应有关D D、IgMIgM：初次免疫反应初期产生：初次免疫反应初期产生E E、IgGIgG：体内最多的一类：体内最多的一类（2 2）结构特点）结构特点 两条轻链（两条轻链（L）、两条重链（）、两条重链（H）每条链都有可变区（每条链都有可变区（V）、恒定区（）、恒定区（C）可变区都在可变区都在N端端Fab：Fragment antigen bindingFc：Fragment crystallizable（Fab）2和和Fc反平行反平行折叠片折叠片Fab与抗原的结合与抗原的结合IgG是血液中参与免疫反应的最主要的抗体是血液中参与免疫反应的最主要的抗体 IgG+IgG+抗原抗原 巨噬细胞结合、吞噬巨噬细胞结合、吞噬IgIgM 五聚体，只存在于血液中五聚体，只存在于血液中（3 3）基于抗原）基于抗原-抗体反应的生化分析方法抗体反应的生化分析方法ELISA免疫印迹免疫印迹样品纯化样品纯化 前前 后后六、蛋白质结构和功能的进化1.1.蛋白质的功能是由空间构象决定的蛋白质的功能是由空间构象决定的2.2.蛋白质空间构象由关键部位蛋白质空间构象由关键部位AAAA顺序决定顺序决定3.3.关键部位关键部位AAAA的变化会引起功能改变的变化会引起功能改变 同源蛋白质：同源蛋白质：来自来自不同不同生物体、生物体、执行同一执行同一/相似功能的蛋白质相似功能的蛋白质 同种蛋白质：同种蛋白质：来自来自相同相同生物体、生物体、执行同一功能的蛋白质执行同一功能的蛋白质1 1、同源蛋白质、同源蛋白质蛋白质的蛋白质的AAAA序列与生物功能序列与生物功能（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化 在在不不同同生生物物体体中中行行使使相相同同或或相相似似功功能能的的蛋蛋白白质质称称为为同同源源蛋蛋白白质质，例例如如各各种种脊脊椎椎动动物物体体内内的的血血红红蛋蛋白白就就属属于于同同源源蛋蛋白白质质。同同源源蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸序序列列具具有有明明显显的的相相似似性性，这这种种序序列列上上的的相相似似性性叫叫做做同同源源性性。同同源源蛋蛋白白质质中中有有许许多多氨氨基基酸酸残残基基是是相相同同的的，称称为为不不变变残残基基，而而在在不不同同物物种种的的同同源源蛋蛋白质中发生了变化的氨基酸残基称为白质中发生了变化的氨基酸残基称为可变残基可变残基。亲缘关系越近的同源蛋白质的同源性越强。亲缘关系越近的同源蛋白质的同源性越强。一百多个一百多个AA残基残基 MW约约12.5103 2 8个不变残基个不变残基 细胞色素细胞色素C的的AA序列差异可用于核对各物序列差异可用于核对各物种间的分类学关系以及绘制系统树种间的分类学关系以及绘制系统树/进化树。进化树。2 2、细胞色素、细胞色素C C与系统树与系统树细胞色素C 细细胞胞色色素素C是是一一种种含含血血红红素素的的蛋蛋白白质质，在在线线粒粒体体中中起起电电子子传传递递的的作作用用。大大多多数数细细胞胞色色素素C含含一一百百零零几几个个氨氨基基酸酸残残基基，40多多个个物物种种的的细细胞胞色色素素C氨氨基基酸酸序序列列分分析析表表明明，有有28个个残残基基是是不不变变的的，所所有有细细胞胞色色素素C在在第第14位位,第第17位位上上都都是是一一个个Cys残残基基，这这个个残残基基是是血血红红素素结结合合的的部位。部位。invariant residues(yellow)conservative substitutions(blue)nonconservative or variable residues(unshaded)Conservation and variation of cytochrome c sequences细胞色素C的不变残基不同物种细胞色素C的差异残基数黑猩猩 绵羊响尾蛇鲤鱼蜗牛天蛾酵母花椰菜欧防风人01014182931444443黑猩猩1014182931444443绵羊20112427444646响尾蛇262833474543鲤鱼2626444746蜗牛28485150天蛾444441酵母4747花椰菜131、氧合血红蛋白、氧合血红蛋白（二）同源蛋白质具有共同的进化起源（二）同源蛋白质具有共同的进化起源氧合血红素蛋白质 肌肌肉肉中中的的氧氧合合血血红红素素蛋蛋白白质质肌肌红红蛋蛋白白由由一一条条肽肽链链组组成成，含含153153个个氨氨基基酸酸残残基基，红红细细胞胞中中的的血血红红蛋蛋白白是是一一个个由由两两条条链链（每每条条141141个个氨氨基基酸酸残残基基），两两条条链链（每每条条146146个个氨氨基基酸酸残残基基）组组成成的的四四聚聚体体蛋蛋白白。肌肌红红蛋蛋白白、血血红红蛋蛋白白的的链链和和链链都都是是珠珠蛋蛋白白（globinglobin），它它们们有有很很高高的的序序列列同同源源性性，通通过过血血红红素素结结合合氧氧的的能能力力都都被被这这3 3种种多多肽肽链链保保留下来了。留下来了。氧合血红素蛋白的进化树该酶类活性中心的该酶类活性中心的该酶类活性中心的该酶类活性中心的SerSerSerSer残基残基残基残基起关键作用起关键作用起关键作用起关键作用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、凝血酶和纤溶酶凝血酶和纤溶酶凝血酶和纤溶酶凝血酶和纤溶酶它们有足够的它们有足够的序列同源性序列同源性序列同源性序列同源性，在它们的活性中心都有丝，在它们的活性中心都有丝氨酸，说明它们可能是由祖先丝氨酸蛋白酶基因发生多氨酸，说明它们可能是由祖先丝氨酸蛋白酶基因发生多次复制和突变进化而来。次复制和突变进化而来。对对对对底物偏爱不同底物偏爱不同底物偏爱不同底物偏爱不同2、丝氨酸蛋白酶类、丝氨酸蛋白酶类卵清中的溶菌酶（卵清中的溶菌酶（lysozymelysozyme）-乳清蛋白（乳清蛋白（lactalbuminlactalbumin）三级结构很相似三级结构很相似 也可能具有共同的祖先。也可能具有共同的祖先。3、一些功能差异很大的蛋白质、一些功能差异很大的蛋白质 卵清中的溶菌酶（含卵清中的溶菌酶（含129个残基，水解细菌细胞壁的多糖个残基，水解细菌细胞壁的多糖成分）和人乳汁中的成分）和人乳汁中的-乳清蛋白（含乳清蛋白（含123个残基，调节乳糖合个残基，调节乳糖合成）功能和来源都很不相同，但它们有成）功能和来源都很不相同，但它们有48个残基是相同的，个残基是相同的，三级结构也很相似，说明它们具有共同的蛋白质祖先。三级结构也很相似，说明它们具有共同的蛋白质祖先。