第八章：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能2

1、第八章：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能（12學(xué)時）第一節(jié)：活性蛋白質(zhì)與前體（pp277-285）例如： 酶原 Þ 蛋白酶；激素原 Þ 激素，或者：前激素原 Þ 激素原 Þ 激素一、 激素與激素原（pp277-279）1 提取和確定前體的方法：前體不表現(xiàn)生物活性，活性測定的方法無效。免疫復(fù)合物提取法（主要方法，例如胰島素前體的提?。?，步驟如下： 制備抗激素抗體：以激素作為抗原，注射到實驗動物體內(nèi)，待動物產(chǎn)生相應(yīng)的抗體后，抽取血清，提取具有交叉反應(yīng)性的抗激素抗體。 找出無活性的蛋白質(zhì)：利用激素原能和“抗激素抗體”形成免疫復(fù)合物的特性，將抗激素抗體與產(chǎn)生激素的腺體的組織勻

2、漿混合，分離提取免疫復(fù)合物，找出無活性的蛋白質(zhì)，即為可疑的激素原。 鑒定激素原：對這種無活性的蛋白質(zhì)測序，與相應(yīng)的激素的一級結(jié)構(gòu)對比，就能推斷是不是該激素的前體。重組DNA譯碼法：例如“前腦啡肽原”的確定2 前體與激素在一級結(jié)構(gòu)方面的關(guān)系：見227頁表8-1。前體部分序列與激素相同，或者說，激素的序列包含在前體的序列之中。胰島素與前體1 胰島素的分布、功能和來源：主要作用于肝、肌肉、脂肪組織，參與糖代謝，有平衡血糖的作用。作為糖尿病的特效藥，在臨床醫(yī)學(xué)上廣為應(yīng)用。胰島素原由胰腺中胰島細胞產(chǎn)生。2 胰島素的活化過程：（見278頁圖8-1和8-2）前胰島素原：信號肽B-鏈C-肽鏈A-鏈（105肽）

3、 ß 信號肽酶 ß 切下 信號肽（24肽）胰島素原：B-鏈C-肽鏈A-鏈（81肽） ß 類胰蛋白酶+類羧肽酶 ß 切下 Arg31, Arg32, Lys59, Arg60和C鏈胰島素：胰島素（A-鏈+B-鏈）（21肽+30肽）3. C肽的作用： 便于生物合成； 利于二硫鍵正確配對。4. 信號肽的作用：在新生肽鏈的傳送過程中起識別和導(dǎo)向的作用。腦啡肽與前體1 腦啡肽的分布和功能：腦啡肽存在于腦區(qū)，與腦細胞的專一性受體結(jié)合，對機體具有強烈的鎮(zhèn)痛作用。2 腦啡肽的種類：甲硫腦啡肽：Tyr-Gly-Gly-Phe-MetC端為甲硫氨酸；亮腦啡肽：Tyr-Gly

4、-Gly-Phe-LeuC端為亮氨酸。3 前腦啡肽原的一級結(jié)構(gòu)特征：（見280頁圖8-3）全長267個氨基酸殘基（人體）；信號肽段1個：位于124；甲硫腦啡肽(MEK) 4個：位于100104、107111、136140、210214；亮腦啡肽（LEK）1個：位于230234；甲七肽（MEK-RK）1個：位于261267； 甲八肽（MEK-RGL）1個：位于189193； 酶切位點（配對堿性殘基）：三種（Lys-Arg；Lys-Lys；Arg-Arg），12個。4 腦啡肽結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系：Tyr1：以甲氧基取代酚羥基，失去活性；前面加一個Arg，活性下降；Gly2：改為D-Ala（D型丙氨酸）

5、，則鎮(zhèn)痛作用大大提高；Gly3：為活性必需的，不能被取代；Phe4：可被Trp或者N-CH3-Phe取代；但不能被Tyr和Leu取代；Met5：去除則活性下降；延長一個Thr，則活性不變。二、 酶與酶原（pp279-283）1. 體內(nèi)蛋白酶的來源和功能： 胃和胰臟：產(chǎn)生消化食物蛋白質(zhì)的酶； 血液：產(chǎn)生導(dǎo)致血液凝固的蛋白酶。2. 酶原的概念：酶的前體，含有酶的一級結(jié)構(gòu)的氨基酸殘基序列，但是由于多余肽段的存在，沒有形成活化中心的立體結(jié)構(gòu)（功能域），因而不具有催化活性。在生理活動需要時，在其他酶和/或因子的作用下，切去多余的肽段，形成酶。3. 10種酶原激活的條件和過程：見281頁，表8-2。胰凝乳

6、蛋白酶原的激活1激活過程：（282頁，圖8-4）胰凝乳蛋白酶原：單鏈，245肽，5對二硫鍵 ß 胰蛋白酶 ß Arg15Ile16之間切斷-胰凝乳蛋白酶：雙鏈，15肽+230肽，酶活性最高，但不穩(wěn)定 ß -胰凝乳蛋白酶（自身激活）切開三處 ß釋放2個2肽:Ser14-Arg15；Thr147-Asn148-胰凝乳蛋白酶：三鏈：A鏈、B鏈、C鏈，穩(wěn)定，但活性較低2活化中心的形成：（催化部位變化不大，結(jié)合部位從無到有） 催化部位（Asp102、His57、Ser195）：酶原和酶的分子構(gòu)象非常相似，活化中心的催化部位具有相同的取向（282-283頁，圖8-5

7、 A. 和 B.）。結(jié)合部位（189192位口袋）：是酶原中不存在的 (283頁圖8-6）。胰凝乳蛋白酶結(jié)合部位形成的機理：l Ile16氨基質(zhì)子化：15-16切開后，Ile16與Asp194羧基形成離子鍵。l 形成“口袋”結(jié)構(gòu)：上述離子鍵的形成，引起一系列的構(gòu)象變化：- Met192從酶分子內(nèi)部轉(zhuǎn)移到分子表面，暴露疏水側(cè)鏈；- Gly187和Gly193伸展，形成疏水“口袋”，可與底物結(jié)合；- Ser195和Gly193的亞氨基也與底物羰基氧形成氫鍵。胰蛋白酶原的激活1 激活過程：（284頁，圖8-7）（提前教室畫圖） 激活的地點：來自胰臟，在12指腸激活。 過程：在腸激酶或者胰蛋白酶的催化

8、下，切下N端6肽。2 連鎖反應(yīng)：（284頁，圖8-8）（提前教室畫圖）三、 兩類前體的不同功能（pp283-285）表 兩類前體功能和結(jié)構(gòu)的比較前 體前激素原/前酶原激素原/酶原多余肽段的生理作用：信號肽：起識別和向?qū)ё饔?，將新生肽輸送到?nèi)質(zhì)網(wǎng)，信號肽切除后，肽段進入儲存場所分泌顆粒。多余肽段：起阻礙活化中心或者活性肽形成的作用，是酶的無活性儲備形式，接受生理功能調(diào)節(jié)。多余肽段的結(jié)構(gòu)特征：信號肽：數(shù)目：1個；位置：多肽鏈的N端；長度：1530個殘基；殘基：很強的疏水性。多余肽段：數(shù)目：1至多個；位置：末端或肽段的中部；長度：或長或短；殘基：切口處常有Arg,Lys第二節(jié)：血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能（

9、pp285-299）一、 概述（pp285-285）1.分布及功能存在于人和脊椎動物的紅細胞中，是O2和CO2的運載工具。2.學(xué)科發(fā)展史上的貢獻在結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的研究上，它是研究得最清楚的蛋白質(zhì)。3.血紅蛋白的種類和亞基的組成HbA：22在成人體內(nèi)為主要成分，占95% 以上；HbA2：22在成人體內(nèi)為次要成分，占2 % 左右；HbF：22是胎兒的主要血紅蛋白。二、 血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)（pp285-291）血紅蛋白一、二、三、四級結(jié)構(gòu)1.一級結(jié)構(gòu)特征：（以HbA為例）見286頁的圖8-9鏈和鏈有60處氨基酸殘基是相同的，占42 %；鏈和鏈與肌紅蛋白有23處相同，占16 %；2.二、三級結(jié)構(gòu)：鏈和

10、鏈與肌紅蛋白三者的構(gòu)象高度相似，走向相同（見圖8-11）；三者的差異見288頁表8-4（以肌紅蛋白作標(biāo)準(zhǔn)）。3.四級結(jié)構(gòu)：（見288頁的圖8-1）四聚體結(jié)構(gòu)：為四面體排布（二面體對稱），體積：6.4×5.5×5 nm。亞基的接觸：分為兩種l 1/1或者（2/2）：兩條鏈之間有34個殘基的接觸，共形成17-19個氫鍵，接觸面積較大，形成一個穩(wěn)定的二聚體，不受O2結(jié)合作用的影響；l 1/2或者（2/1）：兩條鏈之間只有19個殘基的接觸，接觸面積較小，受O2結(jié)合作用的影響。能把兩個二聚體聯(lián)系成為一個四聚體。脫氧血紅蛋白的亞基間的離子鍵（見289頁的圖8-13）：總共8個l 1與2

11、之間的離子鍵：兩個末端離子鍵，兩個鏈間的離子鍵；l 1或者2的各自鏈內(nèi)離子鍵一個，共兩個；l 1與2之間離子鍵一個；l 2與1之間離子鍵一個。這種四聚體對氧分子的親和力低于亞基，也低于氧合血紅蛋白。脫氧血紅蛋白亞基與DPG間的離子鍵（見290頁的圖8-14）：共6個l DPG：是2,3-二磷酸甘油醛的簡稱，位于四聚體的中央空穴中。l 離子鍵：DPG帶負電荷，與1和2上六個（每鏈三個）帶正電荷的基團形成離子鍵。l 作用：使脫氧血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，降低對氧分子的親和力。血紅素、原卟啉、鐵原子（見212頁 圖6-24提前畫圖；291頁 圖8-15）1.血紅素：位于各亞基的疏水性空穴中，由一個原

12、卟啉和一個鐵原子組成。2.原卟啉：由4個吡咯基構(gòu)成，呈扁平狀，鐵原子位于中央。3.鐵原子：通過2個共價鍵和2個配位鍵與原卟啉的4個氮原子相連，另外還能形成2個具有非常重要生物功能的配位鍵，稱為第5配位鍵和第6配位鍵。血紅素與珠蛋白的結(jié)合、氧分子的結(jié)合位（291頁 圖8-15）血紅素與珠蛋白的結(jié)合依靠來自E和F螺旋上的E7和F8位上的兩個組氨酸：1. 第5配位鍵與F8組氨酸的相連：F8位上的組氨酸距離血紅素較近，直接以配位鍵與鐵原子相連；2. 第6配位鍵與E7組氨酸的相連：E7位上的組氨酸距離血紅素較遠，不能直接與鐵原子相連，因此在兩者之間形成了一個空間；3. 氧分子的結(jié)合位：上述的空間就是氧分

13、子的結(jié)合位。氧分子在這個位置上的結(jié)合是一種可逆的結(jié)合過程。4. 疏水性空穴：水分子可以障礙氧分子的結(jié)合。為了防水，珠蛋白為血紅素構(gòu)筑了一個防水的空穴。三、 血紅蛋白對氧分子的結(jié)合（pp291-292）1 結(jié)合狀態(tài)的決定因素：血紅蛋白與氧分子的可逆結(jié)合主要取決與血液中的氧分壓（PO2）：在肺部，氧分壓高：Hb + 4 O2 Þ Hb(O2)4；在組織，氧分壓低：Hb(O2)4Þ Hb + 4 O2式中Hb成為脫氧血紅蛋白；Hb(O2)4 稱為氧合血紅蛋白（有時簡寫為HbO2）。每個血紅蛋白有四條肽鏈，故可以與四個氧分子結(jié)合。2 鐵原子的變價：在血紅蛋白分子中，鐵原子可以有二價

14、與三價的變化：在Hb中，鐵原子為亞鐵：Fe2+；在Hb(O2)4中，鐵原子為三價鐵：Fe3+。3 血紅蛋白氧飽和度（Y）：4 血紅蛋白的氧結(jié)合曲線（氧解離曲線）：坐標(biāo)系：PO2為橫坐標(biāo)；Y為縱坐標(biāo)：最低值為0%，即全部為脫氧血紅蛋白，最高值為100%，即全部為氧合血紅蛋白。特征：肌紅蛋白為雙曲線型，血紅蛋白為S型（見292頁 圖8-16）。四、 血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)（pp292-293）1 變構(gòu)效應(yīng)的概念：變構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect）指的是：在蛋白質(zhì)分子中一個亞基由于與配子體（例如氧分子）的結(jié)合，導(dǎo)致亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，隨之引起相鄰亞基的構(gòu)象和功能發(fā)生改變的現(xiàn)象。許多蛋白質(zhì)和酶

15、都具有變構(gòu)效應(yīng)。2 血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)：書上的Adair模型的推導(dǎo)過程請同學(xué)自己看，不作要求。模型要點是： 血紅蛋白的4個亞基（或者4個氧結(jié)合位）之間有協(xié)同作用； 這種協(xié)同作用使結(jié)合常數(shù)K1 < K2 < K3 < K 4，換句話說，對氧分子的結(jié)合，一個比一個更容易，具體就表現(xiàn)為這種S型曲線； 在血紅蛋白分子中，-亞基首先與氧分子結(jié)合，氧分子引起-亞基構(gòu)象變化。這種構(gòu)象變化使相鄰的-亞基的構(gòu)象隨之發(fā)生變化，排除了-亞基氧分子結(jié)合部位的空間障礙，提高了-亞基對氧的親和力。五、 血紅蛋白的變構(gòu)過程（pp293-295）是實際測量結(jié)果加上推斷得出理論假說。1鐵原子和血紅素的變化：

16、原子半徑的變化：在血紅素中，鐵原子由于其電子所占外層軌道的不同，而有高自旋和低自旋兩種狀態(tài)。在脫氧血紅蛋白中，鐵原子處于高自旋狀態(tài)，半徑大；在氧合血紅蛋白中，鐵原子處于低自旋狀態(tài)，半徑小。 血紅素構(gòu)象的變化：（參見294頁圖8-17）在脫氧狀態(tài)，由于鐵原子半徑大，不能嵌合在卟啉環(huán)的中央小孔，而偏離原卟啉平面0.06 nm；當(dāng)O2與Fe2+結(jié)合時，鐵原子由高旋狀態(tài)變成低旋狀態(tài)，半徑縮小13 %，于是鐵原子移動0.06 nm，進入原卟啉的中央小孔，并且牽動了F8 His向原卟啉平面的位移，從而引起蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象發(fā)生變化。2亞基三級結(jié)構(gòu)的變化：F8 His向原卟啉平面的位移，引起亞基三級結(jié)構(gòu)的變化

17、包括： F螺旋、EF拐角、FG拐角發(fā)生位移（見294頁 圖8-18）； F螺旋與H螺旋之間的空隙變?。ㄒ?96頁 圖8-21），使位于該空隙的HC2 Tyr的酚基排出空隙之外； 導(dǎo)致與相鄰亞基相連的離子鍵斷裂（見296頁 圖8-21）。3四級結(jié)構(gòu)的變化： 11二聚體與22二聚體之間相對位置旋轉(zhuǎn)15 o，平移0.08 nm； 2相對于1旋轉(zhuǎn)了13.5 o：2的AspG1(99)與1的TyrC7(42)之間的氫鍵消失，而新建2的AsnG4(102)與1的AspG1(94)之間的氫鍵（295頁 圖8-21）； 兩個亞基之間的空隙變小，擠出了DPG分子，兩個亞基之間的離子鍵全部斷裂； 上述變化進一步使

18、維持四級結(jié)構(gòu)所有的離子鍵都斷裂； 血紅蛋白分子由緊密的T構(gòu)象轉(zhuǎn)變成松弛的R構(gòu)象，對O2親和力提高； 亞基的構(gòu)象變化，使對氧分子結(jié)合的空間障礙（E11Val）消失，亞基也與氧結(jié)合。六、 S型氧合曲線的生理意義（pp295-296）1 血液流經(jīng)肺部時：肺部氧分壓相對較高，但是受環(huán)境氣壓的影響較大。即使O2分壓從100毫米汞柱降至80毫米汞柱（例如從平原進入高原地區(qū)），由于S型曲線上部較為平坦，血液的氧飽和度并不受很大的影響，氧飽和度僅下降2 %（從0.95降至0.93），血紅蛋白仍然能夠保證充分的攝氧能力。2 血液流經(jīng)組織時：進入了解離曲線的中段，氧分壓從40毫米汞柱降至20毫米汞柱，血液的氧飽和

19、度隨之下降30 %（從0.60降至0.30），保證了血液在流經(jīng)氧分壓低的在組織時，即使氧分壓僅有較小的變化，氧合血紅蛋白的解離也有明顯的增加，從而釋放出更多的O2，保證組織需要。七、 影響血紅蛋白氧親和力的因素（pp296-299）氧親和力：指的是血紅蛋白對氧結(jié)合的牢固程度，表示為PO250，含義是血紅蛋白中的氧達到半飽和程度所需要的氧分壓。氧親和力越高，血紅蛋白與氧分子的結(jié)合越牢固，則釋放給給組織的氧就越少；反之越低，組織就能得到更多的氧供應(yīng)。影響血紅蛋白氧親和力的因素有：H+、CO2、DPG等濃度，Hb的變異。1 質(zhì)子（H+）和二氧化碳（CO2）的影響1 波爾效應(yīng)（Bohr effect）

20、：質(zhì)子濃度 Ý 和二氧化碳分壓 Ý，能夠降低血紅蛋白對氧分子的親和力，促使氧解離曲線右移（297頁 圖8-22）。2 波爾效應(yīng)（Bohr effect）的生理意義： 當(dāng)血液流經(jīng)組織時：與血液相比，組織的pH值較低，CO2分壓較高，曲線右移，因而有利于氧合血紅蛋白釋放O2，同時O2的釋放又促進了脫氧血紅蛋白分子與H+ 和CO2 的結(jié)合； 當(dāng)血液流經(jīng)肺部時：由于肺氣泡的O2分壓較高，促使脫氧血紅蛋白分子釋放H+ 和CO2。CO2的呼出，曲線左移，有利于氧合血紅蛋白的生成。3 波爾效應(yīng)（Bohr effect）的發(fā)生機理： H+ 有助于離子鍵形成：l H+ 與鏈N末端Val的NH

21、2結(jié)合：生成正電基團NH3+，后者再與另一個鏈的C末端的COO 結(jié)合形成離子鍵；l H+ 與鏈His146的咪唑基結(jié)合：生成帶正電荷的基團，后者再與同一條鏈上的Asp94的側(cè)鏈COO 結(jié)合形成離子鍵； CO2也有助于離子鍵形成：l 與N末端的NH2發(fā)生可逆反應(yīng)，生成H+ 和RNHCOO；l 后者可與82 Lys和141 Arg的正電基團生成離子鍵 這些離子鍵增加了脫氧血紅蛋白的穩(wěn)定性，從而降低了對氧的親和力。2,3-二磷酸甘油酸（DPG）的影響1 DPG的來源和特征：DPG是一種有機磷酸酯，是紅細胞中糖酵解支路的產(chǎn)物。DPG分子量雖然不大，但是帶有高密度的負電。2 DPG的右移作用：DPG能夠

22、穩(wěn)定脫氧血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)，降低后者對氧分子的親和力，使血紅蛋白的氧合曲線右移（見298頁 圖8-23）。3 DPG的右移作用的發(fā)生機理：脫氧血紅蛋白分子的中央空穴較大，可以容納1個DPG分子。在氧分壓低的組織中，DPG與血紅蛋白的結(jié)合能力大于O2，同時在血紅蛋白中DPG又與O2是互不相容，這樣在血紅蛋白與DPG結(jié)合的同時，就必須釋放O2；而另一方面，與DPG的結(jié)合使得血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，使血紅蛋白對O2的親和力進一步降低。4 DPG的生理作用： 當(dāng)血液流經(jīng)O2分壓低組織時：紅細胞中的DPG能促進氧合血紅蛋白釋放更多的O2，以滿足組織對O2的需要。DPG的濃度越大，則釋放的O2越多。故D

23、PG濃度變化是調(diào)節(jié)血紅蛋白分子對O2親和力的重要因素； 在有呼吸困難時：例如在空氣稀薄的高山上的人，或者有換氣困難的肺氣腫病人，其紅細胞中的DPG濃度都會代償性增加，使為數(shù)不多的氧合血紅蛋白分子盡量地釋放O2，以滿足組織對O2的需要。 胎兒紅細胞中的DPG：胎兒紅細胞中血紅蛋白主要是HbF（22），HbF對O2的親和力比HbA高，這使胎兒血液流經(jīng)胎盤時，HbF能從胎盤的另側(cè)母體的HbA奪取到O2。其原因是鏈的143位是絲氨酸而不是組氨酸，故而HbF結(jié)合DPG的能力弱，因而對O2親和力高。第三節(jié)：分子?。╬p299-305）一、 概述（pp299-300）1 分子病（molecular dise

24、ase）：是由于DNA分子上的基因突變，機體合成了失去正?；钚缘漠惓５鞍踪|(zhì)，或者是缺失了某種蛋白質(zhì)，影響了機體的正常生理功能，而產(chǎn)生的疾病。由于病因是基因的突變，故分子病可以遺傳。2 基因突變的類型： 單個堿基取代； 一個或多個密碼子的嵌入或缺失； 基因的連接； 終止密碼子的變異等3 異常血紅蛋白：單個堿基取代：目前發(fā)現(xiàn)的異常血紅蛋白絕大多數(shù)是第一種類型，即單個堿基的取代。單個堿基引起蛋白質(zhì)異常的機理如下：按照蛋白質(zhì)生物合成的翻譯機理，mRNA 所含的A、U、G、C（腺、尿嘌呤、鳥、胞嘧啶）四種核苷酸，三個一組相連，可以排列組成64種三聯(lián)密碼子。64個密碼子中61種對應(yīng)于20種不同的氨基酸（每

25、種氨基酸，少則對應(yīng)1種密碼子，如蛋氨酸AUG、色氨酸UGC；多則對應(yīng)6種密碼子，如精氨酸、亮氨酸），如果三聯(lián)密碼子中某個堿基被取代，就有可能翻譯出不同的氨基酸，造成蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的錯誤。舉例：參見299頁 圖8-24：異常種類正常鏈異常鏈位置密碼子氨基酸密碼子氨基酸HbS6GAAGluGUAValHbC6GAAGluAAALysHb Siriraj7GAAGluAAALysHbE26GAAGluAAALysHb Ms63CAUHisUAUTyrHb N95AAALysGAAGlu其它突變類型：還可以見到一個或多個密碼子的嵌入或缺失等。4 異常血紅蛋白的分類： 改換分子表面：取代發(fā)生在分子的表面

26、，絕大多數(shù)無害（HbS等例外）； 改換活性部位：變異發(fā)生在血紅素附近，影響對氧的結(jié)合； 改換三級結(jié)構(gòu)：多肽鏈?zhǔn)フ?gòu)象，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定； 改換四級結(jié)構(gòu)：在亞基之間界面上的突變，常具有異常的氧親和力。二、 分子表面突變的血紅蛋白鐮刀狀紅細胞貧血癥（pp300-302）1 概況：暴露于血紅蛋白（HbA）分子表面是極性的氨基酸殘基。在人類以及各種動物的血紅蛋白之間，分子表面的氨基酸殘基有顯著的差異。說明這部分的氨基酸容易變異，它們對于血紅蛋白的功能是不重要的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的100多種在分子表面發(fā)生氨基酸取代的異常血紅蛋白，絕大多數(shù)是無害的。只有一小部分，例如：HbS、HbC、HbE、HbI、HbK等可以引

27、起臨床癥狀。2 鐮刀狀紅細胞貧血癥： 分布及危害：鐮刀狀紅細胞貧血癥在非洲黑人中流行。因為紅細胞中含有HbS血紅蛋白，使病人的紅細胞呈鐮刀狀，而不是正常的扁圓形（見300頁 圖8-25）。鐮刀狀紅細胞極易破碎，壽命短，造成嚴重的貧血，危及生命。遺傳學(xué)分析表明，患者若為純合子（HbS/HbS），其紅細胞中HbS含量高達95%以上，患者很難活到成年；患者若為雜合子（HbS/HbA），紅細胞中HbS含量約為35%，臨床癥狀不嚴重，不危及生命，但能將疾病的基因傳給下一代。 HbS與HbA一級結(jié)構(gòu)的差異：如上表所述，決定6位氨基酸的mRNA的三聯(lián)密碼子由GAA變成了GUA，（DNA中：CTT變成了CAT

28、；），使得氨基酸由Glu變成為Val。 HbS與HbA三級結(jié)構(gòu)的差異：相同點：6位氨基酸都位于分子表面；不同點：在HbS中6位氨基酸疏水側(cè)鏈不帶電荷，HBA中6位氨基酸側(cè)鏈帶負電荷。使脫氧HbS在紅細胞中的溶解度大大降低。 亞基6位粘斑和血紅蛋白纖維的形成：在HbS中6位氨基酸疏水側(cè)鏈起到了粘斑的作用（301頁 圖8-26），使得HbS分子可以形成細長的聚合體，即一股螺旋纖維。幾股螺旋纖維進一步纏繞在一起，就形成了直徑為17nm和21.5 nm的兩種纖維（302頁 圖8-27）。它們使紅細胞變成了鐮刀形，而這種細胞就容易破碎，導(dǎo)致貧血，最后危及生命。三、 活性部位突變的血紅蛋白HbM病和CHB

29、HA病（pp302-303）1 HbM病的分布和危害：HbM病發(fā)現(xiàn)于世界各地區(qū)和各種種族。在HbM的四聚體中只有半數(shù)的血紅素可以與O2結(jié)合，結(jié)果產(chǎn)生組織供氧不足，導(dǎo)致臨床上的先天性青紫癥狀，以及繼發(fā)性的紅細胞增多癥。2 HbM的分類：分為以下五種類型表8-6 血紅蛋白M的類型 血紅蛋白名稱氨基酸的取代氧親和力波爾效應(yīng)M BostonTyr®58(E7)His降低降低M IwateTyr®87(F8)His降低降低M SaskatoonTyr®63(E7)His正常存在M Hyde ParkTyr®92(F8)His正常存在M Milwauskee-1Gl

30、u®67(E11)Val降低存在3 HbM病的發(fā)病機理（見303頁 圖8-28）： 酪氨酸Tyr對E7和F8 His的取代：見于前四種HbM病。由于Tyr殘基的負離子（一O）與血紅素的Fe 3+ 構(gòu)成了離子鍵，從而使血紅素固定在高鐵（Fe 3+）狀態(tài)，受影響的血紅素喪失了與氧結(jié)合的能力。 谷氨酸Glu對67 (E11) Val的取代：見于最后一種HbM病。67 (E11) Val與63 (E7) His非常接近，相距4個殘基，這在螺旋上大致相當(dāng)于轉(zhuǎn)了一圈，因此兩者指的方向相同。由于Glu帶負電荷，它也能與血紅素的Fe 3+ 構(gòu)成了離子鍵，從而使血紅素固定在高鐵（Fe 3+）狀態(tài)，受影

31、響的血紅素喪失了與氧結(jié)合的能力。4 CHBHA病的發(fā)病機理（見290頁表8-5和304頁 圖8-29）：CHBHA病又稱為先天性亨氏小體溶血性貧血癥。與血紅素接觸的氨基酸殘基都位于血紅素空穴的周圍，這些殘基絕大多數(shù)都是非極性的殘基，非極性殘基與血紅素互相作用，可以將血紅素固定在該空穴之中，這對于血紅蛋白的功能是必需的。如果上述殘基被極性殘基取代，可以使血紅素脫離血紅蛋白，不能攜帶氧分子，失去血紅蛋白的功能。而沒有血紅素的珠蛋白也會發(fā)生變性、沉淀形成所謂的“亨氏小體”，故這一類的分子病又稱為“先天性亨氏小體溶血性貧血癥”。四、 三級結(jié)構(gòu)突變的血紅蛋白（pp303-304）1 殘基被脯氨酸Pro取

32、代，造成三級結(jié)構(gòu)的破壞：Pro是螺旋的破壞者（參見200頁上）。如果脯氨酸取代了螺旋段中的氨基酸殘基，則血紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)就會遭到破壞，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定的血紅蛋白和CHBHA。例如：Hb Duarte是62 (E6) 的Val被Pro取代所致；Hb Genoa是28 (B10) 的Leu被Pro取代所致。2 殘基的缺失，造成三級結(jié)構(gòu)的破壞：許多種不穩(wěn)定的血紅蛋白，由于多肽鏈關(guān)鍵部位缺失一個或多個氨基酸殘基，從而使螺旋和肽鏈的構(gòu)象受到破壞，導(dǎo)致血紅蛋白的穩(wěn)定性下降，喪失了結(jié)合O2的能力。例如（見304頁 圖8-30）：Hb Freiburg是由于23 (B5) 缺失所致；Hb Gun Hill是由

33、于9195 (即F7FG2)缺失所致。五、 四級結(jié)構(gòu)突變的血紅蛋白（pp304-305）1 亞基之間界面上的相對位移：在正常情況下，在氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白互相轉(zhuǎn)變時，血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，包括12（或者21）的接觸處兩條肽鏈發(fā)生明顯的前后位移（見295頁 圖8-20）：l 在脫氧狀況下：99 (G1) Asp與42(G7)Tyr之間形成一個氫鍵；l 在氧合狀況下：102 (G4) Asn與94(G1)Asp之間形成一個氫鍵。當(dāng)這一個氫鍵形成時，另一個就破壞；另一個形成時，這一個就破壞。維持了血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)構(gòu)象的穩(wěn)定。如果相關(guān)的殘基被取代，會引起血紅蛋白變構(gòu)效應(yīng)的喪失，出現(xiàn)異常的

34、氧親和力（升高或降低）。2 99 (G1) Asp被取代：如果99 (G1) Asp被取代，將會破壞脫氧狀態(tài)構(gòu)象的穩(wěn)定性，氧親和力升高。屬于這類的突變血紅蛋白有：l Hb Yakima：His 99 (G1) Asp；l Hb Kempsey：Asn 99 (G1) Asp；l Hb Radcliffe：Ala 99 (G1) Asp；3 102 (G4) Asn被取代：如果102 (G4) Asn被取代，將會破壞氧合狀態(tài)構(gòu)象的穩(wěn)定性，氧親和力降低。屬于這類的突變血紅蛋白有：l Hb Kansas：Thr102 (G4) Asn。第四節(jié)：蛋白質(zhì)的進化（pp305-313）一、 蛋白質(zhì)分子進化的

35、一般規(guī)律：（pp305-306）1 突變理論：蛋白質(zhì)是DNA基因表達的產(chǎn)物。結(jié)構(gòu)基因的突變會導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子的變異。 自然選擇的淘汰：如果變異有損于蛋白質(zhì)的生物功能，則有關(guān)的生物個體就受到自然選擇的淘汰，得不到延續(xù)； 物種的進化：如果變異有助于蛋白質(zhì)的生物功能的改進，或者新的功能的產(chǎn)生，就有可能促成物種的進化； 中性突變：在更多的情況下，蛋白質(zhì)的生物功能不受影響，則這種突變可以得以遺傳，稱為中性突變。2 同源蛋白：指的是：由共同的祖先蛋白質(zhì)分子經(jīng)過變異和自然選擇而產(chǎn)生的功能上相同、相關(guān)、甚至不同，但是結(jié)構(gòu)上有某種程度相似性的不同蛋白質(zhì)。例如血紅蛋白與肌紅蛋白就是同源蛋白（結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)）。3

36、 同源蛋白的進化趨勢： 功能完善：使蛋白質(zhì)所具備的功能得以保全，并得以完善； 功能異化：使蛋白質(zhì)產(chǎn)生新的功能。功能異化是蛋白質(zhì)進化的普遍現(xiàn)象。4 守恒氨基酸殘基（嚴格守恒）：指的是：在生物進化過程中，始終保持不變氨基酸殘基。守恒氨基酸殘基一般與蛋白質(zhì)分子的生物功能保持密切的關(guān)聯(lián)。尤其是與活性部位（包括與金屬輔基或輔酶相結(jié)合的位置）構(gòu)象有關(guān)的氨基酸殘基均不會發(fā)生改變，這是維持蛋白質(zhì)生物功能的基本條件。5 疏水核疏水性的守恒（相對守恒）：蛋白質(zhì)分子的疏水核，其疏水作用對維持蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象有重要的作用，因此在進化過程中，疏水核中的個別殘基可以置換，但疏水性是守恒的。6 蛋白質(zhì)分子表面的變異（相對易

37、變）：由于分子內(nèi)部的氨基酸殘基通常對維系三維結(jié)構(gòu)比較重要，因此變異較多發(fā)生在蛋白質(zhì)分子表面上。在同源蛋白的進化過程中，氨基酸殘基之間的置換有下列規(guī)律：殘基側(cè)鏈的大小、形狀、柔性、電荷、氫鍵形成能力等越近似，則置換越容易發(fā)生。例如：Lys被置換為Arg；Ile被置換為Leu等等。二、 細胞色素C分子的進化（pp306-313）細胞色素C一級結(jié)構(gòu)的種族差異1 用細胞色素C分子研究進化的優(yōu)勢： 分布廣泛：細胞色素C是生物界中廣泛存在的一種古老蛋白質(zhì)，從細菌到人，一切需要氧的生物體中都有細胞色素C存在。 結(jié)構(gòu)簡單：細胞色素C分子結(jié)構(gòu)比較簡單，大小合適，容易純化、結(jié)晶，結(jié)構(gòu)測定比較方便。現(xiàn)在，已經(jīng)測出近

38、100種生物的細胞色素C一級結(jié)構(gòu)。2 細胞色素C一級結(jié)構(gòu)的種族差異： 多肽鏈殘基數(shù)目的差異：脊椎動物：104個（個別103個）昆蟲：108個在N端增長了4個植物：111114個（一般為112個）在N端增長了58個 一級結(jié)構(gòu)殘基改變數(shù)與親緣關(guān)系（見306頁 表8-7）：以人為例人與黑猩猩：完全相同；人與恒河猴：相差一個殘基；人與馬：相差12個殘基；人與烏龜：相差15個殘基；人與金槍魚：相差21個殘基；人與蠶蛾：相差31個殘基；人與小麥：相差43個殘基；人與面包酵母：相差45個殘基； 生物進化樹：Dickerson等人根據(jù)各種生物的細胞色素c一級結(jié)構(gòu)的差異和相同性，繪制出生物界的進化樹（evolu

39、tionary tree），與生物分類學(xué)所繪制的進化樹是一致的。細胞色素C三級結(jié)構(gòu)的保守性從表8-7中發(fā)現(xiàn)，在不同物種的細胞色素c一級結(jié)構(gòu)中，有26個位置的氨基酸殘基是完全不變的（守恒殘基）。這些守恒殘基分散在多肽鏈的各個部位。在分子進化過程中，細胞色素c的一級結(jié)構(gòu)雖然有較大的變化，但是三級結(jié)構(gòu)基本上保持不變（見312頁 圖8-32）。1 血紅素結(jié)合位（功能域）的嚴格保守性（312頁 圖8-32）：血紅素是細胞色素c分子的電子傳遞中心，在生物進化中保持不變。 Cys14和Cys17的S原子與血紅素的乙烯基共價相連； Met18的N原子和Met80的S原子與血紅素的Fe原子配位鍵相連； Tyr48和Trp59與血紅素的丙酸基以氫鍵相連。2 血紅素疏水環(huán)境的嚴格保守性（表8-7）：70-80位11個殘基參與形成血紅素的疏水環(huán)境，都是守恒殘基。3 多肽鏈轉(zhuǎn)彎處的嚴格保守性： Pro (30, 71, 76)； Gly (29, 34, 45, 77, 84)。4 環(huán)狹縫疏水基團的保守性取代：環(huán)繞狹縫的16個疏水殘基：Leu (32, 35, 64, 68, 94, 98) 6個；Ile (81, 85,