蛋白質(zhì)化學(xué)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

1、一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能 （一）肌紅蛋白(myoglobin，Mb)的三級結(jié)構(gòu) （二）輔基血紅素(heme) （三）O2與肌紅蛋白的結(jié)合 （四） O2的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)象(一)肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu) 共有8段-螺旋，占全部序列的75%。整條肽鏈折疊成緊密球狀，疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部，極性、帶電荷的側(cè)鏈則在分子表面。其分子表面形成一個深的疏水口袋，血紅素通過與周圍氨基酸殘基的次級鍵以及血紅素鐵與近端的His形成的配位鍵而“藏”在洞中。 該口袋允許O2進(jìn)入。 CO也能與血紅素結(jié)合，CO的毒性是因為它與血紅素的親和力更大，從而阻止O2與血紅素的結(jié)合。（二）輔基血紅素結(jié)構(gòu) 二價態(tài)的血紅素鐵結(jié)合氧氣 三

2、價態(tài)的血紅素鐵不能結(jié)合氧氣NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+（三）O O2 2與肌紅蛋白的結(jié)合肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)O2 及 CO 與肌紅蛋白血紅素Fe的結(jié)合氧合肌紅蛋白結(jié)合咪唑和CO的游離血紅素肌紅蛋白：CO復(fù)合物（四） O2的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)象 未結(jié)合氧時，5個配位鍵，F(xiàn)e位于卟啉環(huán)上方0.055nm；結(jié)合氧時， Fe被拉進(jìn)卟啉

3、環(huán)， Fe位于卟啉環(huán)上方0.026nm； His同時被拉動引起構(gòu)象改變。 Fe的這一微小移動對血紅蛋白有顯著的影響。 見P255圖6-5二、血紅蛋白 (hemoglobin, Hb) 的結(jié)構(gòu)與功能 (一)血紅蛋白的結(jié)構(gòu) (二)氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象變化 (三)血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合(Hb氧結(jié)合曲線） (四)H+、CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響( (一) )血紅蛋白的結(jié)構(gòu) 血紅蛋白是由四個亞基組成，2個-亞基，2個-亞基，每個亞基由一條多肽鏈與一個血紅素輔基組成。個亞基以正四面體的方式排列，彼此之間以非共價鍵相連 血血紅紅蛋蛋白白血血紅紅蛋蛋白白 血紅蛋白（22），有穩(wěn)定的四級結(jié)構(gòu)，與氧

4、的親和力很弱。但當(dāng)氧與血紅蛋白分子中一個亞基的血紅素輔基的鐵結(jié)合后，F(xiàn)e2+被拉回卟啉環(huán)，鐵卟啉環(huán)由圓頂狀變成平面，與配位鍵連接得His發(fā)生位移，并引起該亞基構(gòu)象改變，一個亞基構(gòu)象的改變又引起其余亞基的構(gòu)象相繼發(fā)生改變，亞基間的次級鍵被破壞，結(jié)果整個分子從緊密的構(gòu)象變成比較松散的構(gòu)象，易于與氧結(jié)合，使血紅蛋白與氧結(jié)合的速度大大加快。 血紅蛋白上有CO2結(jié)合部位，因此，血紅蛋白還能運輸CO2(二)氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象變化(三)血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合(Hb氧結(jié)合曲線）Hb和Mb氧結(jié)合曲線的比較 血紅蛋白四個亞基之間具有正協(xié)同效應(yīng)，氧合曲線是S型曲線 剛開始時，氧的結(jié)合要比肌紅蛋白對氧的結(jié)合慢（

5、在脫氧血紅蛋白中，亞基之間的連接比較緊密），這種構(gòu)象不利于O2的結(jié)合，而當(dāng)?shù)谝粊喕c氧結(jié)合后， 增加了其余亞基對氧的親和力。 反之，當(dāng)氧分壓降低時，從氧合血紅蛋白失去一個氧分子，將引起其余的氧分子更易解離，說明各亞基間存在一種協(xié)同效應(yīng)。 (四) H+、CO2和BPG 對血紅蛋白結(jié)合氧的影響 1、H+ 、CO2促進(jìn)O2的釋放（Bohr效應(yīng) ） 2、BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低Hb對O2的親和力波爾效應(yīng) H+和CO2降低Hb與氧氣親和力，即H+和CO2促進(jìn)Hb釋放O2，這樣的效應(yīng)被稱為波爾效應(yīng)。 質(zhì)子濃度對血紅蛋白與O2親和力的影響 不同PHPH下MbMb和HbHb的氧分?jǐn)?shù)飽和度曲線hemo

6、globin代謝越快，H+或CO2越多，需要的氧越多，越有利于Hb釋放O2。Bohr效應(yīng) 當(dāng)當(dāng)H H+ +增加，增加，pHpH下下降氧分?jǐn)?shù)飽和度降氧分?jǐn)?shù)飽和度曲線向右移動。曲線向右移動。BPG的別構(gòu)效應(yīng) 二磷酸甘油酸（BPG ）降 低血紅蛋白對氧的親和力，BPG是血紅蛋白的異促效應(yīng)物（負(fù)效應(yīng)物）。 BPG通過與兩個亞基形成鹽鍵穩(wěn)定了血紅蛋白的脫氧態(tài)的構(gòu)象，因而降低脫氧血紅蛋白的氧親和力。 胎兒血紅蛋白 胎兒血紅蛋白HbF（22）與O2的親和力明顯高于成人的HbA，這顯然有利于它們從母體的胎盤中獲取O2。類別類別肌紅蛋白（肌紅蛋白（MbMb）血紅蛋白（血紅蛋白（HbHb）來源來源肌肉組織肌肉組織

7、紅細(xì)胞紅細(xì)胞種類種類一種一種三種：三種：HbAHbA1 1（成人（成人9898）、）、HbAHbA2 2（成人（成人2 2）和和HbFHbF（胎兒）（胎兒）一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)單條肽鏈，單條肽鏈，153153個個aaaa，其中的，其中的8383個個aaaa為為保守序列保守序列四條肽鏈四條肽鏈,-,-亞基約亞基約141aa,141aa,亞基約亞基約146aa146aa；HbAHbA1 1：2 22 2；HbAHbA2 2:2 22 2；HbFHbF：2 22 2二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)7575-螺旋螺旋每條鏈同每條鏈同MbMb三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)典型的球蛋白，分子表面形成一個疏典型的球蛋白，分子表面形成一個疏水

8、口袋，血紅素即藏在其中水口袋，血紅素即藏在其中每條鏈同每條鏈同MbMb四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)無無4 4個亞基占據(jù)著個亞基占據(jù)著4 4面體的面體的4 4個角，鏈間以離子個角，鏈間以離子鍵結(jié)合，鍵結(jié)合， ()()2 2，在二聚體內(nèi)結(jié)合緊密，在二聚體內(nèi)結(jié)合緊密，在二聚體之間結(jié)合疏松。在二聚體之間結(jié)合疏松。輔基輔基血紅素（血紅素（FeFe2 2），結(jié)合氧氣），結(jié)合氧氣每個亞基結(jié)合一分子血紅素（每個亞基結(jié)合一分子血紅素（FeFe2 2），一分），一分子血紅蛋白可結(jié)合四分子氧氣子血紅蛋白可結(jié)合四分子氧氣協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)無無正協(xié)同效應(yīng)正協(xié)同效應(yīng)功能功能肌肉組織中儲存氧氣；運輸氧氣到線肌肉組織中儲存氧氣；運輸氧氣到

9、線粒體粒體在血液中運輸氧氣在血液中運輸氧氣肌紅蛋白和血紅蛋白的比較三、血紅蛋白分子病 (一)分子病是遺傳的 (二)鐮刀狀細(xì)胞貧血病 (三)其他血紅蛋白病 (四)地中海貧血(二)鐮刀狀細(xì)胞貧血病 這種病在非洲的某些這種病在非洲的某些地區(qū)發(fā)展率較高。這種病地區(qū)發(fā)展率較高。這種病人最顯著的特點是相當(dāng)一人最顯著的特點是相當(dāng)一部分紅血球呈鐮刀形。部分紅血球呈鐮刀形。鐮鐮狀狀細(xì)胞貧血癥患者的細(xì)胞貧血癥患者的Hb簡稱為簡稱為HbS。HbS造成紅造成紅細(xì)胞溶血，致使病人體內(nèi)細(xì)胞溶血，致使病人體內(nèi)的紅細(xì)胞減少，只有正常的紅細(xì)胞減少，只有正常人的人的1/2。 這種病人的病因在哪里呢？這種病人的病因在哪里呢？Hem

10、oglobin 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 血紅蛋白分子中血紅蛋白分子中-鏈上一個氨基酸的差異，即鏈上一個氨基酸的差異，即-鏈第鏈第6 6位原來是位原來是GluGlu，現(xiàn)在，現(xiàn)在被被ValVal取代。由于這個取代。由于這個aaaa的差別，使血紅蛋白溶解度下降至的差別，使血紅蛋白溶解度下降至1/251/25，輸氧功，輸氧功能降低。能降低。 鐮刀狀貧血病 的分子機理 Glu Val 由于由于ValVal取代

11、了取代了GluGlu，使，使HbsHbs鏈表面具有鏈表面具有密集的疏水支鏈密集的疏水支鏈這些疏水支鏈?zhǔn)惯@些疏水支鏈?zhǔn)笻bsHbs分子集成長鏈分子集成長鏈HbS之間的自組裝反應(yīng) 鐮型細(xì)胞鐮型細(xì)胞貧血癥的血紅蛋貧血癥的血紅蛋白不適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合白不適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合導(dǎo)致形成長導(dǎo)致形成長鏈，很多長鏈聚集成很多長鏈聚集成多股螺旋，將紅多股螺旋，將紅血球擠扭成鐮刀血球擠扭成鐮刀狀。狀。四、免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白 （一）免疫系統(tǒng) (二) 免疫系統(tǒng)能識別自我和非我 (三) 在細(xì)胞表面的分子相互作用引發(fā)免疫反應(yīng) （四）免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)和類型 （五）基于抗體抗原相互作用的生化分析方法（一）免疫系統(tǒng) 免疫反應(yīng)主要涉及淋巴細(xì)胞（l

12、ymphocyte）和巨噬細(xì)胞（microphage），淋巴細(xì)胞又分為兩個細(xì)胞群，B淋巴細(xì)胞和 T淋巴細(xì)胞。 B淋巴細(xì)胞：又稱B細(xì)胞，它在骨髓中發(fā)育完成。 T淋巴細(xì)胞：又稱T細(xì)胞，它雖在骨髓中分泌但最終遷移到胸腺中完成它們的后期發(fā)育。 B（T）細(xì)胞受體：B（T）細(xì)胞表達(dá)的抗原特異性膜受體?？乖c抗體 抗原是指進(jìn)入異體機體后，能致敏淋巴細(xì)胞產(chǎn)生特異抗體，并能與抗體發(fā)生特異結(jié)合的物質(zhì)（主要有蛋白質(zhì)、核酸及其 它高分子化合物）。 抗原性包括： 免疫原性是指誘導(dǎo)特異免疫反應(yīng)的能力。 抗原特異性（反應(yīng)原性）是指與抗體特異結(jié)合的能力。 抗原決定簇：抗原性由抗原分子表面特殊的化學(xué)基團決定 （一級結(jié)構(gòu)或空間結(jié)

13、構(gòu)），這種決定或控制抗原性的化學(xué)基 團稱抗原決定簇。 （四）免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)和類型 免疫球蛋白（Ig）： 是抗體的一種，由四條多肽鏈組成，兩條大的鏈稱重鏈或 H 鏈，兩條小的鏈稱輕鏈或 L 鏈，它們通過非共價鍵和二硫鍵連接成的復(fù)合體。 免疫球蛋白共有5個類別： IgG、IgA、IgM、IgD和IgE抗原抗體反應(yīng) 抗體是2價的，抗原是多價的： 抗體極度過剩，抗原分子所有價被抗體的飽和，可溶。 抗原一抗體比例適中，形成網(wǎng)狀的抗原抗體復(fù)合物，不可溶。 抗原極度過剩，抗體被飽和，可溶。 抗原抗體反應(yīng)的條件： 抗原決定簇與抗體結(jié)合部位構(gòu)象互補。 二者各有對應(yīng)的化學(xué)基團，通過作用力使二者結(jié)合（離子鍵、氫鍵

14、 等） 糖鏈VH結(jié)構(gòu)域VH結(jié)構(gòu)域CL結(jié)構(gòu)域VL結(jié)構(gòu)域VL結(jié)構(gòu)域重鏈五、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮 (一)肌纖維的結(jié)構(gòu) (二)肌原纖維由粗絲和細(xì)絲構(gòu)成 (三)骨骼肌的相關(guān)蛋白質(zhì) (四)肌肉收縮的機制：肌絲滑動模型 肌肉收縮主要有兩種蛋白完成：肌球蛋白是一種ATP酶，水解ATP，將其中化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，機械能控制肌動蛋白（也稱微絲或微管等）的構(gòu)象變化。六、纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 1. -角蛋白角蛋白 2. -角蛋白角蛋白 3. 膠原蛋白膠原蛋白-角蛋白 一級結(jié)構(gòu)：由311個314個氨基酸殘基組成。 二級結(jié)構(gòu)：每一個-角蛋白分子在其中央形成典型的-螺旋，兩端為非螺旋區(qū)。 模體：由于螺旋區(qū)由

15、（a-b-c-d-e-f-g）n重復(fù)序列組成，其中a和d為非極性氨基酸組成，這使得兩個-角蛋白分子能夠通過a和d殘基上的疏水R基團結(jié)合，相互纏繞形成雙股的卷曲螺旋。雙股卷曲螺旋大大地提高了-螺旋的穩(wěn)定性。 鏈間還形成多個二硫鍵，這種共價交聯(lián)可進(jìn)一步提高-角蛋白的強度。指甲的強度比毛發(fā)高是因為組成指甲的-角蛋白含有更多的Cys殘基，能形成更多的二硫鍵。（燙發(fā)或直發(fā)的原理）-角蛋白 一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)：富含富含Ala和和Gly，具有重復(fù)序列，具有重復(fù)序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser； 二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)：主要是有序的反平行主要是有序的反平行-折疊，還有一折疊，還有一些無序的些無序的-

16、螺旋和螺旋和-轉(zhuǎn)角環(huán)繞在轉(zhuǎn)角環(huán)繞在-折疊的周圍。折疊的周圍。Gly和和Ala/Ser分別分布于折疊片層的兩側(cè)，使得相鄰的分別分布于折疊片層的兩側(cè)，使得相鄰的-折疊更加緊密地堆積形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而賦予絲較高的折疊更加緊密地堆積形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而賦予絲較高的抗張性能。同時抗張性能。同時-螺旋又使蛛絲具有一定的柔軟性。螺旋又使蛛絲具有一定的柔軟性。與與-角蛋白不同的是，相鄰的角蛋白不同的是，相鄰的-角蛋白之間沒有共價角蛋白之間沒有共價交聯(lián)。交聯(lián)。-角蛋白中的-折疊蜘蛛絲中的絲心蛋白的結(jié)構(gòu)層次卷發(fā)卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )的生物化學(xué)基礎(chǔ)的生物化學(xué)基礎(chǔ) 永久性卷發(fā)(燙發(fā))是一項生物化學(xué)工程(biochem

17、ical engineering), -角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉(zhuǎn)變?yōu)?-構(gòu)象，但在冷卻干燥時又可自發(fā)地恢復(fù)原狀。 這是因為 -角蛋白的側(cè)鏈R基一般都比較大，不適于處在 -構(gòu)象狀態(tài)，此外 -角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當(dāng)外力解除后使肽鏈恢復(fù)原狀( -螺旋構(gòu)象)的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎(chǔ)。膠原蛋白 膠原蛋白膠原蛋白的的基本組成單位是由基本組成單位是由3條條鏈組成的原膠鏈組成的原膠原分子。原分子。3條條鏈可以相同，也可以不同。鏈可以相同，也可以不同。 原膠原的一級結(jié)構(gòu)：約原膠原的一級結(jié)構(gòu)：約1/3是是Gly，Pro含量也很高含量也很高（12%），具有三種修

18、飾的氨基酸，即），具有三種修飾的氨基酸，即4-羥脯氨酸、羥脯氨酸、3-羥脯羥脯氨酸（氨酸（ 9%）和）和5-羥賴氨酸；每一條肽鏈都具有重復(fù)的羥賴氨酸；每一條肽鏈都具有重復(fù)的Gly-X-Y三聯(lián)體序列。三聯(lián)體序列。X和和Y通常是通常是Pro，但也可能是，但也可能是Lys。 膠原蛋白富含膠原蛋白富含Gly和和Pro的性質(zhì)使得它難以形成的性質(zhì)使得它難以形成-螺旋，螺旋，但有規(guī)律重復(fù)的三聯(lián)體序列促進(jìn)了三條膠原蛋白鏈之間形成但有規(guī)律重復(fù)的三聯(lián)體序列促進(jìn)了三條膠原蛋白鏈之間形成三股螺旋。三股螺旋。膠原蛋白的結(jié)構(gòu)問題 從結(jié)構(gòu)和功能角度考慮血紅蛋白分子病有那幾種類型？ 鐮刀形貧血病的分子機制是什么？從結(jié)構(gòu)和功能角度考慮血紅蛋白分子病有那幾種類型？ 根本原因是基因突變引起的，有純合體和雜合體之分 （1）血紅蛋白分子表面發(fā)生突變- （鐮刀狀貧血?。?（2）血紅素附近的氨基酸殘疾突變，影響蛋白與血紅素的結(jié)合或是鐵失去氧和能力 （3）血紅蛋白內(nèi)部的氨基酸殘基突變，R集團的