蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能第6章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能【掌握】肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)；氧結(jié)合引起的肌紅蛋白與血紅蛋白構(gòu)象變化；血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合；H+、CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響；血紅蛋白分子病。【重難點】肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能；鐮刀狀紅細(xì)胞貧血病。很多蛋白質(zhì)的構(gòu)象在生物體中是柔性的、動態(tài)的。蛋白質(zhì)分子與其它蛋白質(zhì)、其它分子相互作用，使相互作用中的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生微小甚至劇烈變化，從而使其生物功能（氧的轉(zhuǎn)運、免疫應(yīng)答和肌肉收縮、催化功能等）發(fā)生變化。蛋白質(zhì)與其它分子（配體）相互作用的瞬間性質(zhì)對生命至關(guān)重要，因為它允許生物體在內(nèi)外環(huán)境發(fā)生變化時，能快速、可逆地作出反應(yīng)。一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系⒈一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

RNase是由124氨基酸殘基組成的單肽鏈蛋白質(zhì)分子，分子中8個Cys的-SH構(gòu)成4對二硫鍵，形成一定的空間構(gòu)象。在變性劑（如8mol/L的尿素）和還原劑（如巰基乙醇）存在下，分子中的二硫鍵全部被還原，空間結(jié)構(gòu)破壞，肽鏈完全伸展，酶的催化活性完全喪失。當(dāng)用透析方法除去變性劑和巰基乙醇后，發(fā)現(xiàn)酶大部分活性恢復(fù)，所有二硫鍵準(zhǔn)確無誤地復(fù)原。若用其他方法改變二硫鍵的配對方式，則酶完全喪失活性。實驗表明，蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其空間結(jié)構(gòu)，而特定的空間結(jié)構(gòu)則是蛋白質(zhì)具有生物活性的保證。

所以，蛋白質(zhì)一定的結(jié)構(gòu)執(zhí)行一定的功能。功能不同的蛋白質(zhì)總是有著不同的序列；比較種屬來源不同而功能相同的蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，可能有某些差異，但與功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)也總是相同。若一級結(jié)構(gòu)變化，蛋白質(zhì)的功能可能發(fā)生很大的變化。（一）蛋白質(zhì)的功能依賴于特定的空間構(gòu)象二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的功能不僅與一級結(jié)構(gòu)有關(guān)，更重要的依賴于蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象。牛胰RNaseA變性與復(fù)性酶原的激活激素前體的激活-S-S-X纈天天天天賴異甘纈組46絲183靜電吸引力或氫鍵腸激酶胰蛋白酶胰蛋白酶原-S-S-X纈天天天天賴異纈絲胰蛋白酶SSSS組活性中心游離的六肽胰蛋白酶原的激活過程1、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)

肌紅蛋白(myoglobin,Mb)是哺乳動物細(xì)胞(主要是肌細(xì)胞)貯存和分配氧的蛋白質(zhì)。

單體蛋白，由一條多肽主鏈和血紅素輔基構(gòu)成；多肽主鏈由8個α-螺旋區(qū)段組成單結(jié)構(gòu)域；(二)肌紅蛋白與血紅蛋白

肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)親水側(cè)鏈氨基酸分布在外表面，疏水側(cè)鏈氨基酸分布在分子內(nèi)部。形成內(nèi)部的疏水洞穴疏水洞穴包含血紅素輔基A－H為肌紅蛋白的八個a-螺旋結(jié)構(gòu)。

過渡金屬的低價態(tài)具有很強(qiáng)的結(jié)合氧傾向(特別是Fe2+

和Cu+)蛋白質(zhì)不能直接與氧發(fā)生可逆結(jié)合蛋白質(zhì)如何參與氧氣在生物體內(nèi)的攜帶和運輸？輔助蛋白質(zhì)固定Fe2+的方式蛋白質(zhì)固定Fe2+的方式有多種，在肌紅蛋白和血紅蛋白家族中，

Fe2+是由原卟啉（IX）分子固定。

輔基血紅素原卟啉IX血紅素heme與Fe絡(luò)合561234123456血紅素與肌紅蛋白的結(jié)合6氧結(jié)合配位5HisF8（93位，近側(cè)組氨酸）

作為輔基的血紅素非共價結(jié)合于肌紅蛋白分子的疏水空穴中環(huán)境缺乏氧氣時，配位6是空著的。環(huán)境中富含氧氣時，血紅素如何協(xié)助肌紅蛋白結(jié)合氧氣？O2與肌紅蛋白的結(jié)合6氧結(jié)合配位血紅素與肌紅蛋白的結(jié)合部位氧氣與肌紅蛋白結(jié)合了5HisE7（64位,遠(yuǎn)側(cè)組氨酸）HisF8（近側(cè)組氨酸）遠(yuǎn)側(cè)組氨酸近側(cè)組氨酸O2通過血紅素與肌紅蛋白結(jié)合空間位阻，傾斜60°疏水環(huán)境的意義?通常O2與Fe(Ⅱ)接觸會使Fe(Ⅱ)氧化為Fe(Ⅲ)，血紅素也是一樣。?但在肌紅蛋白內(nèi)部，由于疏水的環(huán)境，F(xiàn)e(Ⅱ)不易被氧化。?微環(huán)境的作用：固定血紅素基；保護(hù)血紅素鐵免遭氧化；為O2提供一個合適的結(jié)合部位。O2的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)象去氧肌紅蛋白血紅素Fe2+被HisF8（X）拉出卟啉環(huán)平面（圓頂狀）卟啉環(huán)呈圓頂狀卟啉環(huán)呈平面狀與氧結(jié)合形成氧合肌紅蛋白（MbO2）后Fe2+半徑變小，從而能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔被拉回（平面狀）。肌紅蛋白結(jié)合氧的定量分析(氧結(jié)合曲線)MbO2Mb+O2注:MbO2代表氧合肌紅蛋白,Mb代表去氧肌紅蛋白.[Mb].[O2][MbO2]K=…………⑴;[MbO2][Mb]K[O2]=或：K為MbO2的解離常數(shù)：……⑶;[O2][O2]＋KY=根據(jù)Henry定律，溶于液體的任一氣體的濃度與液體上面的該氣體分壓成正比：

………………⑷p(O2)p(O2)＋K’Y=Y為一定的氧壓下肌紅蛋白的氧分?jǐn)?shù)飽和度：[MbO2][MbO2]＋[Mb]Y=…(2);p(O2)p(O2)＋KY=p(O2)值可以進(jìn)行調(diào)節(jié)和測量,

氧分壓常用torr*

作單位。

（1torr=133.3Pa=1mmHg）

Y值可用分光光度計法測定,因為肌紅蛋白氧合時卟啉環(huán)中電子位移引起吸收光譜改變。

Y對p(O2)作圖所得的曲線稱為氧結(jié)合曲線或解離曲線。Y=1時,所有肌紅蛋白分子的氧結(jié)合部位均被O2所占據(jù),即肌紅蛋白被氧完全飽和。Y=0.5時,p(O2)=K=P50,P50

定義為肌紅蛋白被氧半飽和時的氧分壓。YY：即氧飽和分?jǐn)?shù)，氧合肌紅蛋白分子數(shù)占肌紅蛋白分子總數(shù)的百分比。?肌肉毛細(xì)血管中氧濃度為3kPa，細(xì)胞內(nèi)表面處約為1.33kPa,線粒體中為0-1.33kPa，肌紅蛋白P50為0.27kPa。因此，大多數(shù)情況下，肌紅蛋白是高度氧合的。如果由于肌肉收縮而使線粒體中氧含量下降，它可以立即供氧。?高氧合的肌紅蛋白有利于氧從細(xì)胞內(nèi)表面向線粒體轉(zhuǎn)運。細(xì)胞內(nèi)表面1.33kPa（Y為80%），線粒體0.13kPa（Y為25%）或更低。肌紅蛋白是氧的貯存庫

血紅蛋白存在于血液的紅細(xì)胞

(erythrocytes,雙凹圓盤狀,直徑69μm)中。血紅蛋白以高濃度(約為質(zhì)量的34%)溶解于紅細(xì)胞溶膠中。

血紅蛋白(hemoglobin,Hb)的主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運氧氣。2、血紅蛋白血紅蛋白的結(jié)構(gòu)成人血紅蛋白主要是HbA(HbA1),其亞基組成為α2β2。胎兒血紅蛋白主要是HbF,亞基組成為α2γ2

。

脊椎動物的血紅蛋白由4個多肽亞基組成,兩個是一種亞基(α鏈）,另兩個是另一種亞基（β鏈）。每個亞基都有一個血紅素輔基和一個氧結(jié)合部位。

氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象變化1.氧合作用顯著改變Hb的四級結(jié)構(gòu)。氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白在四級結(jié)構(gòu)上有顯著不同，特別是αβ亞基的相互作用發(fā)生變化。2.血紅素鐵的微小移動導(dǎo)致血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)的顯著變化。

3.氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白代表不同的構(gòu)象態(tài)。

T態(tài)：即緊張態(tài)(tensestate)。

R態(tài)：即松弛態(tài)(relaxedstate。T態(tài)：即緊張態(tài)，去氧血紅蛋白的主要構(gòu)象態(tài)R態(tài)：即松弛態(tài)，氧合血紅蛋白的主要構(gòu)象態(tài)。

關(guān)于別構(gòu)效應(yīng)的幾個定義（P77）

：別構(gòu)效應(yīng)：也稱變構(gòu)效應(yīng)，多亞基蛋白質(zhì)因一個亞基構(gòu)象的變化引起其他亞基構(gòu)象發(fā)生變化，進(jìn)而改變蛋白質(zhì)活性的現(xiàn)象。別構(gòu)蛋白質(zhì)：具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)。效應(yīng)物：對蛋白分子其它部位與配體的結(jié)合能力產(chǎn)生影響的配體。血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合（Ｈb氧結(jié)合曲線）

同促效應(yīng)：寡聚蛋白上某種配體的結(jié)合對其他同種配體同部位結(jié)合的影響。正協(xié)同性：某種配體的影響使得其他同種配體與蛋白質(zhì)同種部位的結(jié)合變的更容易。

負(fù)協(xié)同性：某種配體的影響使得其他同種配體與蛋白質(zhì)同種部位的結(jié)合變的更難。異促效應(yīng)：寡聚蛋白上的某種配體的結(jié)合影響了配體與蛋白其它結(jié)合部位的結(jié)合。正效應(yīng)物（激活劑）：效應(yīng)物可降低使活性部位達(dá)到飽和的濃度。負(fù)效應(yīng)物（抑制劑）：效應(yīng)物可提高使活性部位達(dá)到飽和的濃度。

關(guān)于別構(gòu)效應(yīng)的幾個定義：Hb+4O2Hb（O2）4解離常數(shù)K：K=[Hb][O2]4[Hb（O2）4]Y=P4（O2）P4（O2）+K據(jù)此方程Y對p（O2）作圖，所得曲線為S形曲線氧飽和度Y:血紅蛋白的氧合具有正協(xié)同同促效應(yīng)，即一個亞基與O2的結(jié)合增強(qiáng)同一Hb分子中其余亞基對O2的親和力。O2既是正常的配體，又是正同促效應(yīng)物或調(diào)節(jié)物。Hb氧合曲線是S形。H+,CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響血紅蛋白與O2的結(jié)合受環(huán)境中其它分子如質(zhì)子、CO2和紅細(xì)胞代謝物

2,3-二磷酸甘油酸（BPG）的調(diào)節(jié)。雖然它們在蛋白質(zhì)分子上的結(jié)合部位離血紅素輔基很遠(yuǎn)，但這些分子極大影響Hb氧合性質(zhì)。這種在空間上相隔部位之間的相互作用在很多寡聚蛋白質(zhì)中存在，即異促別構(gòu)效應(yīng)。YpH降低使血紅蛋白的氧結(jié)合能力下降（P50升高），氧合曲線右移。p50pH1）

H+和CO2促進(jìn)Ｏ２的釋放CO2+H2OH2CO3H++HCO3-碳酸酐酶HbO2+H+HbH++O2Bohr效應(yīng)的生理意義：當(dāng)血液流經(jīng)組織，特別是代謝迅速的肌肉時，由于這里的pH較低，CO2濃度較高，因此有利于血紅蛋白釋放O2，使組織能比因單純的p(O2)降低獲得更多的氧。而氧的釋放又促使血紅蛋白與H+和CO2的結(jié)合，以補(bǔ)償由于組織呼吸形成的CO2所引起的pH

降低，起著緩沖血液pH的作用。（在肺中吸氧排CO2，在肌肉中吸CO2排氧；H+和CO2促進(jìn)氧的釋放）Bohr效應(yīng)（Bohreffect）:

增加CO2濃度或降低pH能顯著提高血紅蛋白亞基間的協(xié)同效應(yīng)，降低血紅蛋白對氧的親和力，促進(jìn)氧釋放。反之，高濃度的氧也能促進(jìn)血紅蛋白釋放H+和CO2的現(xiàn)象。2）BPG降低Hb對O2的親和力

血紅蛋白Hb只有一個BPG結(jié)合部位，位于四個亞基締合形成的中央孔穴內(nèi)，靠靜電相互作用把兩個β鏈交聯(lián)在一起，有利O2的釋放；O2和BPG與蛋白質(zhì)的結(jié)合是相互排斥的。BPG（2,3－二磷酸甘油酸）是血紅蛋白一個重要的異促別構(gòu)效應(yīng)物。BPG（2,3－二磷酸甘油酸）對血紅蛋白氧合曲線的影響（使得P50升高，有利于釋放氧氣）

總之，各種蛋白質(zhì)都有特定的空間構(gòu)象，而特定的空間構(gòu)象又與它們特定的生物學(xué)功能相適應(yīng)，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能是高度統(tǒng)一的。1.血紅蛋白病:由于α或β鏈發(fā)生了變化.例如鐮刀狀細(xì)胞貧血等；2.地中海貧血:是由于缺少了α或β鏈，例如α－和β－地中海貧血.——因基因突變導(dǎo)致機(jī)體合成的血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)改變，引起生物學(xué)功能缺陷而產(chǎn)生的遺傳性疾病。三．血紅蛋白分子?。ㄒ唬╃牭稜罴?xì)胞貧血病１.鐮刀狀細(xì)胞貧血病癥狀:

鐮刀狀細(xì)胞貧血病患者的血紅蛋白含量僅為正常人的一半，紅細(xì)胞數(shù)也是正常人的一半左右．而且紅細(xì)胞的形態(tài)也不正常，為新月狀或鐮刀狀，這是由于不正常的血紅蛋白引起的，這種血紅蛋白稱為血紅蛋白Ｓ(HbS).正常人的紅細(xì)胞病人的紅細(xì)胞2.鐮刀狀細(xì)胞貧血病致病原因:

鐮刀狀細(xì)胞貧血病是最早被認(rèn)識的一種分子?。怯捎谶z傳基因突變導(dǎo)致血紅蛋白分子中氨基酸殘基被更換所造成的。鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白的氨基酸序列的細(xì)微變化（β鏈）:HbA和HbS有差異的肽段和化學(xué)結(jié)構(gòu)，其氨基酸序列分別是：正常：

HbAH2NVal-His-Leu–Thr–Pro-Glu-Glu-LysCOOH鐮刀狀：HbSH2NVal-His-Leu–Thr–Pro–Val-Glu-LysCOOH(β鏈)12345678β６Glu（谷氨酸）β６Val（纈氨酸）。從一級結(jié)構(gòu)看:只是從β６Glu（谷氨酸）被換成β６Val（纈氨酸）。Glu側(cè)鏈?zhǔn)且粋€帶電基團(tuán)，而Val是一個非極性基團(tuán)；從三級結(jié)構(gòu)看:由于β６位于分子表面，因此Val代替Glu等于在HbS

分子表面安裝了一個疏水側(cè)鏈;從四級結(jié)構(gòu)看:氧合HbS和HbA沒多大區(qū)別。然而在低[O2]時（脫O2），HbS溶解度劇烈下降（僅為脫氧HbA的1/25），HbS分子發(fā)生線形締合，形成長鏈，由多條長鏈進(jìn)一步聚集成多股螺旋的微管纖維束，將整個紅細(xì)胞扭