4. 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能-2.ppt

1、第6章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)的生物功能是以其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。 蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象取決于其一級結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境。,（一）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,1.種屬差異 不同有機(jī)體中執(zhí)行同一功能的蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序存在十分明顯的種屬差異。,例1 胰島素,來自哺乳動物、鳥類和魚類的胰島素一級結(jié)構(gòu)都是由51個氨基酸組成，但排列順序有差異。 主要差異在A鏈小環(huán)的8、9、10和B鏈30位氨基酸殘基。這4個氨基酸的改變不影響胰島素的功能，但所有來源的胰島素中二硫鍵的位置是固定不變的，說明其對胰島素的功能十分重要。,例1 胰島素,來自哺乳動物、鳥類和魚類的胰島素一級結(jié)構(gòu)都是由51個氨基酸組成，但排

2、列順序有差異。 主要差異在A鏈小環(huán)的8、9、10和B鏈30位氨基酸殘基。這4個氨基酸的改變不影響胰島素的功能，但所有來源的胰島素中二硫鍵的位置是固定不變的，說明其對胰島素的功能十分重要。,表 不同哺乳動物的胰島素分子中的氨基酸差異,例2 細(xì)胞色素C（cytC）,廣泛存在于需氧生物細(xì)胞的線粒體中，是一種與血紅素輔基相結(jié)合的單鏈蛋白質(zhì)，在生物氧化中起重要作用。 親緣關(guān)系越近c(diǎn)ytC組成和結(jié)構(gòu)的相似性越大，從而為生物的進(jìn)化提供了證據(jù)。 與功能密切相關(guān)的氨基酸序列是不變的。,表 不同生物與人的細(xì)胞色素c相比較的氨基酸差異數(shù)目,正常紅細(xì)胞,鐮刀狀紅細(xì)胞,血紅蛋白分子病,1、引起鐮刀狀紅細(xì)胞貧血病的原因：

3、 Hb A H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys COOH Hb S H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys COOH 鏈 1 2 3 4 5 6 7 8 2、分子?。褐改撤N蛋白質(zhì)分子一級結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序與正常的有所不同引起的的遺傳病。,血紅蛋白A和S胰蛋白酶消化液的指紋圖譜,HbA H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOH HbS H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-COOH,濾紙層析電泳雙向圖譜,正常人的HbA的鏈第六位是Glu，而病人（HbS)

4、則被Val取代（遺傳密碼由CTTCAT)。,每種蛋白質(zhì)分子都具有特定的結(jié)構(gòu)來行使特定的功能，即使是一級結(jié)構(gòu)個別AA的變化也能引起功能的改變或喪失。,當(dāng)Glu被Val取代后，由于Glu的側(cè)鏈?zhǔn)菐ж?fù)電荷的羧基， Val的側(cè)鏈?zhǔn)遣粠щ姾傻氖杷?，因此這種改變顯著降低了血紅蛋白的溶解度，使患者的血紅蛋白分子容易聚集成纖維狀血紅蛋白，導(dǎo)致紅細(xì)胞收縮變形成鐮刀狀，輸氧能力下降，細(xì)胞脆弱易破碎，引起頭暈、胸悶等貧血癥狀。,別構(gòu)現(xiàn)象（allosteric effect）：蛋白質(zhì)的構(gòu)象并不是固定不變的，當(dāng)有些蛋白質(zhì)的表現(xiàn)其生物活性時，其構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變了整個分子的性質(zhì)，這種現(xiàn)象就稱為別構(gòu)現(xiàn)象（別構(gòu)效應(yīng)、變

5、構(gòu)效應(yīng)）。具有這種現(xiàn)象的蛋白質(zhì)叫別構(gòu)蛋白。,（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系,主要學(xué)習(xí),氧的運(yùn)轉(zhuǎn)：血紅蛋白 氧 (肺） 血紅蛋白 （血液循環(huán)） 肌紅蛋白（組織）(貯存氧) 耗氧的細(xì)胞器,肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu),1、肌紅蛋白是哺乳動物細(xì)胞主要是肌細(xì)胞貯存和分配氧的蛋白質(zhì) 2、肌紅蛋白由一條多肽鏈（稱為珠蛋白）和一個輔基血紅素分子組成，多肽鏈主鏈由8段螺旋組成：A、B、C、D、E、F、G、H；共153個AA,肌紅蛋白三級結(jié)構(gòu)圖示,X-射線結(jié)晶學(xué)分析的三個階段： 分辨率0.6nm 多肽主鏈的折疊和走向 分辨率0.2nm 可以辨認(rèn)分子的側(cè)鏈基團(tuán) 分辨率0.14nm 識別所有的氨基酸,196

6、3年，Kendrew,氧的轉(zhuǎn)運(yùn),氧的溶解性差,蛋白質(zhì)運(yùn)輸，儲存,氨基酸側(cè)鏈不適合與氧可逆結(jié)合,金屬，鐵,易產(chǎn)生自由基,血紅素輔基,輔基血紅素原卟啉結(jié)構(gòu)示意圖和血紅素結(jié)構(gòu)及其與Fe2+的結(jié)合,卟啉癥,（三）氧與肌紅蛋白的結(jié)合,F8 His的咪唑基,亞鐵離子 與氧結(jié)合 不被氧化 這由肌紅蛋 白內(nèi)部疏水 環(huán)境決定,氧與肌紅蛋白結(jié)合的整體結(jié)構(gòu),氫鍵,肌紅蛋白多肽鏈形成的微環(huán)境有三個作用： 固定血紅素輔基； 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。,血紅素與CO結(jié)合肌紅蛋白中血紅素與CO親和力比O2大250倍,整體肌紅蛋白氧合圖示,二、血紅蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,血紅蛋白的主要功能：在血液中

7、結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣。 研究血紅蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系：主要是研究血紅蛋白如何與氧分子的結(jié)合作用。,血紅蛋白的結(jié)構(gòu)（1）,血紅蛋白組成： 1. 4個多肽亞基，兩個是亞基(141AA)，兩個是亞基(146AA) ； 2.4個血紅素基，每個亞基共價結(jié)合一個。 每個亞基和亞基在三級結(jié)構(gòu)上與肌紅蛋白(153AA)極為相似。,血紅蛋白的結(jié)構(gòu)（2）,血紅蛋白完整的三維結(jié)構(gòu)圖,氧結(jié)合改變血紅蛋白的構(gòu)象,*去氧血紅蛋白每個亞基中Fe()離子只有5個配體，并位于卟啉環(huán)上方，因此鐵卟啉環(huán)呈圓頂狀。HisF8與Fe()配位，空間位阻迫使Fe-N鍵略傾斜于血紅素卟啉環(huán)。 *當(dāng)與氧結(jié)合后， Fe()將被拉回卟啉環(huán)平面，卟啉環(huán)變

8、成平面，同時牽動HisF8，并進(jìn)而引起F螺旋和拐彎EF和FG的位移。這些移動傳到亞基界面，引發(fā)構(gòu)象重調(diào)，從面使其它亞基易于和氧結(jié)合。,與氧結(jié)合時血紅蛋白的變構(gòu)過程,血紅素中鐵原子的變化 高自旋狀態(tài) 低自旋 （非氧合，原子半徑較大） （氧合，原子半徑較小）,電子效應(yīng) 空間效應(yīng),血紅蛋白的T態(tài)和R態(tài),亞基T態(tài) R態(tài)引起的結(jié)果,*氧與一個處于T態(tài)的血紅蛋白亞基結(jié)合將引發(fā)構(gòu)象由T態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)，此時穩(wěn)定T態(tài)的那些相互作用被斷裂，亞基C-末端處于完全自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。鏈和鏈的倒數(shù)第二位都是TyrHC2。在去氧血紅蛋白中這些Tyr殘基的酚-OH與ValFG5提供的肽C=O形成氫鍵。氧合時由于F螺旋移動導(dǎo)致上述氫

9、鍵斷裂，進(jìn)而連接亞基的8個鹽鍵斷裂。,去氧血紅蛋白中各亞基間鹽鍵：8個,去氧血紅蛋白中亞基間鹽鍵,*8個鹽鍵有6個處于不同亞基間。 *6個中4個涉及C-末端或N-末端殘基：鏈：兩個; 鏈：兩個。另兩個連接兩鏈的Asp126和Arg141殘基。 *此外，每條鏈的AspFG1和HisHC3間有鹽鍵。,氧合和去氧血紅蛋白不同構(gòu)象態(tài),血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合氧的結(jié)合,*血紅蛋白與氧的結(jié)合具有正協(xié)同效應(yīng)：即其一個亞基與氧結(jié)合后能使得其它亞基很容易與氧結(jié)合。從而其氧結(jié)合曲線呈現(xiàn)S形。 而肌紅蛋白與氧的結(jié)合則呈雙曲線。,肌紅蛋白,血紅蛋白,1、Bohr效應(yīng)：氫離子和二氧 化碳促進(jìn)血紅蛋白中氧氣的釋放 以供應(yīng)機(jī)

10、體組織需要,H+、CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響,具有重要的生理意義,H+、CO2和BPG 對血紅蛋白結(jié)合氧的影響,H+、CO2的影響,1914年，C.Bohr發(fā)現(xiàn)，高濃度的H+和 CO2促使氧合血紅蛋白分子釋放O2，而 高濃度的O2促使脫氧血紅蛋白分子釋放 H+和CO2。血紅蛋白對O2、 H+和CO2結(jié)合的這種相互關(guān)系叫波耳效應(yīng),H+、CO2對血紅蛋白氧合能力影響的解釋,H+的結(jié)合部位,146-His N-Val 122-His,使血紅蛋白保持T態(tài),CO2的結(jié)合部位,四個亞基N-末端氨基,Hb-NH2 + CO2,Hb-NH-COO- + H+ 氨甲酰衍生物,CO2 + H2O,H2C

11、O3,HCO3 + H+,-,（氧合態(tài)）,Bohr效應(yīng)的生理意義及其機(jī)理,生理意義：血液流經(jīng)肌肉時利于氧的釋放和二氧化碳的結(jié)合；流經(jīng)肺部時利于二氧化碳的釋放和氧的結(jié)合。 機(jī)理：氫離子與血紅蛋白結(jié)合利于構(gòu)成T態(tài)的鹽橋形成，從而使氧釋放；在肺部由于氧分壓較高，促進(jìn)氧和血紅蛋白的結(jié)合，打斷鹽橋，使得氫離子和二氧化碳釋放。,2、BPG（2，3-二磷酸甘油酸） 降低血紅蛋白對氧氣的親和力從而 促進(jìn)氧從血紅蛋白釋放，以供應(yīng)機(jī) 體組織需要,BPG是血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)物,與亞基的結(jié)合部位： Val1-NH3+ Lys82-NH3+ His143-咪唑基,BPG的影響：,Hb-BPG Hb(O2)4+ BPG

12、BPG降低血紅蛋白親氧能力的重要生理意義： BPG是紅細(xì)胞中存在的糖代謝中間產(chǎn)物。當(dāng)血液流經(jīng)O2分壓較低的組織時，紅細(xì)胞中的BPG可促進(jìn)氧合血紅蛋白釋放氧，以滿足組織對O2需要。 BPG濃度越大， O2的釋放量越多。紅細(xì)胞中BPG濃度的變化是調(diào)節(jié)血紅蛋白對氧親和力的重要因素。實(shí)例：在高山上；肺氣腫病人；儲藏血液（用肌苷代替酸性檸檬酸葡萄糖）。,BPG和O2對血紅蛋白的結(jié)合是排斥的,與氧結(jié)合時血紅蛋白的變構(gòu)過程,亞基三級結(jié)構(gòu)及整個蛋白四級結(jié)構(gòu)的變化,胎兒血紅蛋白的氧合能力大于HbA,胎兒血紅蛋白（HbF）為22，而成人血紅蛋白(HbA)為22， 與的區(qū)別為： 143His (BPG與亞基的結(jié)合部位： Val1-NH3+ Lys82-NH3+ His143-咪唑基) 143Ser，使HbF與BPG的結(jié)合能力減弱，因而增加了HbF對氧的親和力。其意義在于胎兒血液流經(jīng) 胎盤時HbF可以從母體HbA獲得O2。,T構(gòu)象 R 構(gòu)象,O2,構(gòu)象緊密 構(gòu)象松弛 氧親和力低 氧親和力高,蛋白質(zhì)分子中不止有一個配基的結(jié)合部位(活性部位)，還有別的配基的結(jié)合部位(別構(gòu)部位)。別構(gòu)蛋白都有別構(gòu)效應(yīng)。,別構(gòu)效應(yīng)：蛋白質(zhì)與