第六章-蛋白质结构与功能的关系

一、一级结构与功能的关系（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定它们在亲缘关系上的远近。1、同源蛋白质不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质。序列同源（sequencehomology）：不变残基（invariantresidue）：可变残基（variableresidue）：细胞色素c（cytochromec）2、细胞色素c的进化真核生物细胞色素c有100个左右氨基酸残基。其中有28个位置的氨基酸是不变的，其中17位和14位上的Cys和70-80位的氨基酸是不变的。细胞色素c的进化树同源蛋白质的起源共同性肌红蛋白153AAα-珠蛋白141AAβ-珠蛋白146AA同源序列38同源序列64丝氨酸蛋白酶类胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶以及血液凝固和溶解系统的酶都属于丝氨酸蛋白酶类，具有类似的活性中心，序列同源性高，生理功能异化。（二）氨基酸序列的局部断裂与蛋白质的激活蛋白质一级结构中也有一些特定的序列能阻碍蛋白质表现出生物功能，只有将其切除后才能形成有活性的蛋白质。胰岛素原胰岛素蛋白酶原蛋白酶血纤维蛋白原血纤维蛋白胰岛素和它的前体凝血系统主要凝血因子因子I，纤维蛋白原因子II,凝血素因子III,凝血酶原酶因子IV,钙(Ca2+)因子因子V,促凝血球蛋白原，易变因子因子VII,转变加速因子前体，促凝血酶原激酶原，辅助促凝血酶原激酶因子VIII,抗血友病球蛋白A(AHGA),抗血友病因子A（AHFA),血小板辅助因子I,血友病因子VIII或A,因子IX,抗血友病球蛋白B(AHGB)，抗血友病因子B(AHFB)，血友病因子IX或B因子X,STUART(-PROWER)-F,自体凝血酶原C因子XI,ROSENTHAL因子，抗血友病球蛋白C因子XII,HAGEMAN因子，表面因子因子XIII,血纤维稳定因子辅助凝血因子FITZGERALD因子FLETCHER因子(激肽释放酶原)von-Willebrand-因子Arg274—Thr275Ⅹａ凝血酶原激酶Arg323—Ile324专业位点:Arg—Gly血纤蛋白原血纤蛋白凝血酶切点血纤肽A、18AA血纤肽B、20AA血纤蛋白原为糖蛋白、分子量340kD，由6条多肽链组成，29对二硫键交联成网状分子。N端C端多净负电荷血纤蛋白分子长46nm,血纤蛋白凝块重复周期为23nm转谷氨酰胺酶催化溶血系统纤溶酶原：单链糖蛋白、92kD、790AA。纤溶酶原激活剂（PA）：t-PA和u-PA（三）氨基酸序列的局部变异1954年指纹图谱（fingerprint）HbAHbS胰蛋白酶28肽段28肽段双向电泳层析HbA（adulthemoglobin）HbS（sickle-cellhemoglobin）HbAβ-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…HbSβ-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…Val取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑点含氧HbS脱氧HbS疏水位点血红蛋白分子凝集镰刀状细胞Hb的治疗性矫正研究发现在体外用氰酸钾(KCNO)处理镰刀状贫血病患者的红细胞，可以防止它在脱氧状态下形成镰刀状。这种细胞生存时间比处理前要长，输氧能力也有好转。HbS分子的一个氨基用KCNO修饰后就能抑制红细胞成镰刀状，这一反应同CO2与HbA结合类似，CO2也能结合到N端NH2上，只是反应可逆，而KCNO的修饰是不可逆的。二、蛋白质高级结构与功能的关系（一）肌红蛋白的功能肌红蛋白的三级结构组成：珠蛋白和血红素。大小和形状：扁平状分子、4.5nm×3.5nm×2.5nm结构描述：153个AA,8段α-螺旋组成，分两层，单结构域。分子结构紧密，内部只能容纳4个水分子的空间。疏水基团在分子的内部，亲水基团在分子表面，介于疏水和亲水之间的基团在分子内部和外部都可以找到。NA1肌红蛋白存在于肌肉中，心肌含量特别丰富。是分子量为16700的小分子球状蛋白质，由153个氨基酸残基及一个血红素组成。鲸肌红蛋白的三级结构研究获得成功，是第一个获得完整构象的蛋白质。它有8段α螺旋结构,A、B、C、D、E、F、G、H。整条肽链折叠成紧密球状分子，疏水侧链大都在分子内部，极性带电荷的则在分子表面，因此水溶性好。肌红蛋白由多肽的折叠形成的疏水空隙内是血红素辅基，通过肽链上的His残基与肌红蛋白分子内部相连，它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与O2结合）。由4个吡咯环通过甲基桥连接成原卟啉IX，另外有4个甲基，2个乙烯基和2个丙酸基。原卟啉IX与Fe形成络合物，即是血红素。Fe有6个配位键，其中4个键与卟啉环的4个N原子相连，第5配位键与HisF8相连，第6配位键与O2相连。如果血红素含Fe2+，为亚铁血红素，Fe3+，为高铁血红素。相应的蛋白分别为亚铁肌红蛋白和高铁肌红蛋白。辅基血红素Figure7-18Thehemegroup,presentinmyoglobin,hemoglobin,cytochromeb,andmanyotherhemeproteins,consistsofacomplexorganicringstructure,protoporphyrin,towhichisboundanironatominitsferrous(Fe2+)state.Tvvorepresentationsareshownin(a)and(b).(c)Theironatomhassixcoordinationbonds,fourintheplaneof,andbondedto,theflatporphyrinmoleculeandtwoperpendiculartoit.(d)Inmyoglobinandhemoglobin,oneoftheperpendicularcoordinationbondsisboundtoanitrogenatomofaHisresidue.TheotherisopenandservesasthebindingsiteforanO2molecule,asshownhereintheedgeview.O2与肌红蛋白的结合Fe的第六配位键在没有O2时，是空着的，O2与肌红蛋白中的Fe结合，结合以后O2轴与Fe-O键形成60度的夹角，同时夹在远侧组氨酸（HisE7）的中间。除了O2与Fe结合外，CO也会与Fe结合，导致CO中毒。血红素辅基的结构CC1.固定血红素；2.保护血红素Fe不被氧化；3.为分子氧提供一个合适的结合部位。肌红蛋白的微环境的作用O2与血红素Fe结合后，会改变肌红蛋白的构象。没有结合氧时，铁卟啉是圆顶状，并且Fe处于凸出位置，结合氧后铁卟啉收回形成平面状。0.055nm0.026nm氧结合曲线MbO2Mb＋O2［Mb］×［O2］K=［MbO2］［MbO2］［O2］［Mb］K=Y—在给定的氧压下肌红蛋白的氧分数饱和度。［MbO2］Y=［MbO2］+［O2］［O2］Y=［O2］+K根据henry定律:р(O2)Y=р(O2)+KK=P50或(P0.5):肌红蛋白的被氧半饱和时的氧分压。р(O2)Y=р(O2)+KYр(O2)1–YK=log﴾﴿logр(O2)-logKHill方程Y1–Y=肌红蛋白的K=P50或(P0.5)约为2torr。1托＝1/760大气压＝1毫米汞柱1托＝133.322帕（Pa）（二）高级结构变化对功能的影响蛋白质的变构现象——以血红蛋白的别构效应为例说明蛋白质的空间结构与功能的关系。血红蛋白血红蛋白有4条多肽链，其中两条为α链（141AA），两条为β链（146AA），每个亚基都有一个血红素分子，具有氧结合能力。人在不同的发育阶段有不同的血红蛋白。HbAα2β2H21（143）HisHbFα2γ2H21（143）Serβ链和α链的三级结构与肌红蛋白相似。四个亚基形成对称结构。6.4nm×5.5nm×5.0nm结构相似，141AA中27AA相同141AA146AA153AA氧结合引起的血红蛋白构象变化0.08nm0.06nm0.021nm血红蛋白的别构效应(变构效应)（allostericeffect）氧合作用显著改变Hb的四级结构，血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换（从T态→R态）血红蛋白存在：T态（tensestate）R态（relaxedstate）亲和性不同：T态去氧Hb的主要构象，氢键和盐键起稳定作用；R态氧合Hb的主要构象。Tyrα140(HC2)、Tyrβ145(HC2)与Valα93（FG5）、Valβ98（FG5）形成链内氢键。当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基的铁结合后。即引起该亚基构象的改变，一个亚基构象的改变又会引起其余亚基的构象相继发生改变，亚基间的次级键被破坏，结果整个分子从紧密的构象变成比较松散的构象，易于与氧结合，使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。别构效应是指含亚基的蛋白质分子由于一个亚基构象的改变而引起其余亚基以至整个分子构象、性质和功能发生变化。р4(O2)Y=р4(O2)+KYр4(O2)1–YK=log﴾﴿4logр(O2)—logKHill方程表达式Y1–Y=血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合рn(O2)Y=рn(O2)+KYрn(O2)1–YK=log﴾﴿nlogр(O2)—logKHill方程一般表达式Y1–Y=95%75%10%80%Figure7-28Theoxygen-bindingcurvesofmyoglobin(Mb)andhemoglobin(Hb).Myoglobinhasamuchgreateraffinityforoxygenthandoeshemoglobin.Itis50%saturatedatoxygenpartialpressures(pO2)ofonly0.15to0.30kPa,whereashemoglobinrequiresapO2ofabout3.5kPafor50%saturation.Notethatalthoughbothhemoglobinandmyoglobinaremorethan95%saturatedatthepO2inarterialbloodleavingthelungs(~13kPa),hemoglobinisonlyabout75%saturatedinrestingmuscle,wherethepO2isabout5kPa,andonly10%saturatedinworkingmuscle,wherethepO2isonlyabout1.5kPa.Thushemoglobincanreleaseitsoxygenveryeffectivelyinmuscleandotherperipheraltissues.Myoglobin,ontheotherhand,isstillabout80%saturatedatapO2of1.5kPa,andthereforeunloadsverylittleoxygenevenatverylowpO2.ThusthesigmoidO2-saturationcurveofhemoglobinisamolecularadaptationforitstransportfunctioninerythrocytes,assuringthebindingandreleaseofoxygenintheappropriatetissues.H+,CO2对血红蛋白结合氧的影响波耳（Bohr）效应：pH对Hb对氧亲和力的影响称为Bohr效应。H+和CO2促进HbO2释放O22，3一二磷酸甘油酸（BPG）对Hb氧合的影响2,3-Bisphosphoglycerate(BPG)BPG是血红蛋白的—个别构效应物。在BPG不存在时，Hb与氧的亲和力强。BPG通过血红蛋白的两个β亚基形成盐桥稳定了它的脱氧态(T态)构象，因而降低脱氧