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第三章蛋白质Proteins生物化学一、一级结构对蛋白质结构功能的影响二、空间结构变化对蛋白质功能的影响第五节蛋白质的结构与功能一、一级结构对蛋白质结构功能的影响1、一级结构是空间构象的基础2、同源蛋白质有顺序同源性3、蛋白质的一级结构与分子病4、前体与活性蛋白质一级结构的关系蛋白质的变性定义:在变性因素作用下,使蛋白质的高度规则的天然构象发生变化的这种过程,导致其生物功能的丧失及物理、化学性质的改变,这种现象(过程)叫做蛋白质的变性。主要是指生物功能的丧失,但一级序列没有变化。蛋白质的构象变化:可分为正常变化和异常变化。正常变化是指蛋白质在发挥其生物功能时,所必须的构象改变。异常变化不是蛋白质发挥生物功能时所必须发生的功能改变。1、一级结构是空间构象的基础•蛋白质的空间构象的维持是靠次级键的作用,那么空间构象的改变也主要是次级键发生的变化,有的也是二硫键的变化。构象的改变与生物功能的丧失是蛋白质变性的核心。•蛋白质变性的种类:–1、可逆变性:当除去变性物质后,蛋白质的构象又可以恢复原状,生物功能也随之恢复的——复性。–2、不可逆变性:当除去变性因素时,蛋白质的构象不恢复原状,生物功能也不恢复。1、一级结构是空间构象的基础HOCH2CH2SHONH2-C-NH2=NH2+NH2-C-NH2=UreaGuanidineHClMercaptoethanolCl-SDSSO4--(CH2)11CH3常见的蛋白质变性剂极性头部非极性尾巴SDS是一种表面活性剂sodiumdodecylsulfateSDS--12烷基硫酸钠RNase变性——复性实验:•牛胰RNase共有124个a.a残基。4个链内二硫键。分子量:12600•变性、失活(8M尿素+b硫基乙醇)→透析后,构象恢复,二硫键正确复性的概率是1/7*1/5*1/3=1/105。1、一级结构是空间构象的基础变性的RNaseA可以回复正常构形+Urea,Mercaptoethanol-Urea,Mercaptoethanol不正确折叠Stryer(1995)Biochemistry(4e)p.38Anfinsen-Urea,Mercaptoethanol变性的RNaseA可以回复正常构形RNase在蛋白质变性剂和还原剂存在下,酶分子中的二硫键全部被还原,酶的空间结构破坏,肽链完全伸展,酶的催化活性完全丧失。当用透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后,发现酶大部分活性恢复,所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他的方法改变分子中二硫键的配对方式,酶完全丧失活性。这个实验表明,蛋白质的一级结构决定它的空间结构,而特定的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证。蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象。Anfinsen疑题(p237)蛋白质的折叠动力学蛋白质转译出来之后要靠chaperone系统正确折叠Albertsetal(2002)MolecularBiologyoftheCell(4e)p.357同源蛋白质在不同的生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。如:血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能,细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。同源蛋白质一级结构(序列)上存在种属差异这种一级结构的差异又不影响生物学功能;而结构决定了功能,这种差异就一定是并不影响蛋白分子的空间构象的变化。2、同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化同源蛋白质一级结构(序列)的特点:①同源蛋白质氨基酸序列具有明显的相似性(同源性)。②有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的,称不变残基,不变残基高度保守,是必需的。除不变残基以外,其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化,称可变残基,可变残基中,个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。③多肽链长度相同或相近。2、同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化。亲源关系越远,同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。进化论有了分子水平上的直接证据。2、同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化细胞色素C分子量:12500左右氨基酸残基:100个左右,单链。25种生物中,细胞色素C的不变残基35个。60种生物中,细胞色素C的不变残基27个。亲源关系越近的,其细胞色素C的差异越小。亲源关系越远的,其细胞色素C的差异越大。人与黑猩猩0人与狗10人与猴1人与酵母442、同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化胰岛素●有24个氨基酸残基位置始终不变:A.B链上6个Cys不变,其余18个氨基酸多数为非极性侧链,对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。●其它可变氨基酸对稳定蛋白质的空间结构作用不大,但对免疫反应起作用。●猪与人接近,而狗则与人不同,因此可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。2、同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化蛋白质一级结构的突变导致分子病分子病:由于基因突变导致机体合成蛋白质一级结构的改变,从而引起生物功能的障碍,而产生先天性疾病,这就是分子病。最典型的例子是镰刀形贫血病在正常人的血红蛋白β-链N末端第6位aa是Glu,而在镰刀形贫血病人中血红蛋白β-链N末端第6位aa是Val。3、蛋白质的一级结构与分子病由于这个aa的差别,使血红蛋白溶解度下降至1/25,输氧功能降低,使红细胞呈镰刀状,同时细胞易破碎。Mathewsetal(2000)Biochemistry(3e)p.2391、β-地中海贫血纯合子杂合子:β--地中海贫血(β-地中海贫血性状)四、地中海贫血2、α-地中海贫血(0个拷贝:致命性)4个拷贝:正常3个和2个拷贝:不对称的1个拷贝:轻微症状地中海贫血本病以地中海沿岸国家和东南亚各国多见,我国长江以南各省均有报道,以广东、广西、海南、四川、重庆等省区发病率较高,在北方较为少见。治疗方法:红细胞输注凝血酶原6.6万凝血酶3.4万纤维蛋白原纤维蛋白凝胶凝血因子(凝血酶原致活因子)(1)血液凝固的机理4、前体与活性蛋白质一级结构的关系一级结构的部分切除是蛋白质功能激活的必要条件。肝素(2)、胰岛素原的激活活性蛋白质前胰岛素原,含信号肽。胰岛素原,内质网腔,信号肽被信号肽酶切除。活性胰岛素,高尔基体,切除C肽。一级结构与高级结构的关系1、复性实验表明,蛋白质一级结构(氨基酸序列)决定蛋白质的空间结构。2、同源蛋白质的序列具有同源性,在空间结构上相应功能位点一般是高度保守氨基酸。3、蛋白质一级结构的变化导致空间结构的变化,可以使蛋白质功能丧失。4、蛋白质一级结构的切除是可以使蛋白质由非活性状态转化成活性(激活)。二、空间结构对蛋白质功能的影响1、肌红蛋白(Mb)的结构与功能2、血红蛋白(Hb)的结构与功能3、免疫球蛋白的结构与功能1、肌红蛋白(Mb)的结构与功能(1)肌红蛋白的结构人的肌红蛋白每1分子含1分子半胱氨酸,而马和抹香鲸的肌红蛋白则完全不含半胱氨酸。潜泳深度一般数百米,最深纪录2200米,时间达75分钟,为鲸类中的“潜水冠军”。性凶猛。抹香鲸对巨乌贼的嗜好,是一种最珍贵的海产品———“龙涎香”的来源。抹香鲸把巨乌贼一口吞下,但消化不了乌贼的鹦嘴。它们逐渐在小肠里形成一种粘稠的深色物质呈块状重100——1000克,也曾有420公斤的。其最大直径为165厘米,这种物质即为“龙延香”。它储存在结肠和直肠内,刚取出时臭味难闻,存放一段时间逐渐发香,胜“麝香”。“龙涎香”是使香水保持芬芳的最好物质,用于香水固定剂。肌红蛋白的亚基铁卟啉(2)、肌红蛋白的氧合曲线][]][[22MbOOMbK][][22MbOPOMbK氧饱和度:][][][22MbMbOMbOY22POKPOY解离平衡常数:MbO2===Mb+O23、Hill曲线和Hill系数KPOYYKPOYYloglog1log122Hill曲线Log[Y/(1-Y)]=0时,P(O2)=K=P50,所以,在log(Y/(1-Y))=0这一点的斜率称Hill系数(nH)。肌红蛋白的nH=1,表示O2分子彼此独立地与肌红蛋白结合。肌红蛋白的氧合曲线在血液中结合并转运O2它由2a和2b四条多肽链构成,每个亚基都含有一个血红素分子,血红素中的二价铁原子在与氧结合的前后,并不发生价数的改变。通过观察发现血红蛋白与氧的结合具有变构效应。变构效应(allostericeffect):寡聚蛋白中由于一个亚基构象的改变,引起其它亚基构象与功能上的变化,叫变构效应。2、血红蛋白(Hb)的结构与功能(1)血红蛋白的结构成人:HbA:a2b298%HbA2:a2d22%胎儿:HbFa2g2早期胚胎:z2e22、血红蛋白(Hb)的结构与功能α、β链的三级结构与肌红蛋白的很相似血液之所以是红色的,是因为其中的红血球。红血球中的血红蛋白是一种含铁的红色素,它的颜色因含氧量不同而稍有变化。因此,动脉血含氧高而鲜红;静脉血缺氧而偏暗红。红血球也称红细胞,它们在血液中负责运送氧和二氧化碳。红细胞没有细胞核,所以中间凹陷,像一顶小红帽。它的直径只有7微米,每立方毫米中男人平均500万个,女人平均420万个。2、血红蛋白(Hb)的结构与功能红细胞可以伸缩弯曲地在血管中流动,平均寿命为120天。在它的一生中,它要完成约30万次循环流动,运行约27公里。•血常规包括血红蛋白测定、红细胞计数、白细胞计数及白细胞分类计数4项。•血红蛋白(Hb):正常男性为120~160g/L,女性为110~150g/L,新生儿170-200g/L。•红细胞(RBC)计数:正常男性为400-550万/μL,女性为350~500万/μL,新生儿为600~700万/μL;•血红蛋白及红细胞增多,常见于脱水所致血液浓缩或慢性组织缺氧等;其减少则常见于各种贫血;•白细胞(WBC)计数:正常成人为4000~10000/μL,新生儿为15000~20000/μL,6个月至2岁婴儿为11000~12000/μL。血常规简介接近于球体,4个亚基分别在四面体的四个角上,每个亚基上有一个血红素辅基。Stryer(1995)Biochemistry(4e)p.163任何亚基吸收氧分子后都会牵动骨架Garrett&Grisham(1999)Biochemistry(2e)p.486(R)relaxedstate(T)tensestate血中氧分子的运送HemoglobinLung氧分子MyoglobinMuscle静脉动脉环境氧浓度高时Hb快速吸收氧分子环境氧浓度低时Hb迅速释出氧分子任何一个亚基接受氧分子后,会增进其它亚基吸附氧分子的能力碳氟化物(PFC)经化学修饰的血红素2、血红蛋白的氧合曲线四个亚基之间具有正协同效应,氧合曲线是S型曲线。•开始,氧的结合要比肌红蛋白对氧的结合慢(在脱氧血红蛋白中,亚基之间的连接比较紧密),这种构象不利于O2的结合,而当第一亚基与氧结合后,增加了其余亚基对氧的亲和力。•反之,当氧分压降低时,从氧合血红蛋白失去一个氧分子,将引起其余的氧分子更易解离,说明各亚基间存在一种协同效应。nH=1,无协同性nH>1,正协同性nH<1,负协同性KOpnYYlog)(log1log2KOpOpYnn)()(22422)(4OHbOHb★正协同效性:一种配基的结合促进后续配基的结合,S型配体结合曲线。★负协同效性:一种配基的结合抑制促进后续配基的结合。★正效应物:促进活性部位与配基结合的别构效应物。★负效应物:抑制活性部位与配基结合的别构效应物。血红蛋白(Hb)的协同性血红蛋白P50=26torr,肺泡氧压:Po2=100torr,Y=0.97肌肉毛细血管:Po2=20torr,Y=0.25释放氧:△Y=0.97—0.25=0.72肌红蛋白(无协同效应):△Y不足0.1协同效应增加血红蛋白在肌肉中的卸氧量,使它能有效地输送氧气。3、波耳效应及其生理意义血红蛋白上有CO2和BPG(2,3-二磷酸甘油酸)结合部位,因此,血红蛋白还能运输CO2。波耳效应:增加CO2的浓度、降低pH能显著提高血红蛋白O2的释放能力血红蛋白亚基间的协同效应,降低血红
本文标题:03-蛋白质-5
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