48蛋白质结构与功能的关系

第6章蛋白质结构与功能的关系structure－functionrelationship动态的球状蛋白质如何在与其它分子的相互作用中行使他们的生物功能?IAYKPAG。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6.1肌红蛋白的结构与功能在蛋白质与其他分子的相互作用中能被它可逆结合的其他分子称为配体。如血红蛋白及肌红蛋白与氧酶与底物或抑制剂抗体与抗原StructureProteinFunctionLigandBindingsite蛋白质与配基6.1.1肌红蛋白的三级结构肌红蛋白(myoglobin，Mb)是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。由一条多肽链和一个辅基血红素构成，含153个氨基酸残基。除血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白(globin)。Functionofmyoglobin:Asatransportprotein,myoglobinfacilitatesoxygendiffusioninmuscle.Myoglobinisparticularlyabundantinthemusclesofdivingmammalssuchassealsandwhales,whereitalsohasanoxygenstoragefunction.Myoglobin分子中多肽主链由长短不等的8段直的α螺旋组成最大的螺旋含23个残基最短的7个残基，分子中几乎80%的氨基酸残基都处于α螺旋区中。拐弯是由1—8个残基组成的无规卷曲。肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白中4个脯氨酸残基各自处在一个拐弯处；处在拐弯处的残基还有Ser、Thr、Asn和Ile，他们如果在肽链上连续紧挨排列，则由于其侧链的形状或体积的原因不利于形成α螺旋。肌红蛋白的结构与功能6.1.2辅基血红素某些过渡金属的低氧态（特别是Fe2+和Cu+）具很强的结合氧倾向。某些节肢动物的血蓝蛋白(hemocyanin)中结合氧的是Cu+。原卟啉Ⅸ属于卟啉类(porphyrins)，这类化合物在叶绿素、细胞色素以及其他一些天然色素中还将遇到。血卟啉（血红素）使血液呈红色，叶绿蛋白中的镁卟啉（叶绿素）是植物成绿色的原因。铁原子可以是亚铁（Fe2+）或高铁（Fe3+）氧化态，相应的血红素称为[亚铁]血红素(ferroheme，heme)和高铁血红素(ferriheme，hematin)。相应的肌红蛋白称为[亚铁]肌红蛋白(ferromyoglobin)和高铁肌红蛋白(ferrimyoglobin，metmyoglobin)。肌红蛋白的结构与功能6.1.3O2与肌红蛋白的结合肌红蛋白中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93（或F8）位His残基，称近侧(proximal)组氨酸的咪唑N结合，第6配位被O2分子所占据。在去氧肌红蛋白(deoxymyoglobin)中,第6个配位位置是空的。在高铁肌红蛋白中氧结合部位失活，H2O分子代替O2填充该部位，成为三价铁Fe(Ⅲ)原子的第6个配体。肌红蛋白分子内部的疏水环境(HisF8和HisE7除外)中，血红素Fe（Ⅱ）则不易被氧化。6.1.3O2与肌红蛋白的结合珠蛋白的作用：固定血红素辅基（非共价结合）；保护血红素亚铁免遭氧化；为氧气分子提供一个合适的结合部位（被结合的O2夹在远侧组氨酸（HisE7）咪唑环N和Fe2+原子之间，氧结合部位是一个空间位阻区域）。6.1.3O2与肌红蛋白的结合4。O2的结合改变了肌红蛋白的构象O2的结合使亚铁离子的位置与卟啉环平面的关系发生改变（将亚铁离子拉回卟啉环平面，铁卟啉由圆顶状变成平面状）这一位移通过HisF8进一步影响蛋白质的构象构象的改变没有影响肌红蛋白的生物功能6.1.4O2的结合改变肌红蛋白的构象6.1.5肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）具有肺和腮的动物在血循环中红细胞（含血红蛋白）从肺或腮带走O2。在组织中肌红蛋白接纳释放自血红蛋白的O2。10080604020020406080100静脉血动脉血氧饱和度(%)氧分压(mmHg)P50以肌红蛋白的氧饱和度Y和氧分压p(O2)作图，得肌红蛋白的氧结合曲线：当Y=1时，所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白被氧饱和。Y=0.5时，肌红蛋白的一半被氧饱和，p(O2)=K，常数K称为P50，即肌红蛋白一半被氧饱和时的氧压。10080604020020406080100静脉血动脉血氧饱和度(%)氧分压(mmHg)P50KppY)(O)(O226.2血红蛋白的结构与功能血红蛋白的主要功能是在血液中结合并转运氧。血红蛋白以高浓度（约为质量的34%）溶解于红细胞溶胶中。6.2血红蛋白的结构与功能血红蛋白存在于血液的红细胞中。它是典型的寡聚体蛋白质，结构特点为。。。。。血红蛋白的功能为运输氧气，原因为它能结合和释放氧气（与氧气的可逆结合）。血红蛋白还能运输H+和CO2。6.2.1血红蛋白的结构6.2.1.1血红蛋白的亚基组成脊椎动物的血红蛋白是由4个多肽亚基组成。每种亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。成人血红蛋白主要是HbA,其亚基组成为α2β2HbA1c是HbA的葡糖基化形式，它的形成与血中的葡萄糖浓度有关。HbA1c在总Hb中的比例是在红细胞生活周期（约120天）内平均葡萄糖浓度的量度，临床上可做糖尿病人在两次就诊之间血糖控制的指标。血红蛋白的结构特点球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基两条α链，两条β链，α2β2含四个血红素辅基亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部血红蛋白的结构与功能6.2.1.2血红蛋白的三维结构X射线晶体学研究在原子水平上阐明了血红蛋白的三维结构:Hb分子近似球形。四个亚基占据相当于四面体的四个顶角β链（146个残基）；α链（141个残基）141个氨基酸残基位置中只有27个位置中的残基对于人的这三种多肽链(α、β和肌红蛋白)是共有的。6.2.2氧结合引起的血红蛋白构象变化6.2.2.1氧合作用显著改变Hb的四级结构X-射线晶体学分析表明，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著的不同。血红蛋白可看作由两个相同的二聚体半分子（12、21）组成；每个半分子可作为一个钢体移动。血红蛋白的结构与功能6.2.2.2血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换O2与血红蛋白的结合O2与血红蛋白的结合的实质是O2与亚铁离子的结合高铁血红蛋白（含Fe3+）不能结合O2。O2的结合改变了血红蛋白的构象O2的结合使亚铁离子的位置与卟啉环平面的关系发生改变（将亚铁离子拉回卟啉环平面，铁卟啉由圆顶状变成平面状）这一位移通过HisF8进一步影响蛋白质的构象和四级结构构象的改变影响影响肌红蛋白的生物功能血红蛋白的结构与功能血红素与氧结合后，铁原子半径变小，加之其他空间和化学键的变化，使铁原子进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。血红蛋白的结构与功能氧牵引亚铁离子接近卟啉平面血红蛋白构象的变化：当亚铁离子移动时，它同时拖动HisF8残基，进一步导致蛋白质的构象发生改变。血红蛋白的结构与功能四级结构的变化：氧的结合改变了1和2亚基之间的相互作用以及2和1亚基之间的相互作用；当血红素基氧合时，血红蛋白的两个半分子彼此滑移。6.2.2.3氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态T态（tensestate）去氧血红蛋白的主要构象R态（relaxedstate）氧合血红蛋白的主要构象血红蛋白的结构与功能HbT态和R态互变氧合血红蛋白的构象态：R态（松弛态，relaxedstate）去氧血红蛋白的构象态：T态（紧张态，tensestate）O2T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐键起着稳定作用,四个亚基的C-末端处于受束缚的状态。血红蛋白的结构与功能6.2.3血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧结合曲线）血红蛋白的氧合具有正协同性,同促效应。O2即是正常的配体，也是正同促效应物，或称正同促调节物。工作肌肉毛细血管中肺泡中p(O2)p(O2)（Y）100肌红蛋白80血红蛋白604020020406080100p(O2)/torr氧饱和百分数（Y）Hb+4O2Hb(O2)4])[Hb(O][Hb][O4242KHb(O2)4Hb+4O2解离平衡常数：血红蛋白的结构与功能Hb的氧分数饱和度方程为：KppY)(O)(O2424以Y对p(O2)作图，所得曲线即为前述S型曲线。KppY)(O)(O22[Hb]])[Hb(O])[Hb(O4242Y实际观察到的血红蛋白的氧结合曲线（蓝色）并不精确符合曲线a（紫色），这意味着Hb实际的氧分数饱和度方程中，p(O2)的指数不是4，近似等于2.8。这表明Hb和O2的结合不完全是全或无的现象。10080604020020P50406080100静脉血动脉血氧饱和度(%)氧分压(mmHg)HbKppY)(O)(O2n2n曲线a,n=4曲线b,n=1n≈2.8血红蛋白的结构与功能Hill图：将加以变换，得：两边取对数，得：以log(Y/(1-Y))对logp(O2)作图得到血红蛋白的Hill图KppY)(O)(O2n2nKpYY)(O12nKpYYlog)(Ologn)1log(2血红蛋白的结构与功能由实测数据得到的Hill图表明在氧分压极高和极低时，血红蛋白Hill曲线的斜率接近1，即蛋白各亚基间无协同性；在氧分压中间区域，Hill曲线的斜率接近3，即蛋白各亚基间具有很高的正协同性，但不是完全协同（斜率不是4）。如果曲线斜率小于1，则表明各亚基间有负协同性。log(Y/(1-Y))logp(O2)肌红蛋白、血红蛋白Hill图血红蛋白的结构与功能血红蛋白氧合协同性的作用：有利于血红蛋白更有效地运输氧气，增加血红蛋白运输氧气的效率10080604020020406080100肌肉肺泡氧饱和度(%)氧分压(mmHg)MbHb正协同效应(positivecooperativity)静脉血动脉血血红蛋白的结构与功能肌红蛋白与血红蛋白的氧合曲线有何不同？试解释之肌红蛋白为双曲线儿血红蛋白为“S”型曲线；这是因为：肌红蛋白为单体蛋白，在氧分压较低时即易于与氧结合；并随氧分压的增加逐渐达饱和；而血红蛋白为寡聚蛋白，在氧分压较低时难于与氧结合；血红蛋白的一个亚基在结合氧之后，其构像发生改变，由于其寡聚蛋白的协同效应，影响到其他亚基构像也发生改变，由“紧张型”转变为易于与氧结合的“松弛型”；“松弛型”的血红蛋白在氧分压有较小改变时，及与氧结合，并随氧分压的增加逐渐接近于饱和。6.2.4H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响血红蛋白与氧的结合受环境中其它分子的调节，如质子、二氧化碳和代谢物2,3-二磷酸甘油酸（BPG）等。它们与蛋白质的结合部位离血红素辅基很远，但却极大影响Hb的氧合性质。这种在空间上相隔的部位之间的相互作用在很多寡聚蛋白中存在，这就是别构效应。蛋白质结构与功能的关系协同效应（cooperativity）：一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中其他亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。别构效应（allostericeffect）：结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子的其它部位所产生的影响称为别构效应。6.2.4.1H+和CO2促进O2的释放（Bohr效应）CO2H2OH2CO3HHCO3+碳酸酐酶+-+HbO2H++HbH+O2+波尔效应具有重要意义6.2.4.2BPG降低Hb对O2亲和力BPG-2，3二磷酸甘油酸高负电荷的BPG分子通过与每个β链的Lysβ82（EF6）、Hisβ143(H21)和N-末端Valβ1(NA1)等残基的荷正电基团的静电相互作用结合于Hb分子上。BPG可与Hb结合。