第6章 蛋白质的结构和功能

第六章蛋白质的结构和功能蛋白质不是静止的分子，而是处于不停的运动之中。蛋白质的功能几乎总是依赖于与其它分子的相互作用，这种相互作用受到蛋白质分子的构象变化的影响。主要内容•蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白•蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白•化学能对蛋白质相互作用的影响——肌球蛋白与肌动蛋白1、肌红蛋白•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。•肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素构成，相对MW=16700，由153个AA残基。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称为珠蛋白。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白的结构1、肌红蛋白的三级结构（1）长短不同的8条α-螺旋组成；（2）80%AA处于螺旋中（3）拐弯处为无规卷曲（4）肌红蛋白中4个Pro各处于四个拐弯处；（5）分子十分紧密，仅能容纳4个水分子；（6）亲水外部疏水内部蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白2、辅基血红素Fe原子被称为原卟啉IX（9）的有机分子固定的，共称血素（Heme），使血液呈红色。Fe有六个配位键，其中四个与卟啉的吡咯环的N原子相连。Fe2+称亚铁血红素，Fe3+为高铁血红素，只有Fe2+的蛋白才能结合氧肌红蛋白的结构蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白3、氧与肌红蛋白的结合—Fe2+与珠蛋白的93位（F8）His的咪唑基N相连；—当形成氧合肌红蛋白（oxy-myoglobin）时，第6个配位键与氧结合；—当成高铁肌红蛋白时，第6配位键被H2O分子占据；—在氧结合一侧有一E7His氧结合部位形成空间位阻区肌红蛋白的结构蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与氧的结合蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Mb多肽微环境的作用•固定血红素基。•保护血红素铁免遭氧化。•为氧分子提供一个合适的结合部位。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白氧的结合改变了肌红蛋白的构型•肌红蛋白血红素与氧结合后，铁原子从离卟啉环平面上方0.055nm处，被拉到离卟啉环平面上方0.026nm处。这对Mb生物功能并没有影响，但会影响Hb的性质。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白氧合曲线MbO2Mb+O2[MbO2][Mb][O2]K=[MbO2][Mb]+[MbO2]Y==[O2]K+[O2]O2pO2K+pO2Y=O2蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白氧合曲线pO2K+pO2Y=O2p50=K=2.8torrY=0.5双曲线型蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白氧合曲线Hill图logP50蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白氧合曲线2静脉血中氧分压线粒体中氧分压蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白细胞表面氧分压2血红蛋白蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白血红蛋白的结构◇Hb分子近似球形；M.W.=68000◇Hb由四个亚基组成（二条α亚基和二条β亚基）；◇α亚基（141aa）比β亚基（146aa）短，但都比肌红蛋白链（153aa）短；这主要是因为末端H螺旋比较短；◇4个血红素分别位于四条多肽链的E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露于分子表面。◇Hb-α和Hb-β及Mb虽然三级结构相似，但其氨基酸序列却有很大的不同，约只有27个位置是相同的。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白•血红蛋白4个血红素基分别位于每个多肽链的E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白氧结合引起的血红蛋白构象变化•氧合作用显著改变血红蛋白的四级结构。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白•血红素铁0.039nm的微小位移导致血红蛋白构象的改变。氧结合引起的血红蛋白构象变化蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白脱氧血红蛋白（紧张态）氧合血红蛋白（松驰态）•氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态。（T态和R态）蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白•氧合导致稳定T态的离子键和盐桥的断裂，血红蛋白的氧结合过程是一协同过程。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白血红蛋白结合氧的协同作用示意图蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Hb的氧结合曲线•血红蛋白是目前了解最清楚的别构蛋白质，血红蛋白的氧合具有正协同效应，即一个O2的结合会增加同一分子中其余空的氧结合部位对O2的亲和力。Hb的氧合曲线呈S形而非双曲线形。每个血红蛋白分子有4个血红素，因此最多只能结合4分子氧，现假定O2与Hb的结合是“全或无”的现象。Hb+4O2Hb(O2)4蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白[Hb(O2)4][Hb][O2]4K=[Hb]+[Hb(O2)4]Y==[O2]4K+[O2]4O2P4(O2)K+P4(O2)Y=O2[Hb(O2)4]蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Hb的氧结合曲线蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白◇肺泡中pO2=100torr,YO2=0.97◇毛细管中pO2=20torr,YO2=0.25◇HbP50=26torr◇Hb0.97-0.25=0.72Mb0.97-0.89=0.08◇协同效应增加血红蛋白在肌肉中卸O2效率。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Hill图蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响•血红蛋白与O2的结合受环境中其他分子的影响，如H+、CO2和BPG等。虽然它们在蛋白质分子上的结合部位离血红素基很远，但这些分子极大的影响血红蛋白的氧合性质。这种空间上相隔的部位之间的相互作用就是别构效应（allostericeffect）。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白H+和CO2促进O2的释放（Bohr效应）•pH下降时，Hb的氧饱和曲线向右移动。这种pH对血红蛋白对氧的亲和力的影响被称为Bohr效应。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Bohr效应生理意义：•当血液流经肌肉时，这里的pH较低，CO2浓度较高，因此有利于血红蛋白释放O2，使组织能比因单纯氧分压降低获得更多的氧，但同时氧的释放又促使血红蛋白与H+和CO2结合，以补偿组织呼吸引起的pH降低；当血液流经肺时，由于氧分压高有利于血红蛋白与氧的结合因此而促进了H+和CO2的释放，同时CO2的呼出又有利于氧合血红蛋白的生成。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Bohr效应示意图蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白BPG降低Hb对O2的亲和力•BPG是Hb的一个重要别构效应物。Hb四聚体分子只有一个BPG结合部位，位于由四个亚基缔合形成的中央孔穴内。•BPG和两个β链之间的离子键有助于稳定去氧形式（T态）的血红蛋白构象，促进氧的释放。•人的某些生理性和病理性的缺氧可以通过红细胞中BPG浓度的改变来调节对组织的供氧量。•胎儿红细胞中HbF与BPG结合力比HbA弱，这有助于胎儿从母体获得O2。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白Hb和两个β亚基之间的离子键结合BPG和二氧化碳对Hb氧合曲线的影响BPG对Hb氧合曲线的影响胎儿和成人的血红蛋白氧合曲线镰刀状细胞贫血是分子病•镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白病因：患者的二条β链上的N-末端开始的第6位Glu被Val所取代。Hb-S比Hb-A负电荷减少，即电泳时向正极移动的速率下降。从三级结构上看，由于β6glu位于分子表面，因此HbS表面多了一疏水侧链，血红蛋白的对氧亲和力和别构性质并不受此影响，但这一变化显著地降低了脱氧血红蛋白的溶解度。疏水侧链与其互补链之间通过疏水作用而沉淀，压迫细胞质膜，使其弯曲成镰刀形状。用氰酸钾处理镰刀状的红细胞可以防止它在脱氧状态下形成镰刀状。蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白•镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白主要内容•蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白•蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白•化学能对蛋白质相互作用的影响——肌球蛋白与肌动蛋白肌红蛋白与血红蛋白•为什么Mb与Hb能结合氧？铁原子只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。Mb或Hb蛋白质提供疏水洞穴，固定血红素基，保护血红素铁免遭氧化，为氧提供一个结合部位。结合氧只发生暂时电子重排。•Mb与Hb结构上的相同与不同之处是什么？α链、β链和Mb的三级结构非常相似只要功能相同（都与氧结合），高级结构就相似，有时甚至是唯一的。Hb与Mb结构上最大不同在于血红蛋白有四级结构，是四聚体，，而肌红蛋白只有三级结构。血红蛋白运载氧能力增强，还能运载H+和CO2，在氧分压变化不大范围内完成载氧和卸氧工作。且Hb为变构蛋白，可受环境中其他分子，如H+，CO2和2，3-二磷酸甘油酸（BPG）的调节。•协同效应与别构效应氧与血红蛋白结合是协同进行的，具有正协同性同促效应，即一个氧分子与Hb结合，使同一Hb分子中其余空的氧结合部位对氧亲和力增加，再结合第二、三、四个氧分子则比较容易。H+，CO2和BPG与Hb结合部位离血红素基甚远，是通过别构效应调节Hb与氧的结合。pH降低（H+增加），CO2压力增加均降低血红蛋白对氧亲和力，促进血红蛋白释放氧；反之高浓度氧又促使脱氧血红蛋白释放H+和CO2。（Bohr效应）BPG降低Hb对氧亲和力。•镰刀型贫血病血液中含大量镰刀形红细胞HbS，没有足够可承担输氧的正常圆形细胞HbA。镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。氨基酸测序发现HbA与HbS区别在于β-链上6-位Glu（HbA）变为Val（HbS），结果由于疏水相互作用，β-链上6-Val与1-Val接近，使血红蛋白分子从扁平状压缩变形，形成细长聚集体红细胞，构成镰刀形，与氧结合力降低。免疫球蛋白（Immunoglobulin，Ig）蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白•1、免疫球蛋白是指具有抗体（antibody）活性，或化学结构与抗体相似的球蛋白。一般情况下，免疫球蛋白指的就是抗体。•2、抗体具有两个显著特点：高度的特异性和庞大的多样性。蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白一、基本概念•3、抗原(antigen,Ag)是一类能诱导免疫系统发生免疫应答，并能与免疫应答的产物(抗体或效应细胞)发生特异性结合的物质。抗原具有免疫原性和反应原性两种性质。•4、免疫原性是指抗原刺激机体后，机体免疫系统能形成抗体或致敏T淋巴细胞的特异性免疫反应。•5、反应原性是指产生的抗体或致敏T淋巴细胞能与抗原进行特异性结合的免疫反应。蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白•6、既具免疫原性又具反应原性的抗原称免疫原。某种物质之所以能成为一个良好的免疫原，是因为它有特异的化学结构，这就是抗原决定簇。抗原决定簇可以与相应的淋巴细胞表面的受体蛋白结合引起免疫应答。一个抗原决定簇只能激活一种淋巴细胞(对于B细胞)只刺激产生一种类型抗体。一个抗原可以有一个或多个抗原决定簇。抗原决定簇少，抗体与抗原结合就少，往往就见不到反应。天然抗原或复杂的半抗原决定簇往往多达几十个，因此可以与很多抗体分子交互结合。蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白•7、有些分子本身没有免疫原性，不能引起免疫反应，但是如果把它们和某些载体分子，如蛋白质分子结合起来就有了免疫原性，就能使动物对这一复合分子产生特异的抗体。这种本身无免疫原性，但有反应原性，一旦把它与载体结合就有了免疫原性的物质，就称半抗原或不完全抗原。蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白二、IgG的结构•IgG是呈Y型结构的球蛋白。蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白—轻链：25KD，214个氨基酸残基—重链：50KD，450-570个氨基酸残基蛋白质与配体结合的空间互补性——免疫球蛋白根据组成多肽链的大小可分为轻链（Lightchain,L）和重链（Heavychain,H）