血红蛋白与肌红蛋白课件ppt

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1、第4节蛋白质结构与功能的关系 一 肌红蛋白的结构与功功能 二 血红蛋白的结构与功能 三 血红蛋白与分子病 四 免疫系统和免疫球蛋白 五 肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩 六 蛋白质的结构与功能的进化 一 肌红蛋白的结构与功能 一 肌红蛋白的三级结构 二 辅基血红素 三 02与肌红蛋白的结合 四 02的结合改变肌红蛋白的构象 五 肌红蛋白结合氧的定量分析 一 肌红蛋白的三级结构 肌红蛋白由一条153个氨基酸组成的肽链和一个血红素辅基组成 分子量为17800 肌红蛋白的三级结构是由一簇八个a 螺旋组成的 螺旋之间通过一些片段连接 肌红蛋白中的四分之三氨基酸残基都处于a 螺旋中 尽管肌红蛋白中的高螺

2、旋含量不是球蛋白结构中的普遍现象 但肌红蛋白的一些结构还是代表了球蛋白的典型结构特征 肌红蛋白的内部几乎都是由疏水氨基酸残基组成的 特别是一些疏水性强的氨基酸 如缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸和蛋氨酸 而表面既含有亲水的氨基酸残基 也含有疏水的氨基酸残基 通常水分子被排除在球蛋白内部 大多数可离子化的残基都位于表面 血红素辅基处于一个由蛋白部分形成的疏水的 象个笼子似的裂隙内 血红素中的铁原子是氧结合部位 无氧的肌红蛋白称之脱氧肌红蛋白 而载氧的分子称之氧合肌红蛋白 可逆结合氧的过程称之氧合作用 抹香鲸肌红蛋白 Myoglobin 的三级结构 二 辅基血红素 血红素 血红素中的Fe可以是亚

3、铁 也可以是高铁 相应的血红素称为亚铁血红素和高铁血红素 相应的蛋白称为亚铁和高铁血红蛋白 只有亚铁态的蛋白质才能结合氧 三 02与肌红蛋白的结合 卟啉铁和F8 93 His 近侧 的咪唑N结合 底6和配位键和O2结合 O2和四吡咯环呈60度倾斜 高铁肌红蛋白中水代替O2填充该部位 氧结合是一个空间位阻区域E7His 远侧 的咪唑环与Fe原子的距离远 不发生作用 但与分子O2能紧密接触 被结合的O2在His 近侧 的咪唑N和Fe原子之间 空间位阻的意义游离在溶液中的铁卟啉结合CO的能力比O2大25000倍 但在肌红蛋白中 仅比O2大250倍 原因是由于空间位阻造成的 这样可以防止代谢过程中产生

4、的CO占据O2的结合部位 疏水环境的意义通常O2与Fe 接触会使Fe 氧化为Fe 血红素也是一样 但在肌红蛋白内部 由于疏水的环境 Fe 不易被氧化 微环境的作用 固定血红素基 保护血红素铁免遭氧化 为O2提供一个合适的结合部位 四 02的结合改变肌红蛋白的构象 去氧血红蛋白中的Fe 只有 个配体 并位于卟啉环上方 nm 当氧结合时 Fe 被拉回到卟啉环平面 离卟啉环平面仅为0 026nm 这种结构的改变对肌红蛋白意义不大 但显著的改变了血红蛋白的性质 改变了四聚体的亚基间的作用 是之具有别构作用 五 肌红蛋白结合氧的定量分析 1 氧分数饱和度 Y 携氧肌红蛋白分子数和去氧肌红蛋白以及携氧肌红

5、蛋白分子数的比值 当Y为1时 所有的肌红蛋白被氧饱和 2 P50肌红蛋白被半数饱和时的氧分压 3 线粒体中的氧浓度为0 10torr 静脉血中为15torr 或更高一些 肌红蛋白P50为2torr 因此大多数情况下 肌红蛋白是高度氧合的 如果由于肌肉收缩而使线粒体中氧含量下降 它可以立即供氧 4 肌红蛋白有利于氧从细胞内表面向线粒体转运 细胞内表面10torr Y为80 线粒体1torr Y为25 二 血红蛋白的结构与功能 一 血红蛋白的结构 二 氧结合引起的血红蛋白构象的变化 三 血红蛋白的协同性氧结合 Hb氧结合曲线 四 H CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响 一 血红蛋白的结构 1 血

6、红蛋白的亚基组成 2 血红蛋白的三维结构 血红蛋白的主要功能是在血液中结合并转运氧 它存在于红细胞中 每个成熟红细胞约含3亿个血红蛋白分子 血红蛋白从肺部经心脏到达外围组织的动脉血中有96 氧饱和度 在静脉血中的饱和度为64 因此 每100ml的血经过组织约释放1 3的氧或相当于大气压和体温下6 5ml氧气 1 血红蛋白的亚基组成 血红蛋白有两种4个亚基组成人在不同发育阶段血红蛋白亚基的种类是不相同 2 血红蛋白的三维结构 图6 8血红蛋白中亚基的排列A正面观B侧面观 图6 9血红蛋白 链和 链和肌红蛋白构象的相似性 二 氧结合引起的血红蛋白构象的变化 1 氧合血红蛋白显著改变Hb的四级结构

7、2 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换 3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态 1 氧合血红蛋白显著改变Hb的四级结构 图6 10血红蛋白半分子 二聚体的侧面观 装配接触 1 1和相同的 2 2接触 涉及螺旋B G H和非螺旋段GH拐弯的30多个残基 接触面大 对亚基的装配很重要 当血红蛋白从去氧变为氧合形式时它们不变 滑动接触 1 2和相同的 2 1接触 涉及螺旋C G H和非螺旋段FG拐弯的19个残基 当血红蛋白因氧合作用而发生构象变化时 这些接触也发生改变 作为动态构象分子 血红蛋白可以看作是 二聚体的二聚体 也可以看作是相同的二聚体半分子组成 1 1 亚基和 2 2 亚基

8、对 每个 二聚体作为钢体移动 当血红素基氧合时 分子的两个二聚体半分子彼此滑动 如果一个 二聚体固定不动 则另一个 二聚体将绕一个设想的 二聚体的偏心枢轴旋转约15 并平移0 08nm 去氧血红蛋白 氧合血红蛋白 2 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换 3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态 1 T态 紧张态 和氧的亲和力高 是氧合血红蛋白的形式 2 R态 松弛态 和氧的亲和力底 是去氧血红蛋白的形式 氧与一个处于T态的亚基结合后 转变为R态 原因是稳定T态的作用力被破坏 三 血红蛋白的协同性氧结合 Hb氧结合曲线 四 H CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响 1 H 和CO2促

9、进氧的释放 Bohr效应 降低Hb对氧的亲和力 1 H 和CO2促进氧的释放 Bohr效应 Bohr效应Bohr效应的意义 降低Hb对氧的亲和力 图6 19BPG对Hb氧合曲线的影响 2020 5 21 29 可编辑 图6 18BPG分子接及其与Hb的两个 链的离子结合 三 血红蛋白与分子病 一 分子病是遗传的 二 镰刀状细胞贫血病 三 其他血红蛋白病 四 地中海贫血 一 分子病是遗传的 血红蛋白的异常由基因突变引起 并通过遗传在群体中散布 这是血红蛋白进化的基础 但是许多突变是有害的 将产生遗传病 geneticdisease 在自然选择的条件下这些有害的突变最终将会消失 其他许多是无害的

10、经常被称为 中性 突变 neutralmutation 其中一些突变可能具有今天尚未被认识的优点 有朝一日将在群体中占优势 至今已知存在人类群体中的血红蛋白遗传变体 variant 有300多种 二 镰刀状细胞贫血病 1 镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 2 镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化 3 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀 4 镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正 在1904年 芝加哥的jamesHerrick发现在一个患有贫血病的病人的正常细胞之中存在着许多异常的镰刀形细胞 右图 Herrick将这种血液病称之镰刀形细胞贫血病 1 镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的

11、它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子中氨基酸残基被更换所造成的 镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病 它的纯合子患者 50 红细胞镰刀状化 有的在童年就死去 杂合子患者 1 红细胞镰刀状化 的寿命虽也不长 但它能抵抗一种流行于非洲的疟疾 malaria 它也是一种致死性疾病 甚至对于携带正常血红蛋白基因的纯合子个体死于这种疟疾的概率也很高 常常来不及繁殖后代就已死去 而杂合子患者对疟疾有一定的抗性 尚能繁衍下一代 这是因为杂合子患者加速被感染红细胞的破坏而中断疟原虫的生活周期的缘故 自然选择的结果是出现一个等位基因的群体 它使纯合状态的有害作用和杂合状态的抗疟疾作用处于平衡中 这是平衡多形现象的一

12、个明显实例 2 镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化 大约花费了四十多年的时间才确定镰刀形细胞贫血病是血红蛋白内氨基酸替换的结果 序列分析发现 贫血病人血红蛋白 HbS 分子中的 链的第六个氨基酸残基是一个非极性的缬氨酸 而正常的HbA分子中的 链的第六个氨基酸残基是谷氨酸 这一替换是由编码 链的基因中的单个核苷酸取代引起的 3 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀 在 1亚基的第85和88氨基酸为Phe和Lue 形成一个疏水的口袋 而 2上的Val形成一个凸起 他们相互缔合使血红蛋白分子结合在一起 溶解度降低 4 镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正 在体外用氰酸钾处理镰刀状贫血病患者的红细胞

13、可以防止它在去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 C02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 目前关于抗镰刀状化的药物研究给出了某些希望 通过适当的生物化学工程手段 可望设i十出一种不仅能防止HbS镰刀状化而且对体内其他蛋白质无毒害的 安全的药物 三 其他血红蛋白病 1 突变发生在血红蛋白表面 镰刀状贫血 2 突变发生在血红素辅基附近 3 突变发生在特异的部位 4 突变发生在亚基界面上 2 突变发生在血红素辅基附近 这种突变影响血红素与氧的

14、结合 或影响亚基与血红素的结合 因而失去氧合能力 例如造成先天性青紫的几种血红蛋白M就是属于这一类 它们大多数是由于其他氨基酸取代了血红素附近的重要残基如近侧组氨酸 F8 或远侧组氨酸 E7 等而形成 例如lHbM是Hisa58 F8 突变为酪氨酸的结果 由于Tyr残基的酚基与Fe结合稳定Fe3十离子 因而血红蛋白的异常的a链失去氧合能力 3 突变发生在特异的部位 例如由一个具有大侧链的残基取代了一个小侧链残基 因而造成空间位阻 影响正确的三级结构形成 例如HbRiverdale Bronx a2 225Gly Arg 由于 螺旋间的疏水作用 多肤链的一三级折叠变得紧密稳定 使水在蛋白质中无处

15、容身 在此例中 链的Gly 25 B7 为精氨酸所取代 原三级结构没有足够的空间来安排这样一个大的极性侧链 因而三级结构被扭曲而不稳定 影响血红素的必需环境 也影响四级结构的形成 4 突变发生在亚基界面上 四级结构中亚基的相互作用是血红蛋白氧合的别构调节所必需的 例如HbKempsey a2 225Asp Asn 链的Asp99 G1 突变为天冬酰胺 在正常的血红蛋白中Asp 99与a链的Tyra42 C7 形成氢键 稳定T态构象 图6一23 但换成Asn则不能与Tyra42形成氢键以建立T态 因此 HbKempsey对02的亲和力特别高 以致在组织中不能释放02 HbKansasa2 210

16、2Asn Thr的情况恰好相反 Asn 102 G4 为苏氨酸所取代 不能再与a链的Aspa94 G1 形成氢键以建立R态 结果是对02的亲和力异常低 四 地中海贫血 地中海贫血症可以由几条途径产生 缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因 所有基因都可能存在 但一个或多个基因发生无义突变 结果产生缩短了的蛋白链 或发生移码突变致使合成的链含不正确的氨基酸序列 所有基因都可能存在 但突变发生在编码区之外 导致转录被阻断或前体mRNA的不正确加工 1 地中海贫血 2 a 地中海贫血 1 地中海贫血 如果 珠蛋白基因丢失或不能被表达 此缺损的纯合子个体将产生最严重的症状 它们不能制造 链 必需依赖胎儿 链的连续产生以形成有功能的血红蛋白 a2 2在染色体上占基因与 基因挨得很近 因而经常会同时失去 和 链 虽然在这样的个体中 链的产生可以继续到童年 但多数不到成熟就夭折了 杂合子患者症状较轻 这种人有一个 基因仍是正常的 在这些所谓 地中海贫血 或称 地中海贫血性状 中 链的产生受到限制 但不完全被关闭 2 a 地中海贫血 涉及a链的地中海贫血有着更加复杂的情况 因为在每个染色体上有两个邻接的拷