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1、34 第八章：蛋白质的结构和功能（12 学时）第一节：活性蛋白质与前体（pp277-285）活性蛋白质切去一个或几个肽段蛋白酶的限制性水解前体例如：酶原蛋白酶；激素原激素，或者：前激素原激素原激素一、激素与激素原（pp277-279）1提取和确定前体的方法：前体不表现生物活性，活性测定的方法无效。免疫复合物提取法（主要方法，例如胰岛素前体的提取），步骤如下：制备抗激素抗体：以激素作为抗原，注射到实验动物体内，待动物产生相应的抗体后，抽取血清，提取具有交叉反应性的抗激素抗体。找出无活性的蛋白质：利用激素原能和“抗激素抗体”形成免疫复合物的特性，将抗激素抗体与产生激素的腺体的组织匀浆混合，分离提取
2、免疫复合物，找出无活性的蛋白质，即为可疑的激素原。鉴定激素原：对这种无活性的蛋白质测序，与相应的激素的一级结构对比，就能推断是不是该激素的前体。重组 DNA 译码法：例如“前脑啡肽原”的确定2前体与激素在一级结构方面的关系：见227 页表 8-1 。前体部分序列与激素相同，或者说，激素的序列包含在前体的序列之中。胰岛素与前体1 胰岛素的分布、功能和来源：主要作用于肝、肌肉、脂肪组织，参与糖代谢，有平衡血糖的作用。作为糖尿病的特效药，在临床医学上广为应用。胰岛素原由胰腺中胰岛细胞产生。2 胰岛素的活化过程： （见 278 页图 8-1 和 8-2）前胰岛素原：信号肽 B-链 C-肽链 A- 链（
3、 105 肽）信号肽酶切下信号肽（ 24 肽）胰岛素原：B-链 C-肽链 A- 链（ 81 肽）类胰蛋白酶 +类羧肽酶切下Arg31, Arg32, Lys59, Arg60和 C 链胰岛素：胰岛素（ A- 链+B- 链） （21 肽+30 肽）3.C 肽的作用：便于生物合成；利于二硫键正确配对。4.信号肽的作用：在新生肽链的传送过程中起识别和导向的作用。脑啡肽与前体1 脑啡肽的分布和功能：脑啡肽存在于脑区，与脑细胞的专一性受体结合，对机体具有强烈的镇痛作用。2 脑啡肽的种类： 甲硫脑啡肽： Tyr-Gly-Gly-Phe-Met C 端为甲硫氨酸；亮脑啡肽：Tyr-Gly-Gly-Phe-L
4、eu C 端为亮氨酸。3 前脑啡肽原的一级结构特征：（见 280 页图 8-3 ）35 全长 267 个氨基酸残基（人体） ；信号肽段 1 个：位于124；甲硫脑啡肽 (MEK) 4 个：位于100104、107111、136140、210214；亮脑啡肽（ LEK ）1 个：位于 230234；甲七肽（ MEK-RK ）1 个：位于261267；甲八肽（ MEK-RGL ）1 个：位于189193；酶切位点（配对碱性残基）：三种（ Lys-Arg ；Lys-Lys；Arg-Arg ） ，12 个。4 脑啡肽结构与功能的关系：Tyr1：以甲氧基取代酚羟基，失去活性；前面加一个Arg，活性下降；
5、Gly2：改为 D-Ala （D 型丙氨酸），则镇痛作用大大提高；Gly3：为活性必需的，不能被取代；Phe4：可被 Trp 或者 N-CH3-Phe取代；但不能被Tyr 和 Leu 取代；Met5：去除则活性下降；延长一个Thr，则活性不变。二、酶与酶原（pp279-283）1.体内蛋白酶的来源和功能：胃和胰脏：产生消化食物蛋白质的酶；血液：产生导致血液凝固的蛋白酶。2.酶原的概念：酶的前体，含有酶的一级结构的氨基酸残基序列，但是由于多余肽段的存在，没有形成活化中心的立体结构（功能域），因而不具有催化活性。在生理活动需要时，在其他酶和/或因子的作用下，切去多余的肽段，形成酶。3.10 种酶原
6、激活的条件和过程：见 281 页，表 8-2。胰凝乳蛋白酶原的激活1 激活过程：（ 282 页，图 8-4）胰凝乳蛋白酶原：单链， 245 肽， 5 对二硫键胰蛋白酶Arg15Ile16 之间切断-胰凝乳蛋白酶：双链， 15 肽+230 肽，酶活性最高，但不稳定 -胰凝乳蛋白酶（自身激活）切开三处释放 2 个 2肽:Ser14-Arg15 ； Thr147-Asn148 -胰凝乳蛋白酶：三链： A 链、 B 链、 C 链，稳定，但活性较低2 活化中心的形成： （催化部位变化不大，结合部位从无到有）催化部位（ Asp102、His57、Ser195） ：酶原和酶的分子构象非常相似，活化中心的催化
7、部位具有相同的取向（282-283 页，图 8-5 A. 和 B.） 。结合部位（ 189192 位口袋）：是酶原中不存在的(283 页图 8-6） 。胰凝乳蛋白酶结合部位形成的机理：Ile16 氨基质子化： 15-16 切开后， Ile16 与 Asp194 羧基形成离子键。形成“口袋”结构：上述离子键的形成，引起一系列的构象变化：-Met192 从酶分子内部转移到分子表面，暴露疏水侧链；-Gly187 和 Gly193 伸展，形成疏水“口袋”，可与底物结合；-Ser195 和 Gly193 的亚氨基也与底物羰基氧形成氢键。36 胰蛋白酶原的激活1 激活过程：（ 284 页，图 8-7） （
8、提前教室画图）激活的地点：来自胰脏，在12 指肠激活。过程：在肠激酶或者胰蛋白酶的催化下，切下N 端 6 肽。2 连锁反应：（ 284 页，图 8-8） （提前教室画图）三、两类前体的不同功能（pp283-285）表 两类前体功能和结构的比较前体前激素原 /前酶原激素原 /酶原多余肽段的 生理作用：信号肽： 起识别和向导作用，将新 生肽输送到内质网，信号 肽切除后，肽段进入储存 场所分泌颗粒。多余肽段： 起阻碍活化中心或者活性 肽形成的作用， 是酶的无活 性储备形式， 接受生理功能 调节。多余肽段的 结构特征：信号肽： 数目： 1 个；位置：多肽链的N 端； 长度： 1530 个残基；残基：很
9、强的疏水性。多余肽段： 数目： 1 至多个；位置：末端或肽段的中部； 长度：或长或短；残基：切口处常有Arg,Lys 37 第二节：血红蛋白的结构与功能（pp285-299）一、概述（ pp285-285）1. 分布及功能存在于人和脊椎动物的红细胞中，是O2和 CO2的运载工具。2. 学科发展史上的贡献在结构和功能关系的研究上，它是研究得最清楚的蛋白质。3. 血红蛋白的种类和亚基的组成HbA ：22在成人体内为主要成分，占95% 以上；HbA2：22在成人体内为次要成分，占2 % 左右；HbF：22是胎儿的主要血红蛋白。二、血红蛋白的分子结构（pp285-291）血红蛋白一、二、三、四级结构1
10、. 一级结构特征： （以 HbA 为例）见286 页的图 8-9 链和 链有 60 处氨基酸残基是相同的，占42 %；链和 链与肌红蛋白有23 处相同，占16 %；2. 二、三级结构：链和 链与肌红蛋白三者的构象高度相似，走向相同（见图8-11） ；三者的差异见288 页表 8-4（以肌红蛋白作标准） 。3. 四级结构：（见 288 页的图 8-1）四聚体结构：为四面体排布（二面体对称），体积： 6.45.5 5 nm。亚基的接触：分为两种1/1或者（ 2/2） ：两条链之间有34 个残基的接触，共形成17-19 个氢键，接触面积较大，形成一个稳定的二聚体，不受O2结合作用的影响；1/2或者（
11、 2/1） ：两条链之间只有19 个残基的接触，接触面积较小，受O2结合作用的影响。能把两个二聚体联系成为一个四聚体。脱氧血红蛋白的亚基间的离子键（见289 页的图 8-13） ：总共 8 个1与2之间的离子键：两个末端离子键，两个链间的离子键；1或者 2的各自链内离子键一个，共两个；1与2之间离子键一个；2与1之间离子键一个。这种四聚体对氧分子的亲和力低于亚基，也低于氧合血红蛋白。脱氧血红蛋白亚基与DPG 间的离子键（见290 页的图 8-14 ） ：共 6 个DPG：是 2,3-二磷酸甘油醛的简称，位于四聚体的中央空穴中。离子键： DPG 带负电荷，与1和2上六个（每链三个）带正电荷的基团
12、形成离子键。作用：使脱氧血红蛋白四级结构更加稳定，降低对氧分子的亲和力。血红素、原卟啉、铁原子（见212 页 图 6-24 提前画图 ；291 页 图 8-15）1. 血红素：位于各亚基的疏水性空穴中，由一个原卟啉和一个铁原子组成。2. 原卟啉：由4 个吡咯基构成，呈扁平状，铁原子位于中央。3. 铁原子：通过2 个共价键和2 个配位键与原卟啉的4 个氮原子相连，另外还能形成 2 个具有非常重要生物功能的配位键，称为第5 配位键和第6 配位键。38 血红素与珠蛋白的结合、氧分子的结合位（291 页 图 8-15）血红素与珠蛋白的结合依靠来自E 和 F 螺旋上的E7 和 F8 位上的两个组氨酸：1
13、.第 5 配位键与 F8 组氨酸的相连： F8 位上的组氨酸距离血红素较近，直接以配位键与铁原子相连；2.第 6 配位键与 E7 组氨酸的相连： E7 位上的组氨酸距离血红素较远，不能直接与铁原子相连，因此在两者之间形成了一个空间；3.氧分子的结合位：上述的空间就是氧分子的结合位。氧分子在这个位置上的结合是一种可逆的结合过程。4.疏水性空穴：水分子可以障碍氧分子的结合。为了防水，珠蛋白为血红素构筑了一个防水的空穴。三、血红蛋白对氧分子的结合（pp291-292）1结合状态的决定因素：血红蛋白与氧分子的可逆结合主要取决与血液中的氧分压（PO2） ：在肺部，氧分压高：Hb + 4 O2 Hb(O2
14、)4； 在组织，氧分压低：Hb(O2)4 Hb + 4 O2 式中 Hb 成为脱氧血红蛋白；Hb(O2)4 称为氧合血红蛋白 （有时简写为HbO2） 。每个血红蛋白有四条肽链，故可以与四个氧分子结合。2铁原子的变价：在血红蛋白分子中，铁原子可以有二价与三价的变化：在 Hb 中，铁原子为亚铁：Fe2+；在 Hb(O2)4中，铁原子为三价铁：Fe3+。3血红蛋白氧饱和度（Y） ：%100子的氧结合部位总数血红蛋白应能结合氧分子的氧结合部位数血红蛋白上已结合氧分Y4血红蛋白的氧结合曲线（氧解离曲线）：坐标系： PO2为横坐标； Y为纵坐标：最低值为0% ，即全部为脱氧血红蛋白，最高值为100% ，即
15、全部为氧合血红蛋白。特征：肌红蛋白为双曲线型，血红蛋白为S型（ 见 292 页 图 8-16 ） 。四、血红蛋白的变构效应（pp292-293）1变构效应的概念：变构效应（ allosteric effect）指的是：在蛋白质分子中一个亚基由于与配子体（例如氧分子）的结合，导致亚基的构象发生变化，随之引起相邻亚基的构象和功能发生改变的现象。许多蛋白质和酶都具有变构效应。2血红蛋白的变构效应：书上的 Adair 模型的推导过程请同学自己看，不作要求。模型要点是：血红蛋白的4 个亚基（或者4 个氧结合位）之间有协同作用；这种协同作用使结合常数K1 K2 K3 K 4， 换句话说，对氧分子的结合，一
16、个比一个更容易，具体就表现为这种S 型曲线；在血红蛋白分子中，-亚基首先与氧分子结合，氧分子引起-亚基构象变化。这种构象变化使相邻的-亚基的构象随之发生变化，排除了-亚基氧分子结合部位的空间障碍，提高了-亚基对氧的亲和力。39 五、血红蛋白的变构过程（pp293-295）是实际测量结果加上推断得出理论假说。1铁原子和血红素的变化：原子半径的变化：在血红素中，铁原子由于其电子所占外层轨道的不同，而有高自旋和低自旋两种状态。在脱氧血红蛋白中，铁原子处于高自旋状态，半径大；在氧合血红蛋白中，铁原子处于低自旋状态，半径小。血红素构象的变化： （参见 294 页图 8-17）在脱氧状态，由于铁原子半径大，不能嵌合在卟啉环的中央小孔，而偏离原卟啉平面0.06 nm；当 O2与 Fe2+结合时，铁原子由高旋状态变成低旋状态，半径缩小13 %，于是
