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1、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
2、蛋白的三级结构 （1）长短不同的8条- 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
3、）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E7 His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
4、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,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,pO2,K + pO2,Y =,O2,p50,= K = 2.8 torr,Y = 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
5、；M.W.=68 000 Hb由四个亚基组成（二条亚基和二条亚基）； 亚基（141aa）比亚基（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- 和Hb- 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
6、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
7、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 + 4 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(O2)4,HbO24,K =,Hb +Hb(O2)4,Y =,=,O24,K + O24,O2,P4(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pO
8、2=20torr, YO2=0.25 Hb P50=26torr Hb 0.97-0.25=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（allosteric effect）。,蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋
9、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
10、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Hb F与BPG结合力比Hb A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
11、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 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6glu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,
