第六章 蛋白质的结构与功能第六章 蛋白质的结构与功能1.纤维蛋白的结构与功能纤维蛋白的结构与功能2.肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能3.抗体的结构与功能抗体的结构与功能4.肌动蛋白，肌球蛋白和分子马达肌动蛋白，肌球蛋白和分子马达1. 纤维蛋白的结构与功能纤维蛋白的结构与功能1.角蛋白1.角蛋白2.丝蛋白丝蛋白3.胶原蛋白胶原蛋白结构：简单规则的线性结构；功能：支持，保护特点：高抗拉强度结构：简单规则的线性结构；功能：支持，保护特点：高抗拉强度1.1. 角蛋白（角蛋白（-Keratin）结构）结构初原纤维初原纤维原丝原丝卷曲螺旋卷曲螺旋左手螺旋左手螺旋毛发、角、爪毛发、角、爪4股初原纤维组成了股初原纤维组成了中间丝中间丝Evolved for strength！1. 结构简单（螺旋）结构简单（螺旋）2. 富含疏水氨基酸（富含疏水氨基酸（Ala，Val，Leu，Ile，Met，Phe ）3. 富含二硫键富含二硫键烫发是生物工程烫发是生物工程1.2. 丝心蛋白丝心蛋白silk fibroin1. 全为全为反平行反平行折叠折叠2. 富含富含Ala和和Gly抗张强度大；柔软但不能拉伸。
抗张强度大；柔软但不能拉伸Electron micrograph of spider spinnerets1.3. 胶原蛋白（胶原蛋白（collagen）存在于肌腱 ，软骨，角膜存在于肌腱 ，软骨，角膜1. 三股左手螺旋三股左手螺旋右手紧密盘绕成右手紧密盘绕成coiled coil(卷曲螺旋卷曲螺旋)2. 氨基酸序列：氨基酸序列：Gly-X-Pro或或Gly-X-HyPro重复序列（一圈）重复序列（一圈）3. 螺旋间共价键连接螺旋间共价键连接抗拉强度大于同等截面的钢铁抗拉强度大于同等截面的钢铁！胶原蛋白（胶原蛋白（collagen）的结构）的结构Gly被替换后果很严重！被替换后果很严重！Gly胶原纤维胶原纤维赖氨酸赖氨酸和和5-羟赖氨酸羟赖氨酸使胶原蛋白共价连接成胶原纤维使胶原蛋白共价连接成胶原纤维胶原蛋白在水中煮沸就转变为明胶胶原蛋白在水中煮沸就转变为明胶(gelatine）1.角蛋白1.角蛋白: 螺旋螺旋，2股左手缠绕成股左手缠绕成coiled coil，纤维间二硫键连接；，纤维间二硫键连接；2.丝蛋白：丝蛋白：折叠折叠，Gly-Ala,规则紧密，柔软但无弹性；规则紧密，柔软但无弹性；3.胶原蛋白：胶原蛋白：左手螺旋左手螺旋，3股右手缠绕成股右手缠绕成coiled coil，Gly-X-Y,纤维间共价连接。
纤维蛋白小结纤维间共价连接纤维蛋白小结共同点：结构规则简单，抗拉强度大共同点：结构规则简单，抗拉强度大2. 肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能肌红蛋白血红蛋白肌红蛋白血红蛋白结合蛋白结合蛋白：结合有：结合有辅助因子辅助因子的蛋白质；的蛋白质；辅基：辅基：结合蛋白的非蛋白部分结合蛋白的非蛋白部分脱辅基蛋白（脱辅基蛋白（apoprotein）：）：除去辅基的结合蛋白除去辅基的结合蛋白2.1. 肌红蛋白含有一个血红素辅基肌红蛋白含有一个血红素辅基许多蛋白质可结合非蛋白质性质的许多蛋白质可结合非蛋白质性质的小分子（如金属离子、维生素等小分子（如金属离子、维生素等），共同发挥作用这些），共同发挥作用这些小分子往往位于活性中心小分子往往位于活性中心，是蛋白质功能所必需的是蛋白质功能所必需的血红素血红素原卟啉铁原卟啉铁2.2. 血红素（血红素（heme）辅基可以可逆地结合氧）辅基可以可逆地结合氧血红素的血红素的Fe2可以结合可以结合O2，Fe3不能结合不能结合O22.3.肌红蛋白是含一个血红素的单链球蛋白肌红蛋白是含一个血红素的单链球蛋白153残基（残基（16，700D）游离的血红素游离的血红素Fe2+可以被可以被O2不可逆地氧化为不可逆地氧化为Fe3+;血红蛋白或肌红蛋白避免了这一氧化反应的发生。
血红蛋白或肌红蛋白避免了这一氧化反应的发生2.4.蛋白蛋白-配基相互作用的定量描述配基相互作用的定量描述结合常数结合常数许多蛋白通过与其它分子可逆相互作用发挥功能与蛋白许多蛋白通过与其它分子可逆相互作用发挥功能与蛋白可逆可逆结合的分子称为结合的分子称为配基（配基（ligand）蛋白上与配基相互作用的位点称为蛋白上与配基相互作用的位点称为结合位点（结合位点（binding site），通常具有很高专一性通常具有很高专一性 配基结合的分数配基结合的分数, 即结合配基的蛋白占总蛋白的比例即结合配基的蛋白占总蛋白的比例2.4. 蛋白蛋白-配基相互作用的定量描述配基相互作用的定量描述用解离常数取代结合常数用解离常数取代结合常数Kd 1/KaL at = 0.5, corresponds to 1/Ka氧浓度正比于氧分压氧浓度正比于氧分压肌红蛋白紧密结合肌红蛋白紧密结合O2，with P50of only 0.26 kPa双曲线双曲线1个标准大气压是个标准大气压是100kPa一些蛋白的解离常数一些蛋白的解离常数结合紧密的蛋白质与配基的解离常数在结合紧密的蛋白质与配基的解离常数在m或或nm数量级2.5. 蛋白结构影响辅基的结合特性蛋白结构影响辅基的结合特性KdO2/KdCO：20,000倍倍at free；200倍倍in protein原因：原因：空间位阻空间位阻氢键氢键2.5. 蛋白结构影响辅基的结合蛋白结构影响辅基的结合O2与肌红蛋白或血红蛋白中血红素的结合依赖于与肌红蛋白或血红蛋白中血红素的结合依赖于蛋白蛋白“呼吸呼吸”。
血红素深埋于蛋白质中，如果蛋白是刚性的，血红素深埋于蛋白质中，如果蛋白是刚性的，O2无法到达血红素，残基分子运动产生无法到达血红素，残基分子运动产生瞬时的通道瞬时的通道，使氧通过因此，蛋白构象的微小变化也可能对蛋白活性有很大影响使氧通过因此，蛋白构象的微小变化也可能对蛋白活性有很大影响蛋白是柔性的，特别位点的构象变化往往对蛋白的功能至关重要，有时被称为蛋白是柔性的，特别位点的构象变化往往对蛋白的功能至关重要，有时被称为“呼吸（呼吸（breath）”2.6. 血液中的血红蛋白负责将氧输送到组织细胞血液中的血红蛋白负责将氧输送到组织细胞红细胞是特化的细胞，无细胞核，含红细胞是特化的细胞，无细胞核，含34（干重）血红蛋白（干重）血红蛋白动脉血中，动脉血中，96是氧合血红蛋白；静脉血中，是氧合血红蛋白；静脉血中，64是氧合血红蛋白因此，在组织中释放了是氧合血红蛋白因此，在组织中释放了1/3的氧的氧肌红蛋白的氧合能力对氧的分压变化不敏感肌红蛋白的氧合能力对氧的分压变化不敏感,主要起在组织中储存氧气的作用双曲线主要起在组织中储存氧气的作用双曲线2.7. 血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构很相似血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构很相似血红蛋白亚基与肌红蛋白的序列相似性血红蛋白亚基与肌红蛋白的序列相似性、：、：50identity与肌红蛋白：与肌红蛋白：20identity2.8. 血红蛋白由四个亚基组成血红蛋白由四个亚基组成11221与与1：30个个残基相互作用残基相互作用1与与2：19 个残基相互作用个残基相互作用低浓度尿素使血红蛋白四聚体解离成低浓度尿素使血红蛋白四聚体解离成11和和22两个异二聚体两个异二聚体2.9. 结合氧后，血红蛋白的四级结构发生很大变化结合氧后，血红蛋白的四级结构发生很大变化T态 （态 （T state）：）：脱氧时的主要构象 ，对氧的亲和力较低；脱氧时的主要构象 ，对氧的亲和力较低；R态（态（R state）：）：结合氧时的主要构象，对氧的亲和力高较；构象变化主要发生在结合氧时的主要构象，对氧的亲和力高较；构象变化主要发生在12和和21界面界面离子对离子对2.9. 结合氧后，血红蛋白的四级结构发生很大变化结合氧后，血红蛋白的四级结构发生很大变化T态到R态的转变是由于血红素周围几个关键残基的位置变化引起的T态到R态的转变是由于血红素周围几个关键残基的位置变化引起的2.10. 血红蛋白对氧的结合具有血红蛋白对氧的结合具有协同性协同性氧分压：肺 13.3 kPa组织 4 kPaS形曲线是协同效应的标志。
单结合位点的单亚基蛋白不可能形成形曲线是协同效应的标志单结合位点的单亚基蛋白不可能形成S (sigma)形结合曲线形结合曲线2.11. 解释协同效应的两个模型：解释协同效应的两个模型：齐变模型和序变模型齐变模型和序变模型齐变模型：齐变模型：所有亚基都取同一构象；所有亚基都取同一构象；序变模型：序变模型：各亚基可以取不同的构象各亚基可以取不同的构象A Simple Sequential ModelConcerted Model协同效应模式图解协同效应模式图解2.12. 血红蛋白是一个别构蛋白血红蛋白是一个别构蛋白别构蛋白别构蛋白：配基在一个结合位点的结合会引起构象变化，从而影响其它结合位点对配基的亲和力（提高或降低）配基在一个结合位点的结合会引起构象变化，从而影响其它结合位点对配基的亲和力（提高或降低）Sigma形结合曲线是别构蛋白的特征，它使得蛋白形结合曲线是别构蛋白的特征，它使得蛋白对配基浓度做出敏感反应对配基浓度做出敏感反应，在许多多亚基蛋白的功能中起重要作用在许多多亚基蛋白的功能中起重要作用From Heriot-Watt University 2001 Enzyme atcivity can be allosterically controlled 别构效应也是酶活力调控的一种机制例：天冬氨酸转氨甲酰酶例：天冬氨酸转氨甲酰酶(Aspartate transcarbamoylase ATCase) 产物产物CTP是其别构抑制剂是其别构抑制剂2.13. 血红蛋白还运送H和CO2细胞呼吸产生二氧化碳细胞呼吸产生二氧化碳碳酸酐酶碳酸酐酶血红蛋白运输血红蛋白运输40的的H和约和约20的的CO2Bohr效应：低效应：低pH和高和高CO2浓度浓度降低降低血红蛋白对氧的血红蛋白对氧的结合能力结合能力，高，高pH和低和低CO2浓度提高血红蛋白对氧的结合能力，这一现象称为浓度提高血红蛋白对氧的结合能力，这一现象称为Bohr效应效应。
2.14. H+使血红蛋白的构象向使血红蛋白的构象向T态移动态移动H使使His HC3质子化而形成盐键，稳定了质子化而形成盐键，稳定了T态2.15. 血红蛋白还可与血红蛋白还可与CO2结合结合 CO2与亚基的与亚基的N端氨基结合，使蛋白端氨基结合，使蛋白氨甲酰化氨甲酰化 CO2的结合的结合释放一个释放一个H，同时，同时形成新的盐键形成新的盐键，进一步稳定了，进一步稳定了T态构象，促使态构象，促使O2的释放2.16. 血红蛋白与血红蛋白与O2的结合还受到的结合还受到2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(BPG)的调节的调节BPG可稳定血红蛋白的可稳定血红蛋白的T态，降低其对氧的亲和力胎儿的血红蛋白中，态，降低其对氧的亲和力胎儿的血红蛋白中， 亚基取代亚基取代 亚基，形成亚基，形成 2 2 2 2四聚体，它与四聚体，它与BPG的结合能力大为降低，从而提高了与氧的亲和力的结合能力大为降低，从而提高了与氧的亲和力正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图镰刀形红细胞镰刀形红细胞正常红细胞正常红细胞蛋白质一级结构的变异导致的分子病蛋白质一级结构的变异导致的分子病2.17. 镰刀型贫血原因：血红蛋白基因发生了变化镰刀型贫血原因：血红蛋白基因发生了变化症状是发烧和肌肉疼痛症状是发烧和肌肉疼痛血红蛋白在人群中大约有血红蛋白在人群中大约有500 多个遗传型，大多为一个氨基酸的差异。
只有少数遗传型功能异常而导致疾病同一蛋白的不同基因型被称为多个遗传型，大多为一个氨基酸的差异只有少数遗传型功能异常而导致疾病同一蛋白的不同基因型被称为等位基因等位基因一个个体可以有两个相同的等位基因一个个体可以有两个相同的等位基因(纯合子纯合子)，。