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1、第第6章章 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌红蛋白肌红蛋白(Myoglobin, Mb)血红蛋白血红蛋白(Hemoglobin, Hb)与氧分子的结合与氧分子的结合 氧合曲线氧合曲线 氧结合引起的血红蛋白构象变化氧结合引起的血红蛋白构象变化血红蛋白分子病（血红蛋白分子病（镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病 ）蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌红蛋白肌红蛋白血红蛋白血红蛋白存在存在肌肉肌肉血液（红细胞）血液（红细胞）形状形状扁平的棱形扁平的棱形近似球形近似球形功能功能与氧结合，贮存和分配氧与氧结合
2、，结合并转运氧与氧结合，结合并转运氧三维结构三维结构单体蛋白质：三级结构单体蛋白质：三级结构一一条条多多肽肽链链（153个个氨氨基基酸酸残基）残基）8个个-螺旋单链组成螺旋单链组成寡聚蛋白质：四级结构寡聚蛋白质：四级结构四条多肽链：四条多肽链：两条两条链（链（141个残基）；个残基）；两条两条链（链（146个残基）个残基）每条链为每条链为8个个-螺旋组成螺旋组成血红素辅基血红素辅基结合位点结合位点1个个,一一条条多多肽肽链链的的疏疏水空隙内水空隙内4个个,每每条条多多肽肽链链的的疏疏水空隙内水空隙内对对氧氧的的亲亲和和力力更大（饱和程度高）更大（饱和程度高）大大氧合曲线氧合曲线双曲线双曲线S型
3、曲线型曲线肌红蛋白与血红蛋白结构和功能的比较肌红蛋白与血红蛋白结构和功能的比较蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件Kendrew J.C. （1917-）英国生物物理和分子生）英国生物物理和分子生物学家，在物学家，在1957年和年和1960年用年用X衍射分析了衍射分析了肌红肌红蛋白蛋白的三维结构。的三维结构。Perutz M.F.（1914-）澳大利亚裔英国分子生物）澳大利亚裔英国分子生物学家，在学家，在1938年和年和1960年用年用X衍射分析了衍射分析了血红蛋血红蛋白白的分子结构。的分子结构。1962年因他们对球蛋白研究的突出贡献而获得诺年因他们对球蛋白研究的突出贡
4、献而获得诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。P252和和258蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件1 肌红蛋白肌红蛋白（Myoglobin）哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质；哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质；功能是功能是结合氧结合氧，并，并使氧在肌肉中扩散使氧在肌肉中扩散；由一条肽链和一个由一条肽链和一个血红素辅基血红素辅基构成的球状结构；构成的球状结构；全链共有全链共有8段段螺旋，单结构域螺旋，单结构域；亲水基团多在外层，疏水基团多在分子内部；亲水基团多在外层，疏水基团多在分子内部；血红素辅基位于疏水洞穴中；血红素辅基位于疏水洞穴中；血红素辅基能结合氧。血红素辅基能结合氧。蛋白质结构与功能
5、的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件93（F8）His蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件4个吡咯环通过甲叉桥连接而成个吡咯环通过甲叉桥连接而成;4个甲基、个甲基、2个乙烯基、个乙烯基、2个丙酸基个丙酸基血红素：原卟啉血红素：原卟啉与与Fe的络合物的络合物铁原卟啉铁原卟啉血红素血红素辅基辅基蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件结合方式：结合方式：O2Fe ()原卟啉原卟啉蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关
6、系优秀课件O2与肌红蛋白的结合与肌红蛋白的结合蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件CO中毒的机理中毒的机理CO与与O2 竞争血红素的结合部位。竞争血红素的结合部位。肌红蛋白中的血红素对肌红蛋白中的血红素对CO的亲和力比的亲和力比O2 约大约大250倍。倍。Danger : 0.06%0.08%Dead: 0.1%空间位阻空间位阻CO中毒的机理中毒的机理蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件CCC蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌红蛋白中肌红蛋白中O2与血红素的结合与血红素的结合蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功
7、能的关系优秀课件2 血红蛋白血红蛋白(hemoglobin)功能是在血液中结合并功能是在血液中结合并转运氧转运氧；成人血红蛋白主要是成人血红蛋白主要是HbA，由由2个个-亚基，亚基，2个个-亚基亚基组成组成每个亚基由一条多肽链与一个每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基血红素辅基组成；组成；蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件a2b2(四聚体四聚体)蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件血红蛋白的结构血红蛋白的结构蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌红蛋白与血红蛋白三级结构的比较肌红蛋白与血红蛋白三级结构的比较蛋白质结构与功
8、能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件146153141蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件每个亚基的每个亚基的三级结构都与肌红蛋白相似三级结构都与肌红蛋白相似，但一级结构相差较大。但一级结构相差较大。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件IdentitybetweenHba andHbb: 50%NumberofidentityAAsamongMb,Hba andHbb: 27蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件3 与氧分子的结合与氧分子的结合3.1 氧合
9、曲线氧合曲线1 1个个肌红蛋白分子肌红蛋白分子含有含有1 1个氧个氧结合部位，能合部位，能够结合合1 1个个O O2 2；血血红蛋白分子能蛋白分子能够结合合4 4个个O O2 2。氧饱和度氧饱和度（Y Y） 作作图：饱和度（和度（Y Y）作）作纵坐坐标，氧分，氧分压（POPO2 2）作横坐）作横坐标。 肌肌红蛋白蛋白-双曲双曲线；血血红蛋白蛋白-S-S形曲形曲线。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌红蛋白肌红蛋白氧合曲线为氧合曲线为双曲线双曲线,血红蛋白血红蛋白为为S形形肌红蛋白肌红蛋白血红蛋白血红蛋白P50=2.8P50=26torr1torr133.3Pa蛋白质结
10、构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌肌红蛋白蛋白-双曲双曲线： 单体蛋白质，只含有一个配基（单体蛋白质，只含有一个配基（ O O2 2）的结合部位，即活的结合部位，即活性部位，分子内部不存在活性部位之间的相互作用。性部位，分子内部不存在活性部位之间的相互作用。有利于释放更多的氧。有利于释放更多的氧。血血红蛋白蛋白-S-S形曲形曲线： 寡聚蛋白质，寡聚蛋白质，亚基之间（或氧结合部位之间）存在着相互亚基之间（或氧结合部位之间）存在着相互作用作用。 开始时，与氧结合的能力很小开始时，与氧结合的能力很小一旦与氧结合，三级结构一旦与氧结合，三级结构发生了发生了变化变化 其余亚基结合能力
11、加强其余亚基结合能力加强 有利于结合更多的氧。有利于结合更多的氧。 蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件当一个亚基与氧结合后，会引起四级结构的变当一个亚基与氧结合后，会引起四级结构的变化，使其它亚基对氧的亲和力增加，结合加化，使其它亚基对氧的亲和力增加，结合加快。反之，一个亚基与氧分离后，其它亚基快。反之，一个亚基与氧分离后，其它亚基也易于解离。这种现象称也易于解离。这种现象称正协同性正协同性。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肌红蛋白和血红蛋白对氧亲合性的差异形肌红蛋白和血红蛋白对氧亲合性的差异形成了一个成了一个有效的将氧从肺部运到肌肉的氧有
12、效的将氧从肺部运到肌肉的氧转运系统转运系统。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件肺中氧分压肺中氧分压组织中氧分压组织中氧分压在高在高PO2下如肺部，血红蛋白几乎被饱和了；下如肺部，血红蛋白几乎被饱和了；在肌肉中，在肌肉中，PO2低，血红蛋白对氧亲和性低，将氧低，血红蛋白对氧亲和性低，将氧释放出来起到转运氧的作用，释放出的氧被肌红释放出来起到转运氧的作用，释放出的氧被肌红蛋白结合。蛋白结合。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件3.2 氧结合引起的血红蛋白构象变化氧结合引起的血红蛋白构象变化3.2.1 亚基组成亚基组成血红蛋白的血红蛋白的4个亚基沿着
13、个亚基沿着2个个亚基之间与亚基之间与2个个亚基之间呈亚基之间呈双重对称轴排布，两个双重对称轴排布，两个亚基之间与两个亚基之间与两个亚基之间均亚基之间均有空隙，形成中心空穴。有空隙，形成中心空穴。 蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件3.2.2别构效应别构效应：（变构效应变构效应）蛋白质与配基结合改变了蛋白质的构象，进而改变蛋白质的蛋白质与配基结合改变了蛋白质的构象，进而改变蛋白质的生物活性。生物活性。X-X-射射线晶体晶体结构分析法揭示：构分析法揭示：紧张态（紧张态（T态）态）松弛态（松弛态（R态）态）去氧血红蛋白去氧血红蛋白氧合血红蛋白氧合血红蛋白（tense sta
14、te）（relaxed state）蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件3.2.3 原理原理 辅基血红素辅基血红素结合方式：结合方式：O2Fe ()原卟啉原卟啉4个吡咯环通过甲叉桥连接而成个吡咯环通过甲叉桥连接而成4个甲基、个甲基、2个乙烯基、个乙烯基、2个丙酸基个丙酸基血红素：原卟啉血红素：原卟啉与与Fe的络合物的络合物铁原卟啉铁原卟啉蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白
15、质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件 氧合作用显著改变氧合作用显著改变Hb的四级结构，血红素铁的的四级结构，血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换（从微小移动导致血红蛋白构象的转换（从T态态R态）态）蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件去氧血红蛋白中各亚基间的盐桥去氧血红蛋白中各亚基间的盐桥蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件3.2.4 BPG 、 H+和和CO2对血红蛋白对血红蛋白结合氧的影响结合氧的影响别构作用别构作用（allost
16、eric interaction） ：有些小分：有些小分子物质可专一地与蛋白质可逆结合，使蛋白质的结子物质可专一地与蛋白质可逆结合，使蛋白质的结构和功能发生变化。构和功能发生变化。这些小分子称为这些小分子称为别构效应剂别构效应剂。别构蛋白别构蛋白：这种活性受到别构效应剂调节的蛋白。：这种活性受到别构效应剂调节的蛋白。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件 波尔效应波尔效应波尔效应波尔效应(Bohr effect)(Bohr effect)定义定义：CO2浓度的增加及相应的浓度的增加及相应的pH降低，使血降低，使血红蛋白氧亲和力下降的现象。红蛋白氧亲和力下降的现象。 肺肺(
17、pH7.6)肌肉肌肉等组织等组织(pH7.2)蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件Or 2, 3 - Bisphosphoglycerate (BPG)2，3一二磷酸甘油酸一二磷酸甘油酸对对Hb氧合的影响氧合的影响2，3-二磷酸甘油酸（二磷酸甘油酸（2，3BPG或或DPG）是血红蛋是血红蛋白的别构效应剂，白的别构效应剂，BPG降低血红蛋白对氧的亲和力。降低血红蛋白对氧的亲和力。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件与与链形成盐桥，链形成盐桥，有有助于稳定脱氧态血助于稳定脱氧态血红蛋白构象红蛋白构象蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系
18、优秀课件在无在无DPG时时，大约，大约20torr时，时，血红蛋白几乎被饱和了血红蛋白几乎被饱和了，不，不能将氧卸载给肌红蛋白；能将氧卸载给肌红蛋白；在有在有DPG时时，使血红蛋白对氧亲和性降低使血红蛋白对氧亲和性降低，释放氧。，释放氧。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件氧的氧的S形曲线结合形曲线结合，Bohr效应效应以及以及BPG效应物的效应物的调节调节使得血红蛋白的输氧能力达到最高效率。使得血红蛋白的输氧能力达到最高效率。由于能在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，因由于能在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，因此此使机体的氧水平不致有很大的起伏使机体的氧水平不致有很大的
19、起伏。血红蛋白血红蛋白使机体内的使机体内的pH也维持在一个比较稳定的也维持在一个比较稳定的水平水平。血红蛋白的别构效应充分反应了它的生物学适应血红蛋白的别构效应充分反应了它的生物学适应性，结构与功能的高度统一性。性，结构与功能的高度统一性。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件4 血红蛋白分子病血红蛋白分子病分子病分子病 ：由于基因突变导致蛋白质一级结构突变，使蛋：由于基因突变导致蛋白质一级结构突变，使蛋白质功能下降或丧失，而产生的疾病被称为分子病。白质功能下降或丧失，而产生的疾病被称为分子病。分子病是可以遗传的。分子病是可以遗传的。血红蛋白分子病：血红蛋白分子病： 或或
20、链发生了变化，如镰刀状细胞贫血病。链发生了变化，如镰刀状细胞贫血病。 缺少缺少或或链，如链，如-和和-地中海贫血病。地中海贫血病。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件美国化学家及和平主义者。美国化学家及和平主义者。1940年阐明了生物大分子中分子间力的特点。年阐明了生物大分子中分子间力的特点。1949年他通过对年他通过对镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病的研究首先提出的研究首先提出分子病分子病的概念。的概念。1951年提出了蛋白质结构的年提出了蛋白质结构的螺旋螺旋模型。模型。1954年因他对化学键的研究并将其用于解释生物大分子的年因他对化学键的研究并将其用于解释生物大分子
21、的结构而获得诺贝尔化学奖。结构而获得诺贝尔化学奖。Pauling L.C.（1901-1994）蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件 镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病(sickle-cell anemia）蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病 （sickle-cell anemia） 镰刀状细胞镰刀状细胞贫血病患者贫血病患者 正常人正常人 Red cell count 2.6106/ml 4.66.2106/ml Hemoglobin content 8g/100ml 1418g/100ml HbA（adulthe
22、moglobin）HbS（sickle-cellhemoglobin）蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件1954年年指纹图谱（指纹图谱（fingerprint）HbAHbS胰蛋白酶胰蛋白酶28个肽段个肽段28个肽段个肽段双向滤纸双向滤纸层析层析-电泳电泳蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件HbA -链链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHbS -链链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys 电泳电泳层析层析蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件病因：病因：-亚基（亚基（
23、-链）第链）第6位的氨基酸残基不同：位的氨基酸残基不同：G1uR侧链是带负电荷的侧链是带负电荷的亲水亲水基团，基团，Val R侧链是不带电荷的侧链是不带电荷的疏水疏水基团。基团。取代使原来血红蛋白分子表面的取代使原来血红蛋白分子表面的电荷发生了改变电荷发生了改变。等电点改变，溶解度降低，产生纤维沉淀等电点改变，溶解度降低，产生纤维沉淀，从而压迫细，从而压迫细胞质膜，使扁圆形的红细胞变成镰刀形。胞质膜，使扁圆形的红细胞变成镰刀形。不易通过毛细血管，运输氧的功能下降，导致组织缺血不易通过毛细血管，运输氧的功能下降，导致组织缺血受伤，严重的可以致死。受伤，严重的可以致死。蛋白质结构与功能的关系优秀课
24、件蛋白质结构与功能的关系优秀课件病人病人血红蛋白血红蛋白链第六位谷氨酸突变为缬氨酸链第六位谷氨酸突变为缬氨酸，这个，这个氨基酸位于分子表面，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，氨基酸位于分子表面，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，使红细胞容易破裂，发生溶血。使红细胞容易破裂，发生溶血。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件治疗性矫正治疗性矫正用氰酸钾处理红细胞用氰酸钾处理红细胞使使HbS分子的一个分子的一个N-末端区缬氨酸的氨基被修饰，就能末端区缬氨酸的氨基被修饰，就能“矫正矫正”它的构象，抑制镰刀状的发生，使分子重新它的
25、构象，抑制镰刀状的发生，使分子重新获得输氧能力。获得输氧能力。蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件 地中海贫血病地中海贫血病病因：病因： 缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因；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所有基因都可能存在，但一个或多个基因发生无义突变无义突变，结果产生缩短了的蛋白链；结果产生缩短了的蛋白链； 或发生或发生移码突变移码突变，致使合成的链含不正确的氨基酸序列；，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转录被阻断或前体mRNA的不正确加工。的不正确加工。种类：种类： 地中海贫血地中海贫血 地中海贫血地中海贫血蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件名词解释名词解释等电点（等电点（pI，isoelectric point）蛋白质的一级结构（蛋白质的一级结构（primary structure)镰刀状细胞贫血病（sickle-cell anemia） 蛋白质结构与功能的关系优秀课件蛋白质结构与功能的关系优秀课件
