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1、第六章 蛋白质的构造和功能蛋白质不是静止的分子，而是处于不停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，这种相互赖于与其它分子的相互作用，这种相互作用遭到蛋白质分子的构象变化的影响。作用遭到蛋白质分子的构象变化的影响。主要内容蛋白蛋白质质与配体的可逆与配体的可逆结结合合肌肌红红蛋白与血蛋白与血红红蛋白蛋白蛋白蛋白质质与配体与配体结结合的空合的空间间互互补补性性免疫球免疫球蛋白蛋白化学能化学能对对蛋白蛋白质质相互作用的影响相互作用的影响肌球蛋肌球蛋白与肌白与肌动动蛋白蛋白1 1、肌红蛋白、肌红蛋白肌红蛋白肌红蛋白
2、myoglobinmyoglobin，MbMb是哺乳动是哺乳动物细胞主要是肌细胞储存和分配氧的蛋物细胞主要是肌细胞储存和分配氧的蛋白质。白质。肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素构成，相对红素构成，相对MW=16700MW=16700，由，由153153个个AAAA残基。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称残基。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称为珠蛋白。为珠蛋白。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白肌红蛋白的构造肌红蛋白的构造1、肌、肌红红蛋白的三蛋白的三级级构造构造 1 长长短不同的短不同的8条条-螺旋螺旋组组成；成； 2 80%A
3、A处处于螺旋中于螺旋中 3 拐弯拐弯处为处为无无规规卷曲卷曲 4 肌肌红红蛋白中蛋白中4个个Pro各各处处于四个拐弯于四个拐弯处处； 5 分子非常分子非常严严密，密，仅仅能包容能包容4个水分子；个水分子； 6 亲亲水外部疏水内部水外部疏水内部蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白2、辅基血红素、辅基血红素 Fe原子被称为原卟原子被称为原卟啉啉IX9的有机分的有机分子固定的，共称血素子固定的，共称血素Heme，使血液，使血液呈红色。呈红色。Fe有六个配有六个配位键，其中四个与卟位键，其中四个与卟啉的吡咯环的啉的吡咯环的N原子原子相连。相连。Fe2+称亚铁称亚铁血
4、红素，血红素，Fe3+为高为高铁血红素，只需铁血红素，只需Fe2+的蛋白才干结的蛋白才干结合氧合氧肌红蛋白的构造肌红蛋白的构造蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白3、氧与肌、氧与肌红红蛋白的蛋白的结结合合Fe2+与珠蛋白的与珠蛋白的93位位 F8 His的咪的咪唑唑基基N相相连连；当构成氧合肌当构成氧合肌红红蛋白蛋白 oxy-myoglobin 时时，第，第6个配位个配位键键与氧与氧结结合；合；当成高当成高铁铁肌肌红红蛋白蛋白时时，第，第6配位配位键键被被H2O分子占据；分子占据；在氧在氧结结合一合一侧侧有一有一E7 His氧氧结结合部位构成空合部位构成空间
5、间位阻区位阻区肌红蛋白的构造肌红蛋白的构造蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白肌红蛋白与氧的结合肌红蛋白与氧的结合蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白MbMb多肽微环境的作用多肽微环境的作用固定血红素基。固定血红素基。维护血红素铁免遭氧化。维护血红素铁免遭氧化。为氧分子提供一个适宜的结合部位。为氧分子提供一个适宜的结合部位。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白氧的结合改动了肌红蛋白的构型氧的结合改动了肌红蛋白的构型肌红蛋白血红素与肌红蛋白血红素与氧结合后，铁原子氧结合后，铁原子从离卟啉环
6、平面上从离卟啉环平面上方方0.055nm0.055nm处，被处，被拉到离卟啉环平面拉到离卟啉环平面上方上方0.026nm0.026nm处。处。这对这对MbMb生物功能并生物功能并没有影响，但会影没有影响，但会影响响HbHb的性质。的性质。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白肌红蛋白氧合曲线MbO2Mb + O2MbO2MbO2K = MbO2Mb + MbO2Y = =O2K + O2O2pO2K + pO2Y = O2蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白肌红蛋白氧合曲线pO2K + pO2Y = O2p50= K = 2
7、.8 torrY = 0.5 双曲线型蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白肌红蛋白氧合曲线Hill图图logP50蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白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蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白细胞外表氧分压2 血红蛋白蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白血红蛋白的构造血红蛋白的构造 Hb分子近似球形；分子近似球形；M.W.=68 000 Hb由四个由四个亚亚基基组组成成 二条二条亚亚基和二条基和二条亚亚基基 ；
8、亚亚基基 141aa 比比亚亚基基 146aa 短，但都比肌短，但都比肌红红蛋白蛋白链链 153aa 短；短；这这主要是由于末端主要是由于末端H螺旋比螺旋比较较短；短； 4个血个血红红素分素分别别位于四条多位于四条多肽链肽链的的E和和F螺旋之螺旋之间间的裂隙的裂隙处处，并暴露于分子外表。，并暴露于分子外表。 Hb- 和和Hb- 及及Mb虽虽然三然三级级构造构造类类似，但其似，但其氨基酸序列却有很大的不同，氨基酸序列却有很大的不同，约约只需只需27个位置个位置是一是一样样的。的。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白血红蛋白血红蛋白4个血红素基分别位于每个多肽个
9、血红素基分别位于每个多肽链的链的E和和F螺旋之间的裂隙处，并暴露在螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的外表。分子的外表。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白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氧协作用显著改动血红蛋白的四级构造。氧协作用显著改动血红蛋白的四级构造。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白血红素铁血红素铁0.039nm0.039nm的的微小位移微小位移导致血红导致血红蛋白构象蛋白构象的改动。的改动。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蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌
10、红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白脱氧血红蛋白紧张态脱氧血红蛋白紧张态 氧合血红蛋白松驰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氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态。态。T T态和态和R R态态蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白氧合导致稳定氧合导致稳定T态的离子键和盐桥的断裂，血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。红蛋白的氧结合过程是一协同过程。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白血红蛋白结合氧的协同作用表示图血红蛋白结合氧的协同作用表示图蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合
11、肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白HbHb的氧结合曲线的氧结合曲线血血红蛋白是目前了解最清楚的蛋白是目前了解最清楚的别构蛋白构蛋白质，血血红蛋白的氧合具有正蛋白的氧合具有正协同效同效应，即一个，即一个O2O2的的结合会添加同一分子中其他空的氧合会添加同一分子中其他空的氧结合部位合部位对O2O2的的亲和力。和力。HbHb的氧合曲的氧合曲线呈呈S S形形而非双曲而非双曲线形。每个血形。每个血红蛋白分子有蛋白分子有4 4个血个血红素，因此最多只能素，因此最多只能结合合4 4分子氧，分子氧，现假定假定O2O2与与HbHb的的结合是合是“全或无的景象。全或无的景象。Hb + 4 O2Hb(O2)4蛋白蛋白
12、质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白Hb(O2)4HbO24K = Hb +Hb(O2)4Y = =O24K + O24O2P4(O2)K + P4(O2)Y = O2Hb(O2)4蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白HbHb的氧结合曲线的氧结合曲线蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白 肺泡中肺泡中pO2=100torr, YO2=0.97 毛毛细细管中管中pO2=20torr, YO2=0.25 Hb P50=26torr Hb 0.97-0.25=0.72 Mb 0.97-0.89=0.08
13、 协协同效同效应应添加血添加血红红蛋白在肌肉中卸蛋白在肌肉中卸O2效率。效率。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白Hill图图蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白H+H+、CO2CO2和和BPGBPG对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响血红蛋白与血红蛋白与O2O2的结合受环境中其他分子的的结合受环境中其他分子的影响，如影响，如H+H+、CO2CO2和和BPGBPG等。虽然它们在蛋等。虽然它们在蛋白质分子上的结合部位离血红素基很远，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但这些分子极大
14、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质。这种空间上相隔的部位之间的相互作用就是别构效应用就是别构效应allostericeffectallostericeffect。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白H+H+和和CO2CO2促进促进O2O2的释放的释放BohrBohr效应效应pH下降时，下降时，Hb的氧饱和曲线向右挪动。这的氧饱和曲线向右挪动。这种种pH对血红蛋白对氧的亲和力的影响被称为对血红蛋白对氧的亲和力的影响被称为Bohr效应。效应。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白Bohr效应生理意义：当
15、血液流经肌肉时，这里的当血液流经肌肉时，这里的pH较低，较低，CO2浓度较高，浓度较高，因此有利于血红蛋白释放因此有利于血红蛋白释放O2，使组织能比因单纯，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使血红蛋白与H+和和CO2结合，以补偿组织呼吸引结合，以补偿组织呼吸引起的起的pH降低；当血液流经肺时，由于氧分压高有降低；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利于血红蛋白与氧的结合因此而促进了H+和和CO2的释放，同时的释放，同时CO2的呼出又有利于氧合血红蛋白的呼出又有利于氧合血红蛋白的生成。的生成
16、。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白Bohr效应表示图效应表示图蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白BPGBPG降低降低HbHb对对O2O2的亲和力的亲和力BPG是是Hb的一个重要的一个重要别别构效构效应应物。物。Hb四聚体四聚体分子只需一个分子只需一个BPG结结合部位，位于由四个合部位，位于由四个亚亚基基缔缔合构成的中央孔穴内。合构成的中央孔穴内。BPG和两个和两个链链之之间间的离子的离子键键有助于有助于稳稳定去氧定去氧方式方式 T态态 的血的血红红蛋白构象，促蛋白构象，促进进氧的氧的释释放。放。人的某些生理性和病理性
17、的缺氧可以人的某些生理性和病理性的缺氧可以经过红经过红细细胞中胞中BPG浓浓度的改度的改动动来来调调理理对组织对组织的供氧的供氧量。量。胎儿胎儿红细红细胞中胞中Hb F与与BPG结结合力比合力比Hb A弱，弱，这这有助于胎儿从母体有助于胎儿从母体获获得得O2。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白H Hb b和和两两个个亚亚基基之之间间的的离离子子键键结结合合B BP PG G和和二二氧氧化化碳碳对对H Hb b氧氧合合曲曲线线的的影影响响BPG对Hb氧合曲线的影响胎胎儿儿和和成成人人的的血血红蛋蛋白白氧氧合合曲曲线镰刀状细胞贫血是分子病镰刀状细胞贫血是分子病
18、镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白病因：病因：患者的二条患者的二条链上的上的N-N-末端开末端开场的第的第6 6位位GluGlu被被ValVal所取代。所取代。Hb-SHb-S比比Hb-AHb-A负电荷减少，即荷减少，即电泳泳时向正极挪向正极挪动的速率下降。从三的速率下降。从三级构造上看，由构造上看，由于于6glu6glu位于分子外表，因此位于分子外表，因此HbSHbS外表多了一疏水外表多了一疏水侧链，血，血红蛋白的蛋白的对氧氧亲和力和和力和别构性构性质并不受并不受此影响，但此影响，但这一一变化化显著地降低了脱氧血著地降低了脱氧血红蛋白蛋白的溶解度。疏水的溶解度。疏水侧链与其互与其互补链之之间经过疏水作疏水作用而沉淀，用而沉淀，压迫迫细胞胞质膜，使其弯曲成膜，使其弯曲成镰刀外形。刀外形。用用氰酸酸钾处置置镰刀状的刀状的红细胞可以防止它在脱氧胞可以防止它在脱氧形状下构成形状下构成镰刀状。刀状。蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白镰刀状细胞血红蛋白可构成纤维状沉淀镰刀状细胞血红蛋白可构成纤维状沉淀蛋白蛋白质与配体的可逆与配体的可逆结合合肌肌红蛋白与血蛋白与血红蛋白蛋白
