《25蛋白质的结构与功能2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《25蛋白质的结构与功能2（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生生 物物 化化 学学赵 艳 玲2010蛋白质的生物功能是以其蛋白质的生物功能是以其化学组成化学组成和和空间结构空间结构为基础的。为基础的。蛋白质的空间构象取决于其蛋白质的空间构象取决于其一级结构一级结构和和周围环境周围环境。第五节第五节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质功能的多样性一、蛋白质功能的多样性二、血红蛋白的结构二、血红蛋白的结构六、氨基酸序列与生物学功能六、氨基酸序列与生物学功能五、免疫球蛋白五、免疫球蛋白四、血红蛋白分子病四、血红蛋白分子病三、血红蛋白的功能：转运氧三、血红蛋白的功能：转运氧1. 1. 催化催化2. 2. 调节调节3. 3. 转运转运4. 4
2、. 贮存贮存5. 5. 运动运动6. 6. 结构成分结构成分7. 7. 支架作用支架作用8. 8. 防御和进攻防御和进攻一、蛋白质功能的多样性一、蛋白质功能的多样性二、血红蛋白的结构二、血红蛋白的结构血血红红蛋蛋白白（hemoglobinhemoglobin，HbHb）的的主主要要功功能能是是在在血血液液中中结结合合并并转运氧气。转运氧气。红红细细胞胞成成熟熟期期间间产产生生大大量量的的HbHb（含含3 3亿亿个个HbHb），HbHb以以高高浓浓度度（约约3434）溶溶于于红红细细胞胞溶溶胶胶中中。动动脉脉血血中中HbHb约约为为96%96%氧氧饱饱和和度度，静静脉脉血血中中则则为为64%64
3、%。向向组组织织释释放放6.5mlO6.5mlO2 2/100ml/100ml血液。血液。某某些些过过渡渡金金属属的的低低氧氧态态（FeFe2+2+和和CuCu+ +）具很强的结合氧倾向。）具很强的结合氧倾向。肌肌红红蛋蛋白白血血红红蛋蛋白白家家族族中中FeFe由由原原卟卟啉啉固固定定。原原卟卟啉啉是是四吡咯环系统。四吡咯环系统。1.1.血红素血红素ChlorophyllHemoglobin原原卟卟啉啉与与铁铁的的络络合合物物铁铁原原 卟卟 啉啉 称称 血血 红红 素素（hemeheme）。）。FeFe有有6 6个个配配位位键键，其其中中4 4个个与与四四吡吡咯咯环环的的N N原原子子相相连连
4、，另另两两个个分分布布于于卟卟啉啉环环面面的的上下。上下。肌肌 红红 蛋蛋 白白 （ myoglobinmyoglobin，MbMb）是是哺哺育育动动物物细细胞胞主主要要是是肌肌细细胞胞贮贮存存和和分分配配氧氧的的蛋蛋白白质。质。除除去去血血红红素素辅辅基基的的肌肌红红蛋蛋白白称称为为珠珠蛋蛋白白，与与血血红红蛋蛋白白的的亚亚基基在在氨氨基基酸酸序序列列上上具具有有明明显的同源性。显的同源性。2.2.珠蛋白的三级结构珠蛋白的三级结构 pMbMb分分子子中中多多肽肽主主链链由由长长短短不不一一的的8 8段段直直的的螺螺旋旋组组成成，8 8段段螺螺旋旋分分别别命命名名为为A A、B B、C C、H
5、 H，相相应应的的非非螺螺旋旋肽肽段段称为称为NANA、ABAB、HCHC。p8 8个个螺螺旋旋段段大大体体上上组组装装成成两两层层，构构成成肌肌红红蛋蛋白白的的单单结结构构域。拐弯处域。拐弯处螺旋受到破坏。螺旋受到破坏。pMbMb的的整整个个分分子子致致密密结结实实，分分子子内内部部只只有有能能容容纳纳4 4个个水水分子的空间。分子的空间。O O2 2与与MbMb的结合的结合 MbMb中中血血红红素素铁铁在在第第5 5配配位位键键与与珠珠蛋蛋白白第第9393位位HisHis的的咪咪唑唑N N结结合合，当当MbMb成成为为MbOMbO2 2时时，第第6 6配配位位被被O O2 2占占据据，但但
6、去去氧氧后后第第6 6配配位位位位置空着。置空着。在在血血红红素素基基的的氧氧结结合合部部位位一一侧侧，还还有有另另一一个个HisHis残残基基（第第6464位位），与与氧氧分分子子能能紧紧密密接接触触。被被结结合合的的氧氧分分子子夹夹在在HisHis咪咪唑唑环环N N和和FeFe原子之间。氧结合部位是一个原子之间。氧结合部位是一个空间位阻区域空间位阻区域。游游离离在在溶溶液液中中的的铁铁卟卟啉啉结结合合COCO比比结结合合O O2 2强强25 25 000000倍倍（b b），但但在在肌肌红红蛋蛋白白中中血血红红素素对对COCO的的亲亲和和力力仅仅比比O O2 2约约大大250250倍倍。这
7、这里里COCO的的直直线线结结合合受受到到阻阻碍碍主主要要是是远远侧侧HisHis的的空空间间位位阻阻造造成的。成的。3 3、与、与O O2 2结合的机制结合的机制O O2 2的结合改变的结合改变MbMb的构象的构象在在去去氧氧MbMb中中FeFe离离子子只只有有5 5个个配配体体，并并位位于于离离卟卟啉啉环环平平面面上上方方0.06nm0.06nm处处，铁铁卟啉呈卟啉呈圆顶状圆顶状。当当与与O O2 2结结合合时时，铁铁离离子子被被拉拉回回到到离离卟卟啉啉环环平平面面只只有有0.02nm0.02nm处处，铁铁卟卟啉啉变变成成平面状平面状。O2F8Histidine空间排斥空间排斥Feme4.
8、Hb4.Hb的四级结构的四级结构亚基缔合亚基缔合-中央空穴，中央空穴，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）结合部位二磷酸甘油酸）结合部位亚基之间的相互作用区域。亚基之间的相互作用区域。HbHb的亚基组成的亚基组成脊脊椎椎动动物物的的HbHb由由4 4个个多多肽肽亚亚基基组组成成，两两个个亚亚基基，两两个个亚亚基基。每每个个亚亚基基都都有有一一个个血血红红素素基和一个氧结合部位。基和一个氧结合部位。胎胎儿儿血血红红蛋蛋白白（HbHb F F）对对氧氧的的亲亲和和力力增增高高，能能有有效效地地通通过过胎胎盘从母体的血循环中吸收氧。盘从母体的血循环中吸收氧。不同种属的不同种属的HbHb氨基酸序列中有氨基酸
9、序列中有9 9个位置的残基是共有的，这个位置的残基是共有的，这些高度保守的残基对些高度保守的残基对HbHb的功能有着特殊重要的意义。的功能有着特殊重要的意义。HbHb内部非极性氨基酸残基的位置变化较大，但只是一种疏水内部非极性氨基酸残基的位置变化较大，但只是一种疏水残基被换成另一种疏水残基，分子内部的疏水特性总是被保残基被换成另一种疏水残基，分子内部的疏水特性总是被保留下来。留下来。1.1.氧结合显著改变氧结合显著改变HbHb的四级结构的四级结构HbOHbO2 2与与HbHb在在四四级级结结构构上上有有显显著著不不同同，特特别别是是亚亚基基的的相相互作用发生变化。互作用发生变化。三、血红蛋白的
10、功能：转运氧三、血红蛋白的功能：转运氧接触接触 装配接触装配接触(1 11 1 和和2 22 2) ) 滑动接触滑动接触(1 12 2和和2 21 1) )762.2.血红素铁的微小移动导致血红素铁的微小移动导致HbHb构象的转换构象的转换氧合过程中铁原子位移引发的构象改变氧合过程中铁原子位移引发的构象改变 Fe2+移动时，拖动移动时，拖动HisF8残残基基,并进而引起螺旋并进而引起螺旋F和拐弯和拐弯EF和和FG的的位移。这些移动传位移。这些移动传递到亚基的界面，引发构象递到亚基的界面，引发构象的重调，导致四级结构的改的重调，导致四级结构的改变。（变。（TR）F HelixFemeFeF8Hi
11、stidineO2EFFG3.HbO3.HbO2 2与与HbHb代表不同的构象态代表不同的构象态血红蛋白存在两种主要的构象：血红蛋白存在两种主要的构象： T T态（紧张态）和态（紧张态）和R R态（松弛态）态（松弛态）O O2 2对对R R态的亲和力明显高于态的亲和力明显高于T T态，并且氧的结合稳定态，并且氧的结合稳定R R态。态。O O2 2与与一一个个处处于于T T态态的的血血红红蛋蛋白白亚亚基基结结合合将将引引发发构构象象由由T T态态转转变变为为R R态。态。有些小分子物质（配基）可专一地与蛋白质可逆有些小分子物质（配基）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，这种现
12、结合，使蛋白质的结构和功能发生变化，这种现象称为象称为别构效应别构效应。4.BPG4.BPG降低降低HbHb对对O O2 2的亲和力的亲和力BPG在脱氧Hb中的结合位点DBG binding siteBPGBPG与与HbHb的的相相互互作作用用属属于于异促别构调节异促别构调节。BPGBPG把把两两个个链链交交联联在在一一起起，稳稳定定HbHb的的T T态态构构象象，促进氧的释放。促进氧的释放。BPG对对Hb的变构效应物功能的变构效应物功能BPGBPG浓浓度度的的调调节节（浓浓度度升升高高）对对肺肺中中O O2 2的的结结合合影影响响不不大大，但对组织中但对组织中O O2 2的释放影响不小。的释
13、放影响不小。BPGBPG是血红蛋白的是血红蛋白的负效应物负效应物。BPGBPG（2,3-2,3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸）通通过过与与它它的的两两个个亚亚基基形形成成盐盐键键稳稳定定了了血血红红蛋蛋白白的的脱脱氧氧态态的的构构象象，因因而而降降低低脱脱氧氧血血红红蛋蛋白白的氧亲和力。的氧亲和力。（1 1）高山适应和肺气肿的生理补偿变化：）高山适应和肺气肿的生理补偿变化：BPGBPG升高。升高。（2 2）血库储血时加入肌苷可防止）血库储血时加入肌苷可防止BPGBPG水平的下降。水平的下降。5.5. H H+ +、COCO2 2促进促进O O2 2的释放的释放BohrBohr效应：效应：pHpH下
14、降使得下降使得HbHb的氧分数降低。的氧分数降低。BohrBohr效应具有重要的生理意义。效应具有重要的生理意义。四、血红蛋白分子病四、血红蛋白分子病（一）分子病是遗传的（一）分子病是遗传的除除精精子子和和卵卵子子之之外外，人人的的所所有有细细胞胞在在正正常常情情况况下下均均为为二二倍倍体体，存存在在等等位位基基因因。基基因因的的改改变变导导致致其其指指导导的的蛋蛋白白质质结结构构和和功功能能的改变。的改变。与有缺陷的与有缺陷的HbHb有关的疾病有关的疾病（1 1）血红蛋白病：由于）血红蛋白病：由于或或链发生了变化链发生了变化（2 2）地中海贫血：由于缺少了）地中海贫血：由于缺少了或或链链（二
15、）镰刀状细胞贫血病（二）镰刀状细胞贫血病（sickle-cell anemiasickle-cell anemia）红红细细胞胞脱脱氧氧时时，镰镰刀刀状状细细胞胞明明显显增增加加。不正常的不正常的HbHb称为称为HbSHbS。1.1.镰刀状细胞贫血病由镰刀状细胞贫血病由HbHb突变引起突变引起镰镰刀刀状状细细胞胞贫贫血血病病是是一一种种致致死死性性疾病，但它能抵抗疟疾。疾病，但它能抵抗疟疾。2.HbS2.HbS氨基酸序列的细微变化氨基酸序列的细微变化 -链链N端氨基酸排列顺序端氨基酸排列顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 Hb-A（正常人）正常人） Val-His-Leu-Thr-Pro-G
16、lu-Glu-Lys Hb-S（患患 者）者） Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys3.HbS3.HbS可形成纤维状沉淀可形成纤维状沉淀脱氧脱氧HbS聚集成纤维状结构聚集成纤维状结构6条脱氧条脱氧HbS纤维状缠绕成长管状结构纤维状缠绕成长管状结构血红蛋白血红蛋白S线性缔合的分子基础线性缔合的分子基础纤维沉淀压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。纤维沉淀压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。在在体体外外用用氰氰酸酸钾钾处处理理镰镰刀刀状状细细胞胞贫贫血血病病患患者者的的红红细细胞胞，可可以防止它在缺氧状态下形成镰刀状。以防止它在缺氧状态下形成镰刀状。（三）地中海贫血（三）地中海贫血
17、( (thalassemiathalassemia) )产产生生途途经经：（1 1）缺缺失失一一个个或或多多个个编编码码HbHb的的基基因因；（2 2）一一个个或或多多个个基基因因发发生生无无义义突突变变；（3 3）突突变变发发生生在在编编码码区区之之外外，导导致转录阻断或致转录阻断或hnRNAhnRNA不正确加工。不正确加工。1.1.地中海贫血地中海贫血珠珠蛋蛋白白基基因因丢丢失失或或不不能能表表达达。需需依依赖赖胎胎儿儿链链的的连连续续产产生以形成有功能的血红蛋白。多数不到成熟就夭折。生以形成有功能的血红蛋白。多数不到成熟就夭折。2.2.地中海贫血地中海贫血珠珠蛋蛋白白水水平平低低下下，形
18、形成成4 4、4 4或或4 4同同四四聚聚体体，它它们们能能结结合合氧氧，但但无无血血红红蛋蛋白白的的别别构构效效应应，总总是是处处于于R R态态，向向组组织织卸卸氧的效率差。通常在出生前或出生后不久死亡。氧的效率差。通常在出生前或出生后不久死亡。五、免疫球蛋白五、免疫球蛋白免疫免疫( (immunity)immunity) 是人类和脊椎动物最重要的防御机制，是人类和脊椎动物最重要的防御机制，免免疫疫系系统统能能在在分分子子水水平平上上识识别别“自自我我”和和“非非我我”，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。在在生生理理水水平平上上免免疫疫系系统统对对入入侵侵的的
19、反反应应或或应应答答（responerespone）是是多多种种类类型型的的蛋蛋白白质质、分分子子和和细细胞胞之之间间的一套复杂而协同的相互作用，的一套复杂而协同的相互作用，然然而而在在个个别别蛋蛋白白质质水水平平上上免免疫疫反反应应是是配配体体与与蛋蛋白白质质可逆结合的一个生化系统。可逆结合的一个生化系统。免疫系统免疫系统体体液液免免疫疫系系统统：针针对对细细菌菌感感染染、胞胞外外病病毒毒以以及进入生物体的外来蛋白质。及进入生物体的外来蛋白质。细细胞胞免免疫疫系系统统：破破坏坏被被病病毒毒感感染染的的细细胞胞、某某些寄生物和外来的移殖组织。些寄生物和外来的移殖组织。抗原、抗体的抗原、抗体的概
20、念概念免疫反应主要涉及免疫反应主要涉及淋巴细胞淋巴细胞和和巨噬细胞巨噬细胞。淋巴细胞淋巴细胞B B细胞（免疫球蛋白）细胞（免疫球蛋白）T T细胞（细胞（T T细胞受体）细胞受体）能能引引起起免免疫疫反反应应的的任任何何分分子子或或病病原原体体称称为为抗抗原原（antigenantigen）。一个复杂的抗原可以被若干个不同的抗体结合。一个复杂的抗原可以被若干个不同的抗体结合。当当外外源源物物性性物物质质，如如蛋蛋白白质质、毒毒素素、糖糖蛋蛋白白、脂脂蛋蛋白白、核核酸酸、多多糖糖、颗颗粒粒（细细菌菌、细细胞胞、病病毒毒）进进入入人人或或动动物物体体内内时时，机机体体的的免免疫疫系系统统便便产产生生
21、相相应应的的免免疫疫球球蛋蛋白白（immune immune globinglobin），并并以以之之结结合合，以以消消除除异异物物的的毒毒害害。此此反反应应称称为为免免疫疫反反应应，此此异物便是异物便是抗原抗原(antigen)(antigen) ，此球蛋白便是抗体，此球蛋白便是抗体(antibody)(antibody) 。抗体的特点：高度特异性；多样性抗体的特点：高度特异性；多样性多克隆抗体和单克隆抗体多克隆抗体和单克隆抗体如如果果给给动动物物注注射射抗抗原原, ,虽虽然然抗抗原原与与各各种种抗抗体体产产生生细细胞胞的的亲亲和和性性有有所所不不同同, ,但但是是还还是是有有大大量量抗抗体
22、体产产生生细细胞胞将将与与之之结结合合, ,结结果果血血液液中中出出现现的的抗抗体体源源于于数数种种不不同同的的细细胞胞克克隆隆，这这些些抗抗体体就就是是多多克克隆隆抗抗体体（polyclonal polyclonal antibodiesantibodies）。如如果果可可以以分分离离到到抗抗体体产产生生细细胞胞的的单单克克隆隆，然然后后使使所所有有的的抗抗体体均均来来自自同同样样的的克克隆隆 ， 这这 样样 制制 备备 的的 抗抗 体体 称称 为为 单单 克克 隆隆 抗抗 体体 （ monoclonal monoclonal antibodiesantibodies）。）。免疫印记法（免疫
23、印记法（immunoblot assay或或Western blotting）对不同种属的细胞色素对不同种属的细胞色素C C的研究指出具有同种功能的蛋的研究指出具有同种功能的蛋白质在结构上的相似性。白质在结构上的相似性。细胞色素细胞色素C C由由124124个残基构成，在生物氧化反应中起重要个残基构成，在生物氧化反应中起重要作用。人与黑猩猩、猴、狗、金枪鱼、飞蛾和酵母的细作用。人与黑猩猩、猴、狗、金枪鱼、飞蛾和酵母的细胞色素胞色素C C比较，其不同的氨基酸残基数依次为比较，其不同的氨基酸残基数依次为0 0、1 1、1010、2121、3131、4444。种属差异与生物进化种属差异与生物进化六、氨基酸序列与生物学功能六、氨基酸序列与生物学功能习习 题题名词解释名词解释 蛋白质三级结构，等电点，超二级结构，结构域 ，肽键平面 ，a-螺旋简答题简答题1.何谓蛋白质的变性，变性涉及蛋白质的哪些变化？哪些因素容易导致变性？2.有一个低浓度、大体积的含盐蛋白质样品，要求得到高浓度、不含盐的蛋白质样品，试设计一实验方案，并讨论其可行性。
