Structure －function relationship 第6章 蛋白质结构与功能的关系 Structure －function relationship

动态的球状蛋白质如何在与其它分子的相互作用中行使他们的生物功能 ? IAYKPAG 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

6.1 肌红蛋白的结构与功能 在蛋白质与其他分子的相互作用中能被它可逆结合的其他分子称为配体。 如 血红蛋白及肌红蛋白与氧 酶与底物或抑制剂 抗体与抗原

蛋白质与配基 Protein Function Structure Binding site Ligand

6.1.1 肌红蛋白的三级结构 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。 由一条多肽链和一个辅基血红素构成，含153个氨基酸残基。 除血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白(globin)。

Myoglobin Function of myoglobin: As a transport protein, myoglobin facilitates oxygen diffusion in muscle. Myoglobin is particularly abundant in the muscles of diving mammals such as seals and whales, where it also has an oxygen storage function.

肌红蛋白的结构与功能 分子中多肽主链由长短不等的8段直的α螺旋组成 最大的螺旋含23个残基 最短的7个残基，分子中几乎80%的氨基酸残基都处于α螺旋区中。 拐弯是由1—8个残基组成的无规卷曲。 肌红蛋白的结构与功能

肌红蛋白的结构与功能 肌红蛋白中4个脯氨酸残基各自处在一个拐弯处； 处在拐弯处的残基还有Ser、Thr、Asn和Ile，他们如果在 肽链上连续紧挨排 列，则由于其侧链 的形状或体积的原 因不利于形成α螺旋。

6.1.2 辅基血红素 某些过渡金属的低氧态（特别是Fe2+和Cu+）具很强的结合氧倾向。 某些节肢动物的血蓝蛋白(hemocyanin)中结合氧的是Cu+ 。 原卟啉Ⅸ属于卟啉类(porphyrins)，这类化合物在叶绿素、细胞色素以及其他一些天然色素中还将遇到。 血卟啉（血红素）使血液呈红色，叶绿蛋白中的镁卟啉（叶绿素）是植物成绿色的原因。

肌红蛋白的结构与功能 铁原子可以是亚铁（Fe2+）或高铁（Fe3+）氧化态，相应的血红素称为[亚铁]血红素(ferroheme，heme)和高铁血红素(ferriheme，hematin)。 相应的肌红蛋白称为[亚铁]肌红蛋白(ferromyoglobin)和高铁肌红蛋白(ferrimyoglobin，metmyoglobin)。

6.1.3 O2与肌红蛋白的结合 肌红蛋白中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93（或F8）位His残基，称近侧(proximal)组氨酸的咪唑N结合，第6配位被O2分子所占据。 在去氧肌红蛋白(deoxymyoglobin)中,第6个配位位置是空的。 在高铁肌红蛋白中氧结合部位失活，H2O分子代替O2填充该部位，成为三价铁Fe(Ⅲ)原子的第6个配体。 肌红蛋白分子内部的疏水环境(His F8和His E7除外)中，血红素Fe（Ⅱ）则不易被氧化。

O2与肌红蛋白的结合 珠蛋白的作用： 保护血红素亚铁免遭氧化； 固定血红素辅基（非共价结合）； 保护血红素亚铁免遭氧化； 为氧气分子提供一个合适的结合部位（被结合的 O2夹在远侧组氨酸（HisE7）咪唑环N和Fe2+原子之间，氧结合部位是一个空间位阻区域）。

6.1.4 O2 的结合改变肌红蛋白的构象 O2的结合使亚铁离子的位置与卟啉环平面的关系发生改变（将亚铁离子拉回卟啉环平面，铁卟啉由圆顶状变成平面状） 这一位移通过His F8进一步影响蛋白质的构象 构象的改变没有影响肌红蛋白的生物功能

6.1.5 肌红蛋白结合氧的定量分析 （氧结合曲线） 具有肺和腮的动物在血循环中红细胞（含血红蛋白）从肺或腮带走O2。 6.1.5 肌红蛋白结合氧的定量分析 （氧结合曲线） 具有肺和腮的动物在血循环中红细胞（含血红蛋白）从肺或腮带走O2。 在组织中肌红蛋白接纳释放自血红蛋白的O2。

肌红蛋白氧结合曲线 100 80 60 氧 40 饱 和 20 度 (%) P50 20 40 60 80 100 静脉血 动脉血 20 40 60 80 100 静脉血 动脉血 氧 饱 和 度 (%) 氧分压 (mmHg) P50

以肌红蛋白的氧饱和度Y和氧分压p(O2)作图，得肌红蛋白的氧结合曲线： 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 静脉血 动脉血 氧 饱 和 度 (%) 氧分压 (mmHg) P50 当Y=1时，所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白被氧饱和。 Y=0.5时，肌红蛋白的一半被氧饱和，p(O2)=K，常数K称为P50，即肌红蛋白一半被氧饱和时的氧压。

6.2 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白的主要功能是在血液中结合并转运氧。 血红蛋白以高浓度（约为质量的34%）溶解于 红细胞溶胶中。

血红蛋白的结构与功能 血红蛋白存在于血液的红细胞中。 它是典型的寡聚体蛋白质，结构特点为。。。。。 血红蛋白的功能为运输氧气，原因为它能结合和释放氧气（与氧气的可逆结合）。 血红蛋白还能运输H+和CO2。

6.2.1 血红蛋白的结构 6.2.1.1 血红蛋白的亚基组成 脊椎动物的血红蛋白是由4个多肽亚基组成。每种亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。成人血红蛋白主要是HbA,其亚基组成为α2β2 Hb A1c是Hb A的葡糖基化形式，它的形成与血中的葡萄糖浓度有关。Hb A1c在总Hb中的比例是在红细胞生活周期（约120天）内平均葡萄糖浓度的量度，临床上可做糖尿病人在两次就诊之间血糖控制的指标。

血红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构特点 球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基 两条α链，两条β链，α2β2 含四个血红素辅基 亲水性侧链基团在 分子表面，疏水性 基团在分子内部

6.2.1.2 血红蛋白的三维结构 X射线晶体学研究在原子水平上阐明了血红蛋白的三维结构: Hb分子近似球形。四个亚基占据相当于四面体的四个顶角β链（146个残基）；α链（141个残基） 141个氨基酸残基位置中只有27个位置中的残基对于人的这三种多肽链(α、 β和肌红蛋白)是共有的。

6.2.2 氧结合引起的血红蛋白构象变化 6.2.2.1 氧合作用显著改变Hb的四级结构 6.2.2 氧结合引起的血红蛋白构象变化  6.2.2.1 氧合作用显著改变Hb的四级结构 X-射线晶体学分析表明，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著的不同。

血红蛋白的结构与功能 血红蛋白可看作由两个相同的二聚体半分子（ 12、21 ）组成； 每个半分子可作为一个钢体移动。

6.2.2.2 血红素铁的微小移动导致 血红蛋白构象的转换

O2与血红蛋白的结合的实质是O2与亚铁离子的结合 高铁血红蛋白（含Fe3+）不能结合O2。

血红蛋白的结构与功能 O2的结合改变了血红蛋白的构象 这一位移通过His F8进一步影响蛋白质的构象和四级结构 构象的改变影响影响肌红蛋白的生物功能

血红蛋白的结构与功能 血红素与氧结合后，铁原子半径变小，加之其他空间和化学键的变化，使铁原子进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。

氧牵引亚铁离子接近卟啉平面

血红蛋白的结构与功能 血红蛋白构象的变化： 当亚铁离子移动时，它同 时拖动His F8残基，进一 步导致蛋白质的构象发生 改变。

四级结构的变化： 氧的结合改变了1和2亚基之间的相互作用以及2和1亚基之间的相互作用； 当血红素基氧合时，血红蛋白的两个半分子彼此滑移。

血红蛋白的结构与功能 6.2.2.3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态 T态 （tense state） 去氧血红蛋白的主要构象 6.2.2.3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态 T态 （tense state） 去氧血红蛋白的主要构象 R态 （relaxed state） 氧合血红蛋白的主要构象

血红蛋白的结构与功能 氧合血红蛋白的构象态：R态（松弛态，relaxed state） O2 去氧血红蛋白的构象态：T态（紧张态，tense state） O2 Hb T 态和 R 态互变

血红蛋白的结构与功能 T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐键起着稳定作用,四个亚基的C-末端处于受束缚的状态。

血红蛋白的结构与功能 6.2.3 血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧结合曲线） Mb Hb 氧 饱 和 度 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 肌肉 肺泡 氧 饱 和 度 (%) 氧分压 (mmHg) Mb Hb 正协同效应(positive cooperativity)

血红蛋白的氧合具有正协同性,同促效应。 O2即是正常的配体，也是正同促效应物，或称正同促调节物。

工作肌肉 毛细血管中 肺泡中 p(O2) p(O2) （Y） 100 肌红蛋白 80 血红蛋白 60 40 20   工作肌肉 毛细血管中 肺泡中 p(O2) p(O2) （Y） 100 肌红蛋白 80 血红蛋白 60 40 20 0 20 40 60 80 100 p(O2) / torr 氧饱和百分数（Y）

血红蛋白的结构与功能 Hb + 4O2  Hb(O2)4 Hb(O2)4  Hb + 4O2 解离平衡常数：

血红蛋白的结构与功能 Hb的氧分数饱和度方程为： 以 Y 对 p(O2) 作图，所得曲线即为前述S型曲线。

血红蛋白的结构与功能 曲线a, n=4 Hb n≈2.8 曲线b, n=1 氧 饱 和 度 (%) 静脉血 动脉血 氧分压 (mmHg) 100 80 60 40 20 曲线a, n=4 20 P50 40 60 80 100 静脉血 动脉血 氧 饱 和 度 (%) 氧分压 (mmHg) Hb n≈2.8 曲线b, n=1 实际观察到的血红蛋白的氧结合曲线（蓝色）并不精确符合曲线a（紫色），这意味着Hb实际的氧分数饱和度方程中，p(O2)的指数不是4，近似等于2.8。这表明Hb和O2的结合不完全是全或无的现象。

血红蛋白的结构与功能 Hill图： 将 加以变换， 得： 两边取对数，得： 将 加以变换， 得： 两边取对数，得： 以 log(Y/(1-Y)) 对 logp(O2) 作图得到血红蛋白的Hill图

血红蛋白的结构与功能 log(Y/(1-Y)) logp(O2) 肌红蛋白、血红蛋白Hill图 由实测数据得到的Hill图表明在氧分压极高和极低时，血红蛋白Hill曲线的斜率接近1，即蛋白各亚基间无协同性；在氧分压中间区域，Hill曲线的斜率接近3，即蛋白各亚基间具有很高的正协同性，但不是完全协同（斜率不是4）。 如果曲线斜率小于1，则表明各亚基间有负协同性。 肌红蛋白、血红蛋白Hill图

血红蛋白的结构与功能 Mb Hb 血红蛋白氧合协同性的作用： 有利于血红蛋白更有效地运输氧气，增加血红蛋白运输氧气的效率 氧 饱 和 度 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 肌肉 肺泡 氧 饱 和 度 (%) 氧分压 (mmHg) Mb Hb 正协同效应(positive cooperativity) 静脉血 动脉血

血红蛋白的结构与功能 肌红蛋白与血红蛋白的氧合曲线有何不同？ 试解释之

肌红蛋白为双曲线儿血红蛋白为“S”型曲线； 这是因为： 肌红蛋白为单体蛋白，在氧分压较低时即易于与氧结合；并随氧分压的增加逐渐达饱和； 而血红蛋白为寡聚蛋白，在氧分压较低时难于与氧结合； 血红蛋白的一个亚基在结合氧之后，其构像发生改变，由于其寡聚蛋白的协同效应，影响到其他亚基构像也发生改变，由“紧张型”转变为易于与氧结合的“松弛型”； “松弛型”的血红蛋白在氧分压有较小改变时，及与氧结合，并随氧分压的增加逐渐接近于饱和。

6.2.4 H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响 它们与蛋白质的结合部位离血红素辅基很远，但却极大影响Hb的氧合性质。 这种在空间上相隔的部位之间的相互作用在很多寡聚蛋白中存在，这就是别构效应。

蛋白质结构与功能的关系 协同效应（cooperativity）： 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中其他亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。 别构效应（allosteric effect）：结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子的其它部位所产生的影响称为别构效应。

6.2.4.1 H+ 和CO2 促进O2 的释放（Bohr 效应） 波尔效应具有重要意义

6.2.4.2 BPG降低Hb对O2 亲和力 BPG-2，3二磷酸甘油酸 高负电荷的BPG分子通过与每个β链的Lys β82（EF6）、His β143(H21)和N-末端Val β1(NA1)等残基的荷正电基团的静电相互作用结合于Hb分子上。

 BPG可与Hb结合。  Hb四聚体分子只有一个DPG结合部位，位于四个亚基缔合形成的中央孔穴内。 BPG与两个链之间的这种离子键有助于稳定去氧形式的血红蛋白构象，促进氧的释放。

生理意义： （1）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，例如高山适应和肺气肿的生理补偿变化；BPG升高。 （2）血库储血时加入肌苷可防止BPG的降解。

6.3 血红蛋白分子病 （三）血红蛋白分子病 蛋白质分子一级结构的改变有可能引起其生物功能的显著变化，甚至引起疾病。这种现象称为分子病。 血红蛋白一级结构的改变引起的疾病称为血红蛋白分子病，例如镰刀状细胞贫血病。

6.3.1 分子病是遗传的 血红蛋白的异常由基因引起 1.血红蛋白病 2.地中海贫血

6.3.2 镰刀状细胞贫血病 正常的红细胞（左图）与镰刀状红细胞（右图）的区别

6.3.2.1 镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 镰刀状细胞贫血病患者的血红蛋白含量仅为正常人的一半，红细胞数目也是正常人的一半左右。 当红细胞脱氧时，这种镰刀状细胞明显增加。

镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 Ingram V.等人用胰蛋白酶水解Hb S和Hb A成若干肽段，进行双向滤纸层析－电泳，对比所得的图谱，发现两组肽段只有一个肽段位置不同。

6.3.2.2 镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化 Hb A H2N Val-His-Leu-Thr-Pro- Glu-Glu-Lys Hb S H2N Val-His-Leu-Thr-Pro- Val-Glu-Lys Val ： GUA， GUG Glu ： GAA， GAG

镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 2。血红蛋白单个（2个）氨基酸的改变影响功能： Hb Sβ链第六位谷氨酸突变为缬氨酸。 谷氨酸：亲水、带负电荷；缬氨酸：疏水、不带电 Hb S分子表面 多了一个疏水侧链 Hb S分子三维 结构发生改变

镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 由于伸出Hb S分子表面的缬氨酸侧链创造了一个“粘性”的突起，因而一个Hb S分子的“粘性”突起可以与另一个Hb S分子的互补口袋通过疏水作用结合，最终导致Hb S分子的聚集沉淀。（脱氧HB S）

6.3.2.3 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀 电镜结果显示，沉淀由纤维组成，每根纤维是一个14股Hb S链的超螺旋。 纤维沉淀的形成压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。镰刀状细胞不易通过毛细血管，甚至破裂形成冻胶状物质。

6.蛋白质结构与功能的关系 作业 珠蛋白，亚铁血红素，高铁血红素，亚铁肌红蛋白，高铁血红蛋白 1.肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线有何不同？ 名词解释： 珠蛋白，亚铁血红素，高铁血红素，亚铁肌红蛋白，高铁血红蛋白    回答问题： 1.肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线有何不同？ 试从蛋白质结构与功能的关系上加以解释。 2. H+,CO2 和BPG 对血红蛋白结合氧有何影 响？ 3.  试述镰刀状细胞贫血病的分子机制。

6.3.3 其他血红蛋白病 （自学） 6.3.4 地中海贫血 6.3.4.1 β—地中海贫血 6.3.4.2 α—地中海贫血

6.4 免疫系统和免疫球蛋白 6.4.1 免疫系统 免疫反应有两个互补的系统组成：体液免疫系统和细胞免疫系统。 体液免疫系统是针对细菌感染，胞外病毒（存在于体液中）以及进入生物体的外来蛋白质等。 细胞免疫系统是破坏被病毒感染的寄主细胞、某些寄生物和外来的移植组织。

免疫系统和免疫球蛋白 巨噬细胞也是由骨髓干细胞分化而来，在骨髓中发育成幼单核细胞，进入血液中分化成单核细胞(monocyte)，然后迁移到组织，分化成组织特异的巨噬细胞。 它们的功能是吞噬大颗粒核细胞以及作为抗原呈递细胞。 B细胞受体是一种抗体分子。 分泌的抗体是体液的主要效应分子。

免疫系统和免疫球蛋白 B细胞受体是单独识别抗原的 T细胞受体只有当抗原与一个称为主要组织相容性复合体的膜蛋白结合，才能识别它。增殖并分化成记忆T细胞和各种效应T细胞。 TH细胞在对抗原和MHC的免疫应答中，分泌各种生长因子，总称为细胞因子(cytokine)或更确切地称为淋巴因子。

免疫系统和免疫球蛋白 人类能产生超过108中具有不同特异性的抗体。这种非常的多样性使得病毒和入侵细胞表面上的任一化学结构都能被一个或多个抗体所识别并结合。 抗原内的一个特定的分子结构，称为它的抗原决定族或表位。 相对分子质量小于5000的分子一般没有抗原性。

免疫系统和免疫球蛋白 6.4.2 免疫系统能识别自我或非我 由MHC蛋白展出的外来蛋白质的肽段是免疫系统识别为非我的抗原。

免疫系统和免疫球蛋白 6.4.3 在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应

免疫系统和免疫球蛋白 6.4.4 免疫球蛋白的结构和类别 免疫球蛋白或称为抗体，是一类可溶性的血清糖蛋白，是血清中最丰富的蛋白质之一。具有两个显著特点： 高度的特异性 庞大的多样性

免疫系统和免疫球蛋白 6.4.4.1 免疫球蛋白的结构 当抗体和抗原接近等当量（称为等价带）浓度时，将发生最大的交联，产生最大量的免疫沉淀或沉淀素。

免疫系统和免疫球蛋白 L链都含有可变区域V区（variable domain）和恒定区域C区(constant domain)。 高变区(high variable region)，它负责抗体分子对抗原的识别，是真正的识别部位。

免疫系统和免疫球蛋白 6.4.4.2 免疫球蛋白的类别

6.4.5 基于抗体—抗原相互作用的生化分析方法 Enzyme-linked immunosorbent assay-ELISA Immunoblot assay

蛋白质一级结构与功能的关系 蛋白质的一级结构决定高级结构，从而最终决定了蛋白质的功能。

蛋白质一级结构与功能的关系 蛋白质中一个氨基酸类型的改变可导致蛋白质功能的巨大变化，例如镰刀状细胞贫血病

蛋白质一级结构与功能的关系 信号序列（Signal sequence）: 有特殊功用的氨基酸片段 蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。

蛋白质一级结构与功能的关系 所有靶向输送的蛋白质结构中存在 G Blobel (1999) 所有靶向输送的蛋白质结构中存在 分选信号，主要为N末端特异的氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列 。

第 6 章 完