蛋白质结构与功能的关系

一.肌红蛋白的结构与功能 （1）肌红蛋白的功能：哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧的蛋白。 （2）肌红蛋白的结构特点：1963年，Kendrew a .一条多肽链，153个氨基酸残基，一个血红素辅基，分子量16700。 b.肌红蛋白的整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共折叠成8段较直的-螺旋体（A-H），最长的有23个氨基酸残基，最短的有7个氨基酸残基。 C.拐弯处-螺旋受到破坏，拐弯是由1—8个氨基酸残基组成的无规则卷曲，4个脯氨酸各自出现在一个拐弯处，此外拐弯处还有Ser、Ile、Asn、Thr等残基。 d.具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，而带非极性侧链的氨基酸残基多分布于分子内部，使肌红蛋白成为可溶性蛋白。

HC NA

煤气中毒的机制 一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红素的结合能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制肌红蛋白或血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。

（3）肌红蛋白的氧合曲线 (Y代表在给定的氧压下肌红蛋白的氧饱和度) Y=1时，表明所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白为氧饱和。 （1） （2） (Y代表在给定的氧压下肌红蛋白的氧饱和度) （3） Y=1时，表明所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白为氧饱和。 （4）

（3）肌红蛋白的氧合曲线 （5） 由（5）可见： Y=0.5时，肌红蛋白的一半被饱和，P（ O2 ）=K=P50 解离常数为肌红蛋白一半被饱和时的氧压。 P（ O2 ）的单位是torr,1 torr=1 mm Hg

Y Po2 P(O2) Y = 1-Y K Y log = log P(O2) -logK 1-Y Hill系数=1.0 蛋白质或只含 一个结合位点， 或含有多个结合 位点，而这些结合 位点彼此完全独立 并有相同的K值。 Hill系数不等于 1.0，表明蛋白质 含有多个结合位点 ，而这些结合位点 彼此有相互作用。 Po2

二.血红蛋白(Hb)的结构与功能 （1）血红蛋白的功能：存在动物血液的红细胞中，主要功能是结合和运输O2，还具有运输CO2的功能；此外，血红蛋白还能和H+结合，从而可以维持体内pH。 （2）血红蛋白的结构特点： a.是四个亚基的寡聚蛋白，两个是一种亚基，两个是另一种亚基，含574个AA残基，分子量65000 b.成人的血红蛋白为22（HbA-96%）、22（ HbA2-2%）胎儿的血红蛋白为22（HbF） c.  链由141AA残基组成，    链由146AA残基组成。 四种肽链的三级结构与肌红蛋白相似，各自内部有一个血红素辅基。

BPG：2，3-二磷酸甘油酸

血红蛋白的三维结构 链由141AA残基组成，   链由146AA残基组成。 链和链的H螺旋缩短，  链还缺失一个很短的D螺旋。 每个亚基结合一个血红素基团，血红素位于E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。 两个 链之间或两个链之间的相互作用很小，两个不同链之间的作用力最大。 不同的血红蛋白的氨基酸序列中有9个保守氨基酸残基，对血红蛋白的功能很重要。

血红蛋白的三维结构

Hb的氧合与构象改变 之间的接触有两类，一类是11和 22接触（主要涉及B、G、H和GH），叫装配接触；另一类12 和21接触（主要涉及C、G和FG），叫滑动接触。氧合作用时，这些接触也发生变化。

血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换

与氧结合时血红蛋白的变构过程 血红素中铁原子的变化 高自旋状态 低自旋 （非氧合，原子半径较大） （氧合，原子半径较小）

氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表两种不同的构象态

94 146 141 126 40 40 126 141 146 94

与氧结合时血红蛋白的变构过程 亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化 铁原子的位移 F8His的位移 使F螺旋、EF拐角及FG拐角发生位移 F 螺旋向H螺旋移动 挤出HC2Tyr 导致四级结构的盐桥破坏 挤出DPG分子。

（Hb氧结合曲线） 别构蛋白 蛋白质分子中不止有一个配基的结合部位（活性部位），还有别的配基的结合部位（别构部位）。别构蛋白都有别构效应。

血红蛋白的氧合曲线 Y—血红蛋白的氧饱和度，等于血红蛋白中被占的氧合部位除以血红蛋白中氧合部位总数。

（Hb氧结合曲线）

H+、CO2和BPG 对血红蛋白结合氧的影响 1914年，丹麦生理学家C.Bohr发现，高浓度的H+和CO2促使氧合血红蛋白分子释放O2，而高浓度的O2促使脱氧血红蛋白分子释放H+和CO2。——血红蛋白对O2、 H+和CO2结合的这种相互关系叫波耳效应。 H+、CO2的影响

波耳效应的生理意义 肺泡pH7.6 肌肉pH7.2

H+、CO2对血红蛋白氧合能力影响的解释 146-His N-Val H+的结合部位 122-His 使血红蛋白保持T态 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 甲硫氨酸 Methionine 半胱氨酸 Cysteine 苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine 色氨酸 Tryptophan Trp 精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine 天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate 丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine 天冬酰胺 Asparagine 谷酰胺 Glutamine

CO2的结合部位 Hb-NH-COO- + H+ 氨甲酸衍生物 Hb-NH2 + CO2 - HCO3 + H+ CO2 + H2O （氧合态） - HCO3 + H+ CO2 + H2O H2CO3

与亚基的结合部位： Val1--NH3+ Lys82--NH3+ His143-咪唑基 His2-咪唑基 HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 Hb-BPG+4O2Hb(O2)4+BPG

BPG=0mmol/L BPG=4.5mmol/L BPG=7.5mmol/L

BPG的影响： HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 Y Hb-BPG+4O2Hb(O2)4+BPG 蛋白的结合 是排斥的 BPG的影响： 1.0 0.5 有BPG HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 Hb-BPG+4O2Hb(O2)4+BPG BPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义： BPG是红细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液流经O2分压较低的组织时，红细胞中的BPG可促进氧合血红蛋白释放氧，以满足组织对O2需要。 BPG浓度越大， O2的释放量越多。红细胞中BPG浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要因素。实例：在高山上；肺气肿病人；储藏血液。 Po2

E.胎儿血红蛋白的氧合能力大于HbA Val1--NH3+ Lys82--NH3+ His143-咪唑基) 胎儿血红蛋白（HbF）为22，而成人血红蛋白(HbA)为22， 与的区别为： 143—His (BPG与亚基的结合部位： Val1--NH3+ Lys82--NH3+ His143-咪唑基) 143——Ser，使HbF与BPG的结合能力减弱，因而增加了HbF对氧的亲和力。其意义在于胎儿血液流经 胎盘时HbF可以从母体HbA获得O2。

血红蛋白分子病 分子病—指蛋白质分子中由于AA排列顺序与正常蛋白质不同而发生的一种遗传病(基因突变造成的)。 镰刀状细胞贫血病：病人体内血红蛋白的含量乃至红细胞的量都较正常人少，且红细胞的形状为新月形，即镰刀状。此种细胞壁薄，而且脆性大，极易涨破而发生溶血；再者，发生镰变的细胞粘滞加大，易栓塞血管；由于流速较慢，输氧机能降低，使内脏器官供血出现障碍，从而引起头昏、胸闷而导致死亡。 病因：血红蛋白AA顺序的细微变化 正常人HbA—N6Glu 病人 HbS—N6Val

研究表明，HbS和HbA在氧合状态下没有多大区别。但在脱氧情况下， HbS的溶解度剧烈下降（1/25 HbA ）。 镰刀状细胞血红蛋白的构象变化 研究表明，HbS和HbA在氧合状态下没有多大区别。但在脱氧情况下， HbS的溶解度剧烈下降（1/25 HbA ）。 目前发现有300多种不同的突变血红蛋白，并且绝大多数突变体中只有一个AA残基被置换。 Glu侧链在pH7.4时是一个带负电的基团，而Val侧链是一个非极性基团，在HbS分子表面造成一个粘性突起，与另一个HbS上的互补口袋通过疏水作用形成聚集沉淀。 EF拐弯

O CH-CH-C- + N C O- N+H3 镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正 CH3 氰酸钾（KCNO）治疗 O CH3

免疫系统和免疫球蛋白 （一）免疫系统 免疫系统包括两个互补的系统：体液免疫和细胞免疫。 体液免疫—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—是破坏被病毒感染的宿主细胞、某些寄生物和外来的移植组织。 免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。 B淋巴细胞—产生于骨髓（bone marrow）中的造血干细胞，在骨髓中完成发育。循环于血液和淋巴系统，通过其上特异的膜受体（抗体分子，糖蛋白）识别抗原。当B细胞遇到抗原时，发生分裂和分化。 B细胞 浆母细胞 浆细胞 可溶性抗体 记忆细胞 表达膜结合受体（不溶性抗体）

激活B细胞、 TC细胞吞噬细胞和其他参与免疫反应的细胞 监视身体的B细胞和消灭显示不正常抗原的细胞如病毒感染细胞、肿瘤细胞和移植细胞 T淋巴细胞—产生于骨髓造血干细胞，成熟于胸腺（thymus gland）,表达膜结合受体（不溶性抗体），称T细胞受体，当T细胞遇到与主要组织相容性复合体（MHC）膜蛋白结合的抗原时，发生增殖和分化。 记忆T细胞 T细胞 激活B细胞、 TC细胞吞噬细胞和其他参与免疫反应的细胞 效应T细胞 激活 TH细胞（T助细胞） 分泌细胞因子（淋巴因子） T细胞 激活 不分泌细胞因子，但获得细胞毒性。 TC细胞（T胞毒细胞） 监视身体的B细胞和消灭显示不正常抗原的细胞如病毒感染细胞、肿瘤细胞和移植细胞

抗原与抗体的一般概念 抗体（antibody）就是免疫球蛋白(immunoglobulin-Ig)，是一类血浆糖蛋白。脊椎动物在遭遇一类异己物质如：病毒、细菌细胞壁或大分子物质（如多糖、核酸和蛋白质等）被称为抗原（antigen）的物质侵入时，自身便产生抗体，这即为免疫反应。能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原。 抗体的特点：高度特异性和多样性 半抗原：某些小分子物质可以与抗体结合，但本身并不能刺激抗体产生，当它们与大分子物质（如蛋白质）结合后也能刺激抗体产生，这些小分子物质被称为半抗原(hapten)。

MHC组织相容性复合体

跨膜蛋白

MHC-I蛋白结合并展示由细胞内随机发生的蛋白质降解和更新衍生来的肽。这些肽和MHC-I蛋白结合形成的复合体是细胞兔疫系统中TC细胞的细胞受体的识别靶。 每个T细胞只含一种T细胞受体但有多个拷贝．它对特定MHC-I蛋白-肽复合体是特异的。为避免产生大批能结合和破坏自身的正常细胞的TC细胞，在胸腺中TC细胞的成熟包括一个严格的选择过程，消灭95％以上正在发育的TC细胞包擂那些能与展示生物体自身蛋白质的肽的MHC-I蛋白结合的TC细胞。存活并成熟的TC细胞是那些具有不与生物体自身蛋白质结含的T细胞受体的TC细胞。结果形成一个专门与连接在宿主细胞MHC—I蛋白上的外来肽结合的细胞群。这就是所谓兔疫的自身耐受性。

MHC-Ⅱ蛋白存在于少数几种特化细胞的表面。这些特化细胞包括巨噬细胞和B淋巴细胞，它们作为抗原呈递细胞通过吞噬作用或胞吞作用将外来的抗原内化，经消化使成小的肽段。肽段与MHC-Ⅱ蛋白结合并被展示在抗原呈递细胞的膜上。 MHC-Ⅱ蛋白结合并展示的肽不是来自细胞的蛋白质，而是被细胞摄入的外部蛋白质。形成的MHC-Ⅱ蛋白-肽复合体是各种TH细胞的结合靶。它们也和TC细胞一样，在胸腺中进行严格的选择，消灭那些能与宿主自身的细胞蛋白质结合的TH细胞。

一旦抗原耗尽，被激活免疫细胞大部分在几天内死亡，一部分B和T细胞则成熟为记忆细胞，长期存在于血液中，可再次产生同样的免疫应答反应。

Y形结构

抗体分子是二价的，而抗原分子可以是多价的

有色产物 酶 底物 第二抗体 第一抗体