第六章 蛋白质功能与进化 蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的 化学结构，还需要一定的空间构象 蛋白质功能的体现：蛋白质分子与其他分子的相 互作用(纤维状蛋白？） 配体：与蛋白质可逆结合的分子 蛋白质与配体的结合在形状、大小、电荷、疏水 性是互补的

1、肌红蛋白（Mb） 2、血红蛋白（Hb） 3、免疫球蛋白 生物进化过程中产生的两个重要的与氧结合的蛋白质

肌红蛋白是1957年由John Kendrew 用X射线晶体分析法测定三维结构的第一个蛋白质。 典型的球形蛋白质，高度折叠成紧密结构，疏水氨基酸残基大部分埋藏在分子内部，极性残基在表面。 肌红蛋白中有8条α-螺旋。 由多肽的折叠形成的疏水空隙内是血红素辅基，通过肽链上的His残基相连，它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与O2结合）。

153个氨基酸与辅基血红素非共价连接 8个α螺旋：A-H；最重要：F8——His即93号组氨酸，近侧组氨酸；E7，64号His,远侧组氨酸

F螺旋的第8个氨基酸是整个多肽中的第93个氨基酸 去掉血红素的辅基叫珠蛋白 血红素与O2结合，以2价铁作为与氧结合的部位（血红蛋白，肌红蛋白等） 血蓝蛋白一价铜与氧结合 血红素：铁原卟啉IX与Fe2+络合，使血液显红色，若与Mg2+络合，则使叶片呈绿色

还可用作细胞色素c和过氧化氢酶的辅基 血红素 血红素 原卟啉IX

远侧His 64E7 铁卟啉辅基 近侧His 93F8

铁原子可形成6 个配位键

铁原子可形成6 个配位键，4个与卟啉环连接，一个与肽链连接，一个与氧分子连接 一分子血红素携带1分子氧 氧分子一个原子与铁连接，另一端与远侧His紧密接触——空间位阻 氧位于远侧His与Fe2+之间 只有亚铁血红素才能结合氧（亚铁肌红蛋白） 若不带氧则亚铁血红素第6位配位键空缺 但高铁血红素的第6位配位键被水占据 颜色改变，肉置久呈棕色

空间位阻的存在给氧提供一个合适的结合部位

珠蛋白的作用： 1、固定亚铁血红素 F8 His固定 2、保护血红素免遭氧化 蛋白质中其他部位的疏水环境阻止了极性互作 3、为氧提供合适的结合部位 远侧His的空间位阻，降低了与CO的亲和力 游离的血红素与CO的亲和力比氧强25000倍 有了珠蛋白后只大250倍

O2的结合可改变肌红蛋白的构象 结合前，Fe2+距卟啉平面0.055nm， 结合后， Fe2+距卟啉平面只有0.026nm，即被O2又拉回到卟啉环平面 由圆顶状变成平面状 若是多亚基的血红蛋白则会改变亚基与亚基的相互作用，带来变构效应 但对肌红蛋白来说影响不大

肌红蛋白氧结合曲线 氧气经呼吸进入肺——血液循环血红蛋白转运—— 组织肌红蛋白接受氧——细胞线粒体呼吸——能量 所以作用： 1、储存氧 2、转移氧到肌肉的线粒体

肌红蛋白氧结合曲线 Y = p (O2) / [ p (O2) + k ] Y:氧分数饱和度 p (O2)：氧分压，torr K：当Y=0.5时的氧分压，K=P50 双曲线 希尔曲线：log[ y/（1-y）] = log p（O2）— logK 斜率为1的直线，即nH=1，叫希尔系数

肌红蛋白的氧饱和曲线

在肌红蛋白中nH=1表示 氧气分子彼此独立地与肌红蛋白结合 每个肌红蛋白分子结合1分子氧气 肌红蛋白的P50=K=2torr 但是动脉血p (O2) =100torr，Y=0.97 静脉血p (O2) =30torr，Y=0.91 故将氧气从血液运到肌肉储存 但运动时的线粒体p (O2) =1torr 所以最终运到线粒体

1、肌红蛋白（Mb） 2、血红蛋白（Hb） 3、免疫球蛋白 生物进化过程中产生的两个重要的与氧结合的蛋白质

2、血红蛋白 血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。 血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。 血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。

在不同的发育时期采用不同的珠蛋白亚基

血红素Fe原子的第六配价键可以与不同的分子结合：无氧存在时，与水结合，生成去氧血红蛋白(Hb)；有氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红蛋白(HbO2)。 血红蛋白与氧的结合不牢固，容易离解。HbO2 的形成和离解受氧的分压和pH等因素的影响，氧的分压和pH较高时，有利于血红蛋白与氧的结合，反之，则有利于离解。

血红蛋白的结构 4条多肽链（146或141），每条与肌红蛋白结构（153）的氨基酸序列相差很大，但三级结构非常相似 成人Hb A（α2 β2），胎儿Hb F （α2 γ2） α 链：141残基,无D螺旋 β 链：146残基 γ 链：146残基，与β链只有1个氨基酸的差异，第143位是Ser，而不是His，减少了与2.3-二磷酸甘油酸（BPG）的亲合力，增加与氧的结合力，故胎儿可更有效地从胎盘中吸取氧 H螺旋短

三级结构比一级结构更保守 血红蛋白只有18%的氨基酸残基与肌红蛋白相同 在蛋白质序列中改变一个性质相似的氨基酸 如疏水氨基酸——疏水氨基酸 不影响蛋白质的功能——进化 分子内部的疏水环境防止铁发生氧化 高度保守的残基F8，E7等

氧结合引起血红蛋白的变构 1、改变血红蛋白的四级结构 αβ 的二聚体，二重旋转对称，C2点群对称 α1β1 或 α2β2的接触称装配接触35个残基作用 α1β2 或 α2β1的接触称滑动接触19个残基作用 当血红蛋白结合氧时，滑动接触发生改变，一个二聚体半分子旋转15度，界面上某些原子移动0.6nm

氧结合引起血红蛋白的变构 2、血红素的微小移动 去氧：Fe向近侧His方向突出卟啉环0.06nm 铁移动时会导致肽链的盐桥断裂，β亚基的空隙变窄，挤出BPG分子

氧结合引起血红蛋白的变构 总之，与配体（氧）的结合导致了血红蛋白四级结构的改变 3、T态与R态的变化 T态：紧张态，去氧时的主要构象

β 亚基靠拢，滑动接触改变

血红蛋白Hb的氧结合曲线 典型的别构蛋白——同促正协同效应 还可运输二氧化碳，不同于肌红蛋白 氧结合曲线是S形曲线，而不是双曲线 即一个氧分子的结合增加了其他亚基对氧的结合 氧既是调节物，又是底物 结合部位同时又是调节部位

p4（O2）+K p4（O2） Y = P50 =26 torr 对于血红蛋白P50与K相等吗？ S形曲线意味协同作用

S形曲线说明： 氧压力低时，饱和度增加不大 要求达到一定阈值后才会急速增加 结合氧后增加了对后面氧的亲合性 一般在Y=0.5时斜率最高 肌红蛋白 血红蛋白 在肺部O2的压力 在毛细血管中O2的压力 饱和度 0.5 1 20 40 60 80 100 120 O2压力 S形曲线说明： 氧压力低时，饱和度增加不大 要求达到一定阈值后才会急速增加 结合氧后增加了对后面氧的亲合性 一般在Y=0.5时斜率最高

血红蛋白的氧饱和曲线

但实际观察到的曲线与理论上的n=4并不一致 所以是高度协同而不是完全协同 利用希尔系数nH描述协同的高低 log[ y/（1-y）] = n log p（O2）— logK 但并不是一条直线，原因：协同 刚开始和最后nH低接近1，最后只剩1个部位 但在半饱和附近时希尔曲线接近一条斜率为2.8的直线

nH>1, 正协同 nH<1，负协同 nH=1，无协同 nH=n，完全协同，协同性无穷大 log[ y/（1-y）] = n log p（O2）— logK Hb接受第一个氧时和最后一个氧时，n=1 而log[ y/（1-y）] 相差2个单位 Hb接受第一个氧时，K1=148torr Hb接受最后一个氧时，K4=0.5torr 1、因此协同的结果使亲和力增加300倍

2、协同性使得更有效的输送氧气 协同效应造成P50的增加——ΔY增加 若无协同，则其携带的氧气很难在肌肉的毛细管中释放 ΔY是有效卸载的指标 肌肉的毛细管P（O2）=20 torr 肺泡中P（O2）=100 torr P50 torr ΔY 0.25 0.97 26 0.72 0.90 0.97 2 0.07 协同效应造成P50的增加——ΔY增加 若无协同，则其携带的氧气很难在肌肉的毛细管中释放 ΔY是有效卸载的指标

波尔效应（Bohr）效应 描述酸与二氧化碳对血红蛋白的影响 细胞呼吸越旺盛，需要氧越多，释放的二氧化碳也多 二氧化碳在碳酸酐酶的催化下成酸性 去氧血红蛋白对H+的亲和力 > O2 即 HbO2 + H+ HbH+ + O2 波尔效应: 1、有利于氧的释放,代谢旺盛组织获得更多氧 2、避免血液过酸，缓冲 3、血红蛋白在肺的呼吸中将二氧化碳排出体外，在肺泡中重新携带氧气 使得氧结合曲线右移

BPG可降低Hb对氧的亲和力 异促别构调节 在红细胞中BPG与血红蛋白分子数相等 在去氧时带高负电荷的BPG把两个β链（正电荷）交联 胎儿的其中一个氨基酸是Ser，不是His 交联作用弱 故BPG存在于两个β链的空腔中 四个亚基只有1个BPG位点

变构效应 别构效应：调节部位的配体对活性中心产生影响 同促效应：调节物就是底物，调节部位就是催化部位。分为正协同 负协同 异促效应：调节物不是底物，调节部位不是催化部位。分为正效应物 负效应物 同促效应是别构的基本，多亚基

与氧结合后两个β链空间减少，将BPG挤出

若血红蛋白对氧的亲和力过高，则携带的氧无法释放——通过BPG来调节 BPG对R态（结合氧）的亲和力低 而且结合的氧越多，亲和力越低 氧与血红蛋白的结合是互相排斥的 BPG通过维持血红蛋白的脱氧状态来降低亲和力 故增加了氧的释放，提高卸氧量，使曲线右移 海拔高度增加，人的BPG浓度上升 对氧的结合影响不大，但可增加ΔY，增加释放

若氧结合曲线右移则增加释放，减少结合（Hb） 若氧结合曲线左移则增加结合，减少释放（Mb） 婴儿？

从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。 镰状细胞贫血（sick-cell anemia） 从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。 正常：HbA；镰刀状红细胞贫血：HbS 在患者中，由于基因突变导致血红蛋白β-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。 好事，坏事？拯救了整个非洲 原因：杂合子轻度贫血，但疟原虫？

Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys… Hb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys… β-链 1 2 3 4 5 6 7 Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys… Hb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys… 粘性疏水斑点 含氧HbS 脱氧HbS 疏水位点 含氧-HbA O2 Val 取代Glu O2 血红蛋白分子凝集

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与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与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、免疫球蛋白 免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。 免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布在脾、肝和淋巴节等组织中。 当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生，这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白。

免疫球蛋白G 人的免疫球蛋白可分为五大类，其分子量范围从150000到950000道尔顿。免疫球蛋白M(IgM)是对一个抗原作出反应时产生的第一个抗体。 免疫球蛋白G(IgG)是一类最简单的免疫球蛋白。IgG含有两条相同的高分子量的重链(heavy chain)和两条相同的低分子量的轻链(light chain)。 四条链通过二硫键共价联接成Y字形结构。每一免疫球蛋白分子含有二个抗原结合部位，它们位于Y形结构的二个顶点。

立体结构模型

免疫球蛋白的结构

抗体结构 Fab，与抗原结合 Fc，与吞噬细胞结合，与补体结合

抗体的结构与分类 根据重链的不同，可将抗体（免疫球蛋白，Ig）分5类： IgM，IgD，IgG，IgA，IgE 每一个抗体有两个抗原结合部位（Fab） Fc：与补体和糖结合

抗体的特点 抗体具有两个最显著的特点，一是高度特异性，二是多样性。 高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原—抗体复合物往往是不溶的，因此常从溶液中沉淀出来，此即“沉淀反应”。在体外，沉淀反应已被广泛用于研究抗原—抗体反应，并成为免疫学的基础。多样性就是它们可以和成千上万的各种抗原(天然的和人工的)起反应。 一般说来，一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远，则产生抗体所需的时间愈短，抗体反应也愈强。

抗原抗体的作用

抗原 某些低分子量的物质可以与抗体结合，但它们本身不能刺激抗体的产生。如果它们与大分子紧密结合，则能刺激抗体的产生。这些小分子物质称为半抗原(hapten)。 几乎所有外来的蛋白质都是抗原，并且每种蛋白质都能诱导特异抗体的产生。一个人得体内在任一个给定时刻大约有10000种抗体存在。

抗体的产生

克隆选择学说

编码抗体 L 链可变区的基因，有三组基因: V 基因 有 400 种拷贝 J 基因 有5 种拷贝 C 基因 有 2 种拷贝 这样，L 链可变区的编码基因可能有的组合方式 40 0 x 5 x 2＝4 x 103 种

4、一级结构的功能 同源蛋白质：不同生物中执行相同功能的蛋白质 序列相似，长度近同 cyt c：线粒体中与氧化相关的蛋白质 高度同源 编制系统树即进化树

细胞色素c的一级结构与生物进化的关系

同源蛋白： 1、血红蛋白与肌红蛋白 2、丝氨酸蛋白酶类 如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、凝血酶、纤溶酶等 3、有些同源蛋白结构相似，但功能差别大如溶菌酶与乳清蛋白，相似的高级结构