生物化学课件6蛋白质结构与功能关系

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上海大学生命科学学院,*,第六章 蛋白质结构与功能的关系,一、肌红蛋白的结构与功能,二、血红蛋白的结构与功能,三、血红蛋白分子病,四、免疫系统与免疫球蛋白,五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩,六、蛋白质的结构与功能的进化,9/17/2024,上海大学生命科学学院,一、肌红蛋白的结构与功能,（一）肌红蛋白的三级结构,肌红蛋白（,myoglobin,，,Mb,）是哺育动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。,Mb,由一条多肽链和一个辅基血红素组成。,除去血红素辅基的肌红蛋白称为珠蛋白，与血红蛋白的亚基在氨基酸序列上具有明显的同源性。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,Mb,分子中多肽主链由长短不一的,8,段直的,螺旋组成，,8,段螺旋分别命名为,A,、,B,、,C,、,、,H,，相应的非螺旋肽段称为,NA,、,AB,、,、,HC,。,8,个螺旋段大体上组装成两层，构成肌红蛋白的单结构域。拐弯处,螺旋受到破坏。,Mb,的整个分子致密结实，分子内部只有能容纳,4,个水分子的空间。,含亲水侧链基团的氨基酸残基几乎全部分布在分子表面，疏水侧链的氨基酸残基几乎全部埋在分子内部。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（二）辅基血红素,某些过渡金属的低氧态（,Fe,2+,和,Cu,+,）具很强的结合氧倾向。,进化过程中肌红蛋白血红蛋白以,Fe,（,）作为氧结合部位，血蓝蛋白用,Cu,（,）。,肌红蛋白血红蛋白家族中,Fe,由原卟啉,固定。原卟啉,是四吡咯环系统。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,Chlorophyll,Hemoglobin,原卟啉,属于卟啉类，有很强的着色力。血红蛋白中的铁卟啉使血液呈红色，叶绿蛋白中的镁卟啉使植物呈绿色。,原卟啉,与铁的络合物铁原卟啉,称血红素（,heme,）。,Fe,有,6,个配位键，其中,4,个与四吡咯环的,N,原子相连，另两个分布于卟啉环面的上下。,Fe,原子可以是亚铁或高铁氧化态，其中只有,亚铁态,的蛋白质才能结合氧。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（三）,O,2,与,Mb,的结合,Mb,中血红素铁在第,5,配位键与珠蛋白第,93,位,His,的咪唑,N,结合，当,Mb,成为,MbO,2,时，第,6,配位被,O,2,占据，但去氧后第,6,配位位置空着。在高铁,Mb,中氧结合部位失效，,H,2,O,代替,O,2,填充该部位。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,游离在溶液中的铁卟啉结合,CO,比结合,O,2,强,25 000,倍，但在肌红蛋白中血红素对,CO,的亲和力仅比,O,2,约大,250,倍。这里,CO,的直线结合受到阻碍主要是远侧,His,的空间位阻造成的。,在血红素基的氧结合部位一侧，还有另一个,His,残基,（第,64,位）,，与氧分子能紧密接触。被结合的氧分子夹在,His,咪唑环,N,和,Fe,原子之间。氧结合部位是一个空间位阻区域。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,肌红蛋白和血红蛋白在进化中形成的多肽微环境至少有,3,个作用,：（,1),固定血红素基；（,2),保护血红素铁免遭氧化；（,3),为,O,2,提供一个合适的结合部位。,（四）,O,2,的结合改变,Mb,的构象,在去氧,Mb,中,Fe,离子只有,5,个配体，并位于离卟啉环平面上方,0.055nm,处，铁卟啉呈圆顶状。当与,O,2,结合时，铁离子被拉回到离卟啉环平面只有,0.026nm,处，铁卟啉变成平面状。,这一微小的移动显著影响,血红蛋白,的性质，改变血红蛋白四聚体内亚基亚基相互作用。亚基关系上的这些变化是血红蛋白具有别构性质的基本原因。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（五）,Mb,的氧合曲线,Mb+O,2,MbO,2,令,:,氧饱和度,（,1,）,将,（,2,）,带入,（,1,）,式，得：,可推得：,则,（,2,）,9/17/2024,上海大学生命科学学院,Y,对,Po,2,作图得,氧合曲线,肌红蛋白的,Hill,曲线,斜率,=1,-,logK,logP,O2,log,LogY/(1-Y)=0,时的斜率称,Hill,系数（,n,H,),9/17/2024,上海大学生命科学学院,二、血红蛋白的结构与功能,血红蛋白（,hemoglobin,，,Hb,）的主要功能是在血液中结合并转运氧气。,红细胞成熟期间产生大量的,Hb,（含,3,亿个,Hb,），,Hb,以高浓度（约,34,）溶于红细胞溶胶中。动脉血中,Hb,约为,96%,氧饱和度，静脉血中则为,64%,。向组织释放,6.5mlO,2,/100ml,血液。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（一）,Hb,的结构,1.Hb,的亚基组成,脊椎动物的,Hb,由,4,个多肽亚基组成，两个,亚基，两个,亚基。每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。,胎儿血红蛋白（,Hb,F,）对氧的亲和力增高，能有效地通过胎盘从母体的血循环中吸收氧。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,成人：,HbA,：,2,2,98%,HbA,2,：,2,2,2%,胎儿：,HbF,2,2,早期胚胎：,2,2,人体内有正常功能的血红蛋白,发育阶段 名称 亚基组成 百分含量,9/17/2024,上海大学生命科学学院,2.Hb,的三维结构,分子近似球形，整个分子形成,C,2,点群对称。,4,个血红素辅基分别位于每个多肽链的,E,和,F,螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子表面。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,Hb,的,链和,链的三级结构与,Mb,的三级结构非常相似，这表明似乎十分不同的氨基酸序列也能够规定出非常相似的三级结构。,不同种属的,Hb,氨基酸序列中有,9,个位置的残基是共有的，这些高度保守的残基对,Hb,的功能有着特殊重要的意义。,Hb,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留下来。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（二）氧结合引起的,Hb,构象变化,1.,氧结合显著改变,Hb,的四级结构,HbO,2,与,Hb,在四级结构上有显著不同，特别是,亚基的相互作用发生变化。,接触,装配接触（重要，从去氧变氧合时保持不变）,(,1,1,和,2,2,),滑动接触（氧合时接触亦发生改变）,(,1,2,和,2,1,),9/17/2024,上海大学生命科学学院,2.,血红素铁的微小移动导致,Hb,构象的转换,氧合过程中铁原子位移引发的构象改变,O,2,F8,Histidine,空间排斥,Feme,Fe,2+,移动时，拖动,HisF8,残基,并进而引起螺旋,F,和拐弯,EF,和,FG,的,位移。这些移动传递到亚基的界面，引发构象的重调，导致四级结构的改变。（,T,R,）,F Helix,Feme,Fe,F8,Histidine,O,2,EF,FG,9/17/2024,上海大学生命科学学院,3.HbO,2,与,Hb,代表不同的构象态,血红蛋白存在两种主要的构象：,T,态（紧张态）和,R,态（松弛态）。,O,2,对,R,态的亲和力明显高于,T,态，并且氧的结合更稳定,R,态。,O,2,与一个处于,T,态的血红蛋白亚基结合将引发构象由,T,态转变为,R,态。,T,态是去氧血红蛋白的主要构象，作为去氧,T,态的血红蛋白由专一的氢键和盐键起着稳定作用。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,脱氧血红蛋白亚 基间的交联键,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（三）,Hb,的协同性氧结合,Hb,的氧合具有正协同性同促效应，一个,O,2,的结合增加同一,Hb,分子中其余空的氧结合部位对,O,2,的亲和力。,Mb,和,Hb,的氧合曲线比较,Hb,氧合曲线为,S,形。,Mb+O,2,MbO,2,令,:,氧饱和度,（,1,）,将,（,2,）,带入,（,1,）,式，得：,可推得：,则,（,2,）,9/17/2024,上海大学生命科学学院,n,H,=1,无协同性,n,H,1,正协同性,n,H,1,负协同性,9/17/2024,上海大学生命科学学院,Hb,的输氧功能,Mb,的储氧功能,Hb,氧合协同性使得它更有效地起着输送氧气的作用。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,血红蛋白,P,50,=26,torr,，,肺泡氧压：,Po,2,=100,torr,，,Y=0.97,肌肉毛细血管：,Po,2,=20,torr,，,Y=0.25,释放氧：,Y=0.97,0.25=0.72,肌红蛋白（无协同效应）：,Y,不足,0.1,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（四）,H,+,、,CO,2,和,BPG,对,Hb,结合氧的影响,1. H,+,、,CO,2,促进,O,2,的释放,9/17/2024,上海大学生命科学学院,Bohr,效应：,pH,下降使得,Hb,的氧分数降低。,Bohr,效应具有重要的生理意义。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,2.BPG,降低,Hb,对,O,2,的亲和力,DPG,在脱氧,Hb,中的结合位点,DBG binding site,BPG,与,Hb,的相互作用属于异促别构调节。,BPG,把两个,链交联在一起，稳定,Hb,的,T,态构象，促进氧的释放。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,DPG,对,Hb,的变构效应物功能,BPG,浓度的调节（浓度升高）对肺中,O,2,的结合影响不大，但对组织中,O,2,的释放影响不小。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,BPG,的别构效应,BPG,是血红蛋白的负效应物。,BPG,（,2,3-,二磷酸甘油酸,）通过与它的两个,亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态的构象，因而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。,无,BPG,时，,P,50,=2,torr,，,BPG=4.5mM,时，,P,50,=26,torr,BPG,进一步提高了血红蛋白的输氧效率。在肺部，,PO,2,超过,100torr,，因此，即使没有,BPG,，血红蛋白也能被饱和，在组织中，,PO,2,低，,BPG,降低血红蛋白的氧亲和力，加大血红蛋白的卸氧量。,（,1,）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,水平的下降。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,氧的,S,形曲线结合，,Bohr,效应以及,BPG,效应物的调节使得血红蛋白的输氧能力达到最高效应。同时由于能在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，因此使肌体的氧水平不致有很大的起伏。此外血红蛋白使肌体内的,pH,也维持在一个较稳定的水平。,血红蛋白的别构效应充分地反映了它的生物学适应性、结构与功能的高度统一性。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,三、血红蛋白分子病,（一）分子病是遗传的,除精子和卵子之外，人的所有细胞在正常情况下均为二倍体，存在等位基因。基因的改变导致其指导的蛋白质结构和功能的改变。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,与有缺陷的,Hb,有关的疾病,（,1,）血红蛋白病：由于,或,链发生了变化,（,2,）地中海贫血：由于缺少了,或,链,（二）镰刀状细胞贫血病,（,sickle-cell anemia,）,镰刀状细胞贫血病清楚地反映出蛋白质的氨基酸序列在决定它的二、三、四级结构及生物功能方面的重大作用。,红细胞脱氧时，镰刀状细胞明显增加。不正常的,Hb,称为,HbS,。,1.,镰刀状细胞贫血病由,Hb,突变引起,9/17/2024,上海大学生命科学学院,镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病，但它能抵抗疟疾。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,2.HbS,氨基酸序列的细微变化,-,链,N,端氨基酸排列顺序,1 2 3 4 5 6 7 8,Hb,-A,（,正常人）,Val-His-,Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys,Hb,-S,（,患 者）,Val-His-,Leu-Thr-Pro-,Val,-Glu-Lys,9/17/2024,上海大学生命科学学院,3.HbS,可形成纤维状沉淀,血红蛋白,S,线性缔合的分子基础,脱氧,HbS,聚集成纤维状结构,6,条脱氧,HbS,纤维状缠绕成长管状结构,9/17/2024,上海大学生命科学学院,纤维沉淀的形成细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,4.,镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正,在体外用氰酸钾处理镰刀状细胞贫血病患者的红细胞，可以防止它在缺氧状态下形成镰刀状。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（三）其它血红蛋白病,Hb,突变如影响,Hb,下述四个关键区域之一者的都可能造成严重后果：红细胞镰刀状化，,Hb,亲和力改变，,Heme,丢失和四聚体解离等。,（,1,）突变发生在,Hb,分子表面,（,2,）突变发生在,Heme,基附近,（,3,）突变发生在特异的部位,（,4,）突变发生在亚基界面上,血红蛋白亚基间氢键的形成,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（四）地中海贫血,(,thalassemia,),产生途经,：（,1,）缺失一个或多个编码,Hb,的基因；（,2,）一个或多个基因发生无义突变；（,3,）突变发生在编码区之外，导致转录阻断或,hnRNA,不正确加工。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,1.,地中海贫血,珠蛋白基因丢失或不能表达。需依赖胎儿,链的连续产生以形成有功能的血红蛋白。多数不到成熟就夭折。,2.,地中海贫血,珠蛋白水平低下，形成,4,、,4,或,4,同四聚体，它们能结合氧，但无血红蛋白的别构效应，总是处于,R,态，不呈现,Bohr,效应，向组织卸氧的效率差。通常在出生前或出生后不久死亡。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,四、免疫系统与免疫球蛋白,免疫,(immunity),是人类和脊椎动物最重要的防御机制，免疫系统能在分子水平上识别“自我”和“非我”，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。在生理水平上免疫系统对入侵的反应或应答（,respone,）是多种类型的蛋白质、分子和细胞之间的一套复杂而协同的相互作用，然而在个别蛋白质水平上免疫反应是配体与蛋白质可逆结合的一个生化系统。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,免疫系统,体液免疫系统：针对细菌感染、胞外病毒以及进入生物体的外来蛋白质。,细胞免疫系统：破坏被病毒感染的细胞、某些寄生物和外来的移殖组织。,（一）抗原、抗体和免疫球蛋白的,概念,9/17/2024,上海大学生命科学学院,免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。,淋巴细胞,B,细胞,T,细胞,T,H,细胞,T,C,细胞,能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原（,antigen,）。一个复杂的抗原可以被若干个不同的抗体结合。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,当外源物性物质，如蛋白质、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、颗粒（细菌、细胞、病毒）进入人或动物体内时，机体的免疫系统便产生相应的免疫球蛋白（,immune,globin,），,并以之结合，以消除异物的毒害。此反应称为免疫反应，此异物便是抗原,(antigen),，此球蛋白便是抗体,(antibody),。,抗体的特点：高度特异性；多样性,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,IgG,IgA,IgM,IgD,IgE,重链类别,轻链类别,或 或 或 或 或,链的组成,（二）人免疫球蛋白的分类,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（三）免疫球蛋白,结构,和,免疫系统,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,IgM,的一级结构,9/17/2024,上海大学生命科学学院,IgG,的空间结构,9/17/2024,上海大学生命科学学院,IgG,与抗原形成 的交联晶格,9/17/2024,上海大学生命科学学院,H,链兰色，,L,链黄色，,E,绿色（分子中一个,Glu,为红色）,溶菌酶与抗体,Fab,片段结合模型,9/17/2024,上海大学生命科学学院,B,细胞,和,T,细胞,上抗原的膜受体,B,细胞,T,H,细胞,T,C,细胞,CD4,CD8,T,细胞受体,T,细胞受体,受体 （膜结合抗体）,细胞膜,细胞膜,9/17/2024,上海大学生命科学学院,MHC,蛋白质分子图解,MHC-,蛋白,内侧,1,结合抗原肽的裂隙,结合抗原肽的裂隙,2,-,微球蛋白,2,3,2,1,1,2,内侧,外侧,外侧,质膜,质膜,MHC-,蛋白,9/17/2024,上海大学生命科学学院,抗原呈递细胞上的,MHC,蛋白,-,抗原肽复合物与,T,细胞上的,T-,细胞受体的相互作用,MHC-,蛋白,MHC-,蛋白,抗原呈递细胞,CD8,或,CD4,抗原肽,T,细胞受体,（巨噬细胞、,B,细胞或靶细胞）,CD3,蛋白复合体,T,细胞,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（四）,多克隆抗体和单克隆抗体,如果给动物注射抗原,虽然抗原与各种抗体产生细胞的亲和性有所不同,但是还是有大量抗体产生细胞将与之结合,结果血液中出现的抗体源于数种不同的细胞克隆，这些抗体就是,多克隆抗体,（,polyclonal antibodies,）。,如果可以分离到抗体产生细胞的单克隆，然后使所有的抗体均来自同样的克隆，这样制备的抗体称为,单克隆抗体,（,monoclonal antibodies,）。,由于单抗细胞的寿命有限，严重限制了单抗的常规制备。,1975,年，,Milsetein,和,Kohler,创建了不受限制地大量制备针对特异抗原的单抗技术，将可产生专一性抗体的,B,淋巴细胞与具有无限繁殖能力的恶性淋巴瘤细胞（骨髓瘤细胞）融合，融合体称为杂交瘤，它既可以永久地培养，又可分泌大量的均一的抗体。由于用这个技术产生的抗体具有很高的专一性，现已成为研究的常用工具。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩,肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。,（一）肌纤维的结构,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（二）肌原纤维的构成,9/17/2024,上海大学生命科学学院,（三）骨骼肌的相关蛋白,1.,肌球蛋白,(myosin),所有,actin,-dependent motor,roteins,都属于该家族，其头部具,ATP,酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。,Myosin ,：主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域,(,具有,ATPase,活性,),和尾部链,多个,Myosin,尾部相互缠绕，形成,myosin filament,即粗肌丝。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,2.,原肌球蛋白,(,tropomyosin, Tm),由两条平行的多肽链形成,-,螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。,3.,肌钙蛋白,(,Troponin,Tn,),为复合物，包括三个亚基：,TnC(Ca,2+,敏感性蛋白,),能特异与,Ca,2+,结合,;,TnT,(,与原肌球蛋白结合,);,TnI,(,抑制肌球蛋白,ATPase,活性,),9/17/2024,上海大学生命科学学院,（四）,肌丝滑动模型,9/17/2024,上海大学生命科学学院,9/17/2024,上海大学生命科学学院,六、蛋白质的结构与功能的进化,蛋白质的多样化和专一化是在生物进化过程中实现的，但现代的蛋白质还保存着祖先留下来的结构与功能关系上的痕迹。,在核酸控制下的蛋白质的生物合成具有保守的一面，但生物环境的变化会引起,DNA,的突变，影响蛋白质的生物合成。,若取代的部位不影响蛋白质的生物功能，这种蛋白质在进化过程中仍有可能被自然选择下来，形成许多同源蛋白；如取代部位落在活性区，则生物功能受到影响或完全消失。若这种蛋白质在维持生命活动过程中是不可缺少的，这种突变将是致命的；如果并非绝对必需，这种突变只造成程度不同的疾病，如各种遗传病。另一方面，突变的结果使产生的蛋白质功能更加完善，或具有适应改变了环境的新功能蛋白质，这就是新蛋白的来源之一。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,新蛋白质都是在旧蛋白质的基础上，经过突变、遗传和自然选择的进化过程产生和发展起来的。,蛋白质的结构与功能之间具有高度的统一性和适应性，这是事情的一个方面。另一方面，今天的适应性是由过去的不适应性转化而来，并且今天生物体内的各种蛋白质在结构和功能上的适应性后面，仍然而且始终隐藏着不适应性。,9/17/2024,上海大学生命科学学院,