蛋白质结构与功能的关系.ppt

5 蛋白质结构与功能的关系 Relationshipbetweenstructureandfunctionofprotein 生命学院张林生 ReversibleBindingofaProteintoaLigand Oxygen BindingProteins 蛋白与配体的可逆结合 ComplementaryInteractionsbetweenProteinsandLigands TheImmuneSystemandImmunoglobulins 蛋白和配体的互补性相互作用 ProteinInteractionsModulatedbyChemicalEnergy Actin Myosin andMolecularMotors 化学能调控的蛋白质相互作用 蛋白质功能PROTEINFUNCTION许多蛋白质的功能包括其他分子可逆的结合 肌红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能血红蛋白分子病免疫系统和免疫球蛋白肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩蛋白质结构与功能的进化 肌红蛋白的结构与功能 肌红蛋白的三级结构辅基血红素O2与肌红蛋白的结合O2的结合改变肌红蛋白的构象肌红蛋白结合氧的定量分析 氧结合曲线 血红素结构 肌红蛋白与氧的结合主要通过其中的血红素辅基结合 其中央的Fe II 形成6个配位键 可以与氧结合 卟啉环也可以与Cu I 结合最终形成血蓝蛋白 O2与肌红蛋白的结合 卟啉环 空间位阻 O2与肌红蛋白的结合 氧合改变MB的构象 0 026nm的位移 去氧肌红蛋白中由于His93的拉动 Fe II 移出卟啉环平面 O2的结合将Fe拉回原位 组氨酸F8和F7与HEM形成配位键 组氨酸O2和HisF8与血红素形成配位键 肌红蛋白结合氧的定量分析 氧结合曲线 蛋白质与配体的可逆结合 肌红蛋白与血红蛋白 去氧Mb 氧合Mb 氧分数饱和度 fractionalsatuation 肌红蛋白分子总数 氧合肌红蛋白分子数 Y 1Mb被氧完全饱和Y 0 5p O2 K P50 P50 Mb被氧半饱和时的氧分压 肌红蛋白氧合曲线 pO2 K pO2 Y O2 p50 K 2 8torr Y 0 5 双曲线型 蛋白质与配体的可逆结合 肌红蛋白与血红蛋白 肌红蛋白的氧饱和曲线 nH 1非协同 nH 1正协同 nH n完全协同 Hill系数与配体的结合 肌红蛋白氧合曲线 2 静脉血中氧分压 线粒体中氧分压 蛋白质与配体的可逆结合 肌红蛋白与血红蛋白 肌红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能血红蛋白分子病免疫系统和免疫球蛋白肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩蛋白质结构与功能的进化 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构氧结合引起的血红蛋白构象变化血红蛋白的协同性氧结合 Hb氧结合曲线 H CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响 血红蛋白是由 2 2组成的四聚体 每个亚基都有一个血红素辅基 和一个氧结合部位 每一个亚基相当于一个肌红蛋白 血红蛋白的结构 四聚体 卟啉铁 肌红蛋白血红蛋白 血红蛋白 有9个位置的残基是所有研究过的血红蛋白所共有的 这些高度保守的残基对血红蛋白分子的功能有着特殊重要的意义近侧组氨酸F8远侧组氨酸E7PheCD1和LeuF4与血红素接触 TyrHC2通过在H和F螺旋之间形成一个链内氢键以稳定分子GlyB6也是一个保守残基 这可能由于它的体积小 因为大于氢原子的侧链将不允许B和E螺旋彼此接近得如此紧密ProC2也很重要 因为它能引起C螺旋的终止 因而规定了C螺旋的一端 血红蛋白的四个亚基之间通过次级键结合在一起 其中不同的亚基之间的结合紧密 在血红蛋白和氧结合的过程中 亚基之间的缔合会受到影响 血红蛋白可看成是 二聚体的二聚体每个 二聚体作为一个刚体移动 人在不同的发育阶段血红蛋白亚基的种类是不同的 至少有7种基因 A G 成人血红蛋白主要是HbA HbA1 其亚基组成为 2 2 次要组分是HbA2 其亚基组成为 2 2 约占总Hb的2 胎儿血红蛋白简称HbF 亚基组成为 2 2 A 和G 均存在于HbF中 其差别仅在于第136位上的Ala改变为Gly HbF的 链和 链很相似 也由146个氨基酸组成但是 链中的H21 第143位 残基是Ser 而不是 链中的His 这样就减少了BPG 2 3 二磷酸甘油酸 分子结合部位的正电荷 也即减低了对BPG的亲和力 HbF对BPG的亲和力减低使得它对氧的亲和力增高 因此独立循环系统的胎儿能有效地通过胎盘从母体的血循环中吸收氧 血红蛋白亚基之间可通过离子键相互作用 从而稳定其四级结构 在与氧结合的过程中 亚基间的离子键发生变化 Hb的氧合与构象的改变 氧合作用改变Hb四级结构 未结合氧的T态 T态时 形成盐桥 Hb的氧合与构象的改变 与氧结合的R态 R态时 盐桥断裂 Hb的氧合与构象的改变 Hb的氧合与构象的改变 氧结合引起的血红蛋白构象变化 当血红素氧合时分子的这两个 二聚体半分子彼此滑移 如果一个 二聚体固定不动 则另一个 二聚体将绕一个设想的通过两个 二聚体的偏心轴旋转15 并平移0 08nm此时在两个 二聚体之间的界面上某些原子将移动多至0 6nm 肌红蛋白和血红蛋白的氧饱和曲线的比较血红蛋白对氧的结合具有分子开关效应 血红蛋白中各亚基之间存在协同效应 Hb的协同性氧合 然而实际观测到的氧结合曲线并不符合n 4的曲线 而是n 2 8 R relaxedstate T tensestate 血中氧分子的运送 静脉 动脉 环境氧高时Hb快速吸收氧分子 环境氧低时Hb迅速释放氧分子 释放氧分子后Hb变回Tstate Hb结合氧的调节 1 H CO2促进O2的释放 碳酸酐酶 H Hb氧合的拮抗物pH降低时 促进氧的释放缓冲血液pH 在氧分压不变时 低pH能促进更多的氧释放 Bohr效应 CO2与Hb的结合 释放的H 有助于Bohr效应氨甲酸可形成额外的盐桥 稳定T态促进氧的释放 H 和CO2降低血红蛋白对O2的亲和力 pH的降低使S曲线右移 即氧合能力降低 促使O2解离 组织呼吸释放CO2 CO2进入红细胞H2O CO2 H2CO2 H HCOH促使HbO2解离 因而有利于从肺向组织运送O2H和CO2结合于Hb从组织运送到肺部 HCO2从血浆运送至肺肺部的高氧分压使O2与Hb结合 促使H和CO2解离 H 与HCO2结合H2CO2 然后分解为H2O和CO2经肺排出 H 是Hb氧合的别构抑制剂 BPG 2 3 二磷酸甘油酸2 3 bisphosphoglycerate PBG降低血红蛋白对氧的亲和力 BPG降低Hb对氧的亲和力 Hb四聚体只有一个BPG结合部位 4个亚基缔合形成的中央空穴内 2 3 二磷酸甘油酸 Hb异促别构调节的效应物 BPG BPG的结合 BPG的结合 离子键稳定T态 BPG的结合 PBG和血红蛋白的结结合位点远离氧结合位点 胎儿通过脐带从母体中获得氧 所以胎儿的血红蛋白和氧的亲和力必须大于成年人 a2r2 r亚基和PBG结合力下降 PBG表面的负电荷和分子表面的正电荷相互作用 R态 PBG不能和HB结合 BPG的结合 hemoglobinfetalHbF 2 2 对氧的亲和力比成人高 Ser取代His与BPG结合能力减弱 氧合Hb中央空穴太小 容纳不了BPG BPG对R态Hb亲和力的大小顺序为 HbO2 Hb O2 2 Hb O2 3BPG与Hb O2 4不结合 肌红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能血红蛋白分子病免疫系统和免疫球蛋白肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩蛋白质结构与功能的进化 血红蛋白分子病 分子病是遗传的镰刀状细胞贫血病其他血红蛋白病地中海贫血 分子病 由于基因突变 导致蛋白质中氨基酸种类发生变化 并引起功能降低或丧失 镰刀型贫血症 sickle cellanemia 分子病是遗传的 Almost500geneticvariantsofhemoglobinareknowntooccurinthehumanpopulation allbutafewarequiterare 镰刀状贫血病 血液中大量出现镰刀红细胞 患者因此缺氧窒息 它是最早认识的一种分子病 死亡率极高 由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构突变血红蛋白病 hemoglobinopathy 是由于 或 链发生了变化 镰刀状红细胞贫血症 地中海贫血 thalassemia 是由于缺少了 或 链 HbA H2N Val His Leu Thr Pro Glu Glu LysCOOHHbS H2N Val His Leu Thr Pro Val Glu LysCOOHHbS 亚基的变化 Glu 极性 Val 非极性 镰刀形红细胞贫血症 Theaminoacidresiduesatposition6lieatthesurfaceofthehemoglobinmoleculeInHbA Glu的R侧链是带负电荷的离子 而HbS的Val侧链是非极性的疏水基团 此变化降低了去氧蛋白的溶解度 Val侧链形成一个突起 与另一个HbS上的互补口袋通过疏水作用聚集沉淀 其他血红蛋白病 突变发生在血红蛋白表面突变发生在血红素基附近突变发生在特异的部位突变发生在亚基界面上Seeyourbookonpage269 地中海贫血 Seeyourbookonpage270 肌红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能血红蛋白分子病免疫系统和免疫球蛋白肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩蛋白质结构与功能的进化 免疫系统和免疫球蛋白 免疫系统免疫系统能识别自我和非我在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应免疫球蛋白的结构和类别基于抗体 抗原相互作用的生化分析方法 能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原 antigen 一个单独的抗体或T细胞受体只能结合抗原内的一个特定分子结构 称为它的抗原决定簇 antigenicdeterminant 或表位 epitope 相对分子质量小于5000的分子一般没有抗原性 这种本身无抗原性 与载体蛋白结合后有了抗原性的物质称为半抗原 hapten 保守域可变域重链轻链 典型的免疫球蛋白包括12个结构域 b sheet占主导地位 免疫系统能识别自我和非我 免疫系统必须识别和破坏入侵的病原 也必须识别和不破坏生物 自我 的正常蛋白质和细胞 宿主中蛋白质抗原的检测是由MHC majorhistocompatibilitycomplex 蛋白介导的 膜蛋白 呈递抗原给T细胞MHC是种复合体 一种抗原的基因群 全称为 主要组织相容性复合体 即指某一染色体上一群紧密连锁的基因群 结合抗原肽的裂隙 MHCproteins与细胞内被消化的蛋白质的肽片段结合 并将它们展示在细胞的外表面 这些肽正常情况下来自于典型的细胞蛋白质的消化 但在病毒感染期间病毒蛋白液被消化 并由MHCproteins展出 由MHCproteins展出的外来蛋白质的肽段是免疫系统识别为非我 nonself 的抗原T cell受体与这些片段的结合 导致免疫反应的后续步骤 InclassIMHCproteins thesmall chainisinvariantbuttheaminoacidsequenceofthe chainexhibitsahighdegreeofvariability localizedinspecificdomainsoftheproteinthatappearontheoutsideofthecell Eachhumanproducesuptosixdifferent chainsforclassIMHCproteins Thegroovecanbefilledbyapeptidefrom8to10residueslonginanextendedconformation InclassIIMHCproteins boththe and chainshaveregionsofrelativelyhighvariabilityneartheiramino terminalends peptidesbetween13and18residueslongarebound Self nonselfrecognization 所以Tc细胞 TH细胞 Bcell在成熟过程中都要经过严格的选择 避免它们识别自身蛋白的呈递多肽 在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应 免疫球蛋白的结构和类别 ImmunoglobulinG IgG 是血清中最基本的一类抗体 也是血清中最丰富的蛋白之一 IgGhasfourpolypeptidechains twolargeones calledheavychains andtwolightchains 通过非共价键和二硫键连接成Mr150 000的复合体 L链和H链都可分为 可变区 variabledomain V区 和恒定区 constantdomain C区 IgG分子的基部与它的两个臂的连接处称铰链区 hingeregion immunoglobulinG IgG 可以被papain木瓜蛋白酶水解成3个50 kd片段 其中2个片段为抗体 称为Fab F代表片段 ab为抗体链 另一个片段称Fc为基部片段 恒定区 由于该片段易于结晶 没有抗原 抗体的各恒定区 CL CH1 CH2和CH3 之间 可变区 VL VH 之间存在同源序列AnIgGmoleculeconsistsofatotalof12immunoglobulindomains 每个结构域约含110个氨基酸 不论恒定区还是可变区都有一个二硫键 V区 C区 VL VH功能区 抗原结合部位 CH3功能区 是Ig与其Fc受体结合的部位 固定细胞 CL和CH区 具有同种异型抗体的遗传标记 CH2区 IgG的补体结合点和通过胎盘的部位 功能区的作用 免疫球蛋白的分类 Lightchain lightchainand lightchainCH CH 330个氨基酸CH 440个氨基酸 功能亚类IgG1IgG2IgG3IgG4特异性结合抗原 激活补体 经典 通过胎盘 结合SPA 结合FcrR 占血清中Ig总量 60 7015 205 101 7 人IgG亚类比较 IgG1 IgG2和IgG3能通过经典途径激活补体血清含量最高 75 85 也是丙种球蛋白的主要成分半衰期较长 16 24d 主要的抗感染抗体 具有抗菌 抗病毒 中和毒素和免疫调理作用 参与II III型超敏反应 IgG的特点 为五聚体 是分子量最大的Ig 称巨球蛋白 IgM激活补体 结合抗原 免疫调理作用比IgG强天然血型抗体是IgM IgM IgM是个体发育中最早产生的抗体 胚胎晚期已能合成 新生儿脐带血中若IgM水平升高 提示胎儿曾有宫内感染IgM是抗原刺激后出现最早的抗体 半衰期短 故检测IgM水平可用于传染病的早期诊断 mIgM是B细胞抗原受体 BCR 的主要成分也可参与II III型超敏反应 IgM的特点 分为血清型和分泌型两种 血清型IgA主要由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生 为单体 而分泌型IgA sIgA 是由呼吸道 消化道 泌尿生殖道等处的固有层中浆细胞产生 为双体 三体或多体 sIgA主要存在于唾液 泪液 以及呼吸道 消化道和泌尿生殖道黏膜表面的分泌液中 IgA IgA的特点 参与皮肤粘膜的局部抗感染作用初乳中含有高浓度的sIgA 母乳喂养通过替代途径激活补体参与 型超敏反应 sIgA的合成和主要作用部位在黏膜 IgD是B细胞的重要表面标志B细胞的分化过程中首先出现mIgM mIgD的出现标志着B细胞成熟对防止免疫耐受有一定作用 IgD 血清中含量最低可与肥大细胞 嗜碱性粒细胞上的高亲和力Fc 受体 Fc R 结合 引起 型超敏反应Fc R 分布于巨噬细胞 B细胞 嗜酸粒细胞 IgE 肌红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能血红蛋白分子病免疫系统和免疫球蛋白肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩蛋白质结构与功能的进化 肌球蛋白丝 肌动蛋白丝与肌肉收缩 肌纤维的结构肌原纤维由粗丝和细丝构成骨骼肌的相关蛋白质肌肉收缩的机制 肌丝滑动模型钙离子通道和钙泵控制收缩 松弛循环 生物体运动 细胞运动 器官和细胞内大分子运动 涉及到这类运动的主要是分子发动机的蛋白质Motorproteins发动机蛋白液称分子发动机molecularmotors 所有这些运动都涉及到化学能 ATP 转换ATP能成为运动的机械能 ATP水解驱动和控制构象变化 结果是一个分子 molecularmotors 相对于另一个分子 微丝或微管 发生滑动或步行 SkeletalMuscleMyosinandMuscleContraction Fourdifferentkindsofmusclearefoundinanimals 骨骼肌 skeletalmuscle 心脏肌 heartmuscle 平滑肌 smoothmuscle and 肌上皮细胞 myoepithelialcells Thecellsofthelatterthreetypescontainonlyasinglenucleusandarecalledmyocytes肌细胞 Thecellsofskeletalmusclearelongandmultinucleateandarereferredtoasmusclefibers肌纤维 Thefastestresponses ontheorderofmilliseconds areobservedforfast twitchskeletalmuscle 快缩骨胳肌 andtheslowestresponses ontheorderofseconds arefoundinsmoothmuscle Slow twitchskeletalmuscle 慢缩骨胳肌 tissuedisplaysanintermediateresponsetime 肌纤维的结构 骨骼肌由平行的肌纤维束组成每个肌纤维是一个长达5cm 直径20to100 m的柱形多核细胞 Eachfibercontainsabout1 000myofibrils肌原纤维 2 mindiameter肌纤维中含有许多线粒体 肌肉收缩时提供能源ATP内质网 称为肌质网 sarcoplasmicreticulum 很发达 分布在各个肌原纤维的周围 肌肉收缩时由它提供所需的Ca2 I带A带Z盘M盘H区 肌节Sarcomere 肌原纤维由粗丝和细丝构成 TheF actinhelixisthecoreofthethinfilament towhichtropomyosin 原肌球蛋白 andthetroponincomplex 肌钙蛋白复合体 alsoadd 骨骼肌的相关蛋白质 除骨胳肌的主要蛋白质外 尚有多种蛋白质在维持肌肉结构和调节肌肉收缩方面起着重要作用 肌球蛋白和肌动蛋白共占肌丝蛋白的65 原肌球蛋白和肌钙蛋白各占5 因此其他的调节和结构蛋白约占肌丝蛋白的25 共分为 肌球蛋白相关蛋白 myosin associatedprotein 和肌动蛋白相关蛋白 actionassociatedprotein 肌球蛋白相关蛋白包括在M盘中发现的3种蛋白 M蛋白 肌中蛋白 myomesin 肌酸激酶 creatinekinase 这三种蛋白在M盘的缔合维持肌球蛋白丝的结构完整性 肌酸激酶促进肌肉收缩期间被消耗的ATP快速再生 此外还发现与粗丝有关蛋白质 C蛋白 F蛋白和H蛋白 CproteininhibitsmyosinATPaseactivityatlowionicstrengthbutactivatesitatphysiologicalionicstrength 肌动蛋白相关蛋白包括 辅肌动蛋白 actinin 和副原肌球蛋白 paratropomyosin 肌动蛋白丝的一端是以有规则的方式连接在Z盘上的 与Z盘有关的蛋白质有 actinin desmin 结蛋白 和波形蛋白 vimentin 另2个细胞骨架蛋白 tinin 肌连蛋白 alsoconnectin 和伴肌动蛋白 nebulin 占肌丝总蛋白的15 他们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网 Tinin是一种弹性蛋白 在张力下能伸展 肌连蛋白是现在已知最大的蛋白质 心肌肌连蛋白有26926个氨基酸残基组成 相对分子质量为2993 103 其序列主要 90 由244个免疫球蛋白和纤连蛋白3 FN3 结构域组成 在肌连蛋白的中央是一个新的结构花式 motif 由PEVK pro glu val lys 的重复单位组成 PEVK结构可能起弹簧装置的作用 在肌肉伸展之后可拉动肌肉恢复原形 并且也可能在调节肌纤维的强度和弹性方面起作用 肌肉收缩的机制 肌丝滑动模型 directionalcharacterofmyosinandactin 微管及其马达 Oneofthesimplestself assemblingstructuresfoundinbiologicalsystemsisthemicrotubule微管 oneofthefundamentalcomponentsoftheeukaryoticcytoskeletonandtheprimarystructuralelementofciliaandflagella KinesinandDyneinMoveAlongMicrotubules Microtubulesserveastracksfortwoclassesofmotorproteinsnamely kinesins驱动蛋白anddyneins动力蛋白 Kinesinsmovingalongmicrotubulesusuallycarrycargosuchasorganellesandvesiclesfromthecenterofacelltoitsperiphery Dyneinsareimportantinslidingmicrotubulesrelativetooneotherduringthebeatingofciliaandflagellaonthesurfacesofsomeeukaryoticcells Figure34 25 KinesinMovingAlongaMicrotubule 1 Oneheadofatwo headedkinesinmolecule initiallywithbothheadsintheADPform bindstoamicrotubule 2 ReleaseofADPandbindingofATPresultsinaconformationalchangethatlockstheheadtothemicrotubuleandpullsthenecklinker orange totheheaddomain throwingtheseconddomaintowardtheplusendofthemicrotubule 3 ATPhydrolysisoccurswhilethesecondheadinteractswiththemicrotubule 4 TheexchangeofATPforADPinthesecondheadpullsthefirstheadoffthemicrotubule releasingPiandmovingthefirstdomainalongthemicrotubule 5 Thecyclerepeats movingthekinesindimerfartherdownthemicrotubule 蛋白质结构与功能的进化 蛋白质结构和功能多样化和专一化发展基因突变基因复制蛋白质结构和功能之间具有高度的统一性和适应性 1 蛋白质的功能是由空间构象决定的2 蛋白质空间构象由关键部位AA顺序决定3 关键部位AA的变化会引起功能改变