蛋白质结构与功能的关系.ppt

第六章第六章 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、一级结构与功能的关系一、一级结构与功能的关系（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化v蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定它们在亲缘关系上的远近。它们在亲缘关系上的远近。1 1、同源蛋白质、同源蛋白质 不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质。质。v序列同源（序列同源（sequence homologysequence homology）：）：v不变残基（不变残基（invariant residueinvariant residue）：）：v可变残基（可变残基（variable residuevariable residue）：细胞色素细胞色素c c（cytochrome ccytochrome c）2 2、细胞色素、细胞色素c c 的进化的进化 真核生物细胞色素真核生物细胞色素c c 有有100100个左右氨基个左右氨基酸残基。其中有酸残基。其中有2828个位置的氨基酸是不变个位置的氨基酸是不变的，其中的，其中1717位和位和1414位上的位上的CysCys和和70-8070-80位的位的氨基酸是不变的。氨基酸是不变的。细细胞胞色色素素c c 的的进进化化树树同源蛋白质的起源共同性同源蛋白质的起源共同性肌红蛋白肌红蛋白 153AA-珠蛋白珠蛋白 141AA-珠蛋白珠蛋白 146AA同源序列同源序列38同源序列同源序列64丝氨酸蛋白酶类丝氨酸蛋白酶类v胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶以胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶以及血液凝固和溶解系统的酶都属于及血液凝固和溶解系统的酶都属于丝氨酸丝氨酸蛋白酶类，具有类似的活性中心，蛋白酶类，具有类似的活性中心，序列同序列同源性高，生理功能异化。源性高，生理功能异化。（二）氨基酸序列的局部断裂与蛋白质的激活（二）氨基酸序列的局部断裂与蛋白质的激活v 蛋白质一级结构中也有一些特定的序列能蛋白质一级结构中也有一些特定的序列能阻碍蛋白质表现出生物功能，只有将其切除阻碍蛋白质表现出生物功能，只有将其切除后才能形成有活性的蛋白质。后才能形成有活性的蛋白质。胰岛素原胰岛素原 胰岛素胰岛素蛋白酶原蛋白酶原 蛋白酶蛋白酶 血纤维蛋白原血纤维蛋白原 血纤维蛋白血纤维蛋白 胰岛素和它的前体胰岛素和它的前体凝血系统凝血系统v主要凝血因子主要凝血因子因子因子 I I，纤维蛋白原纤维蛋白原 因子因子 II,II,凝血素凝血素 因子因子 III,III,凝血酶原酶凝血酶原酶因子因子 IV,IV,钙钙(Ca(Ca2+2+)因子因子因子因子 V,V,促凝血球蛋白原，易变因子促凝血球蛋白原，易变因子 因子因子 VII,VII,转变加速因子前体，促凝血酶原激转变加速因子前体，促凝血酶原激 酶原，辅助促凝血酶原激酶酶原，辅助促凝血酶原激酶 因子因子 VIII,VIII,抗血友病球蛋白抗血友病球蛋白A(AHG A),A(AHG A),抗血抗血友病因子友病因子A A（AHFA),AHFA),血小板辅助因子血小板辅助因子 I,I,血友病血友病因子因子 VIII VIII 或或 A,A,v因子因子 IX,IX,抗血友病球蛋白抗血友病球蛋白B(AHG B)B(AHG B)，抗血友病，抗血友病因子因子B(AHF B)B(AHF B)，血友病因子，血友病因子 IX IX 或或 B B 因子因子 X,STUART(-PROWER)-F,X,STUART(-PROWER)-F,自体凝血酶原自体凝血酶原C C 因子因子 XI,ROSENTHAL XI,ROSENTHAL因子，抗血友病球蛋白因子，抗血友病球蛋白C C 因子因子 XII,HAGEMAN XII,HAGEMAN因子，因子，表面因子表面因子 因子因子 XIII,XIII,血纤维稳定因子血纤维稳定因子 辅助凝血因子辅助凝血因子FITZGERALDFITZGERALD因子因子 FLETCHERFLETCHER因子因子(激肽释放酶原激肽释放酶原)von-Willebrand-von-Willebrand-因子因子 Arg274 Thr275Arg274 Thr275凝血酶原激酶凝血酶原激酶Arg323 Ile324Arg323 Ile324专业位点专业位点:Arg Gly:Arg Gly血纤蛋白原血纤蛋白原血纤蛋白血纤蛋白凝血酶切点凝血酶切点血纤肽血纤肽A、18AA血纤肽血纤肽B、20AA血纤蛋白原为糖蛋白、血纤蛋白原为糖蛋白、分子量分子量340kD340kD，由，由6 6条多条多肽链组成，肽链组成，2929对二硫键对二硫键交联成网状分子。交联成网状分子。N端端C端端多净负电荷多净负电荷血纤蛋白分子长血纤蛋白分子长46nm,46nm,血纤蛋白凝块重复周期血纤蛋白凝块重复周期为为23nm23nm转谷氨酰胺酶催化转谷氨酰胺酶催化溶血系统溶血系统纤溶酶原：单链糖蛋白、纤溶酶原：单链糖蛋白、92kD92kD、790AA790AA。纤溶酶原激活剂（纤溶酶原激活剂（PAPA）：）：t-PA t-PA和和u-PAu-PA（三）氨基酸序列的局部变异（三）氨基酸序列的局部变异19541954年年指纹图谱（指纹图谱（finger printfinger print）HbAHbA（adult hemoglobin adult hemoglobin）HbSHbS（sickle-cell hemoglobinsickle-cell hemoglobin）HbA-链：链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHbS-链：链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys Val 取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑点含氧HbS脱氧HbS疏水位点血红蛋白分子凝集镰刀状细胞镰刀状细胞HbHb的治疗性矫正的治疗性矫正v研究发现在体外用氰酸钾研究发现在体外用氰酸钾(KCNO)(KCNO)处理镰刀处理镰刀状贫血病患者的红细胞，可以防止它在脱状贫血病患者的红细胞，可以防止它在脱氧状态下形成镰刀状。这种细胞生存时间氧状态下形成镰刀状。这种细胞生存时间比处理前要长，输氧能力也有好转。比处理前要长，输氧能力也有好转。HbSHbS分子的一个氨基用分子的一个氨基用KCNOKCNO修饰后就能抑制红修饰后就能抑制红细胞成镰刀状，这一反应同细胞成镰刀状，这一反应同COCO2 2与与HbAHbA结合结合类似，类似，COCO2 2也能结合到也能结合到N N端端NHNH2 2上，只是反应上，只是反应可逆，而可逆，而KCNOKCNO的修饰是不可逆的。的修饰是不可逆的。二、蛋白质高级结构与功能的关系二、蛋白质高级结构与功能的关系 （一）（一）肌红蛋白的功能肌红蛋白的功能 肌红蛋白的三级结构组成：珠蛋白和肌红蛋白的三级结构组成：珠蛋白和血红素。大小和形状：扁平状分子、血红素。大小和形状：扁平状分子、2.5nm 2.5nm 结构描述：结构描述：153153个个AA,8AA,8段段-螺旋组成，螺旋组成，分两层，单结构域。分子结构紧密，内分两层，单结构域。分子结构紧密，内部只能容纳部只能容纳4 4个水分子的空间。疏水基团个水分子的空间。疏水基团在分子的内部，亲水基团在分子表面，在分子的内部，亲水基团在分子表面，介于疏水和亲水之间的基团在分子内部介于疏水和亲水之间的基团在分子内部和外部都可以找到和外部都可以找到。NA1肌红蛋白肌红蛋白 存在于肌肉中，心肌含量存在于肌肉中，心肌含量特别丰富。是分子量为特别丰富。是分子量为1670016700的小分子球状蛋白质，由的小分子球状蛋白质，由153153个氨基酸残基及一个血红素组个氨基酸残基及一个血红素组成。鲸肌红蛋白的三级结构研成。鲸肌红蛋白的三级结构研究获得成功究获得成功 ，是第一个获得，是第一个获得完整构象的蛋白质。它有完整构象的蛋白质。它有8 8段段螺旋结构螺旋结构,A,A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H。整条肽链折叠成紧。整条肽链折叠成紧密球状分子，疏水侧链大都在密球状分子，疏水侧链大都在分子内部，极性带电荷的则在分子内部，极性带电荷的则在分子表面，因此水溶性好。分子表面，因此水溶性好。肌红蛋白肌红蛋白由多肽的折叠形成的疏由多肽的折叠形成的疏水空隙内是血红素辅基，水空隙内是血红素辅基，通过肽链上的通过肽链上的HisHis残基残基与肌红蛋白分子内部相与肌红蛋白分子内部相连，它对肌红蛋白的生连，它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与物活性是必需的（与O O2 2结合）。结合）。v由由4 4个吡咯环通过甲基桥连接成原卟啉个吡咯环通过甲基桥连接成原卟啉IXIX，另外有另外有4 4个甲基，个甲基，2 2个乙烯基和个乙烯基和2 2个丙酸基。个丙酸基。原卟啉原卟啉IXIX与与FeFe形成络合物，即是血红素。形成络合物，即是血红素。FeFe有有6 6个配位键，其中个配位键，其中4 4个键与卟啉环的个键与卟啉环的4 4个个N N原子相连，第原子相连，第5 5配位键与配位键与HisF8HisF8相连，第相连，第6 6配位键与配位键与O O2 2相连。相连。v如果血红素含如果血红素含FeFe2+2+，为亚铁血红素，为亚铁血红素，FeFe3+3+，为高铁血红素。相应的蛋白分别为亚铁肌为高铁血红素。相应的蛋白分别为亚铁肌红蛋白和高铁肌红蛋白。红蛋白和高铁肌红蛋白。辅基血红素辅基血红素Figure 7-18 The heme group,present in myoglobin,hemoglobin,cytochrome b,and many other heme proteins,consists of a complex organic ring structure,protoporphyrin,to which is bound an iron atom in its ferrous(Fe2+)state.Tvvo representations are shown in(a)and(b).(c)The iron atom has six coordination bonds,four in the plane of,and bonded to,the flat porphyrin molecule and two perpendicular to it.(d)In myoglobin and hemoglobin,one of the perpendicular coordination bonds is bound to a nitrogen atom of a His residue.The other is open and serves as the binding site for an O2 molecule,as shown here in the edge view.O O2 2与肌红蛋白的结合与肌红蛋白的结合vFeFe的第六配位键在没有的第六配位键在没有O O2 2时，是空着的，时，是空着的，O O2 2与肌红蛋白中的与肌红蛋白中的FeFe结合，结合以后结合，结合以后O O2 2轴轴与与Fe-OFe-O键形成键形成6060度的夹角，同时夹在远度的夹角，同时夹在远侧组氨酸（侧组氨酸（HisE7HisE7）的中间。）的中间。v除了除了O O2 2与与FeFe结合外，结合外，COCO也会与也会与FeFe结合，导结合，导致致COCO中毒。中毒。血红素辅基的结构血红素辅基的结构 CC 1.1.固定血红素；固定血红素；2.2.保护血红素保护血红素FeFe不被氧化；不被氧化；3.3.为分子氧提供一个合适的结合部位。为分子氧提供一个合适的结合部位。肌红蛋白的微环境的作用肌红蛋白的微环境的作用vO O2 2与血红素与血红素FeFe结合后，会改变肌红蛋白的结合后，会改变肌红蛋白的构象。没有结合氧时，铁卟啉是圆顶状，构象。没有结合氧时，铁卟啉是圆顶状，并且并且FeFe处于凸出位置，结合氧后铁卟啉处于凸出位置，结合氧后铁卟啉收回形成平面状。收回形成平面状。氧结合曲线氧结合曲线v MbO2 Mb O2 MbMbO O2 2 K=K=MbOMbO2 2 MbOMbO2 2 O O2 2 MbMb K K=vYY在给定的氧压下肌红蛋白的氧分数饱和度。在给定的氧压下肌红蛋白的氧分数饱和度。MbOMbO2 2 Y=MbOMbO2 2+O O2 2 O O2 2 Y=O O2 2+K+K 根据根据henryhenry定律定律:(O(O2 2)Y=(O(O2 2)+K)+KK=P50或或(P):肌红蛋白的被氧半饱和肌红蛋白的被氧半饱和 时的氧分压。时的氧分压。(O(O2 2)Y=(O(O2 2)+K)+K Y (O(O2 2)1 1Y K K=loglog log log(O(O2 2)-logK )-logK Hill Hill 方程方程Y1Y=肌红蛋白的肌红蛋白的K=PK=P5050或或(P)(P)约为约为2torr2torr。1 1托托1/7601/760大气压大气压1 1毫米汞柱毫米汞柱 1 1托帕（托帕（PaPa）（二）（二）高级结构变化对功能的影响高级结构变化对功能的影响 蛋白质的变构现象蛋白质的变构现象以以血红蛋白血红蛋白的别构的别构效应为例说明蛋白质的空间结构与功能的效应为例说明蛋白质的空间结构与功能的关系关系 。血红蛋白血红蛋白v血红蛋白有血红蛋白有4 4条多肽链，其中两条为条多肽链，其中两条为链链（141AA141AA），两条为），两条为链（链（146AA146AA），每个），每个亚基都有一个血红素分子，具有氧结合能亚基都有一个血红素分子，具有氧结合能力。力。v人在不同的发育阶段有不同的血红蛋白。人在不同的发育阶段有不同的血红蛋白。v HbA HbA 2 22 2 H21H21（143143）HisHis HbF HbF 2 22 2 H21H21（143143）SerServ链和链和链的三级结构与肌红蛋白相似。链的三级结构与肌红蛋白相似。v四个亚基形成对称结构。四个亚基形成对称结构。6.4nm5.5nm5.0nm 6.4nm5.5nm5.0nm 结构相似，结构相似，141AA141AA中中27AA27AA相同相同141AA146AA153AA氧结合引起的血红蛋白构象变化氧结合引起的血红蛋白构象变化 血红蛋白的别构效应血红蛋白的别构效应(变构效应变构效应)（allosteric effectallosteric effect）氧合作用显著改变氧合作用显著改变HbHb的四级结构，血红素的四级结构，血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换（从（从T T态态RR态）态）血红蛋白存在：血红蛋白存在：T T态（态（tense statetense state）R R态（态（relaxed staterelaxed state）亲和性不同：亲和性不同：T T态态去氧去氧HbHb的主要构象，氢的主要构象，氢键和盐键起稳定作用；键和盐键起稳定作用；R R态态氧合氧合HbHb的主要的主要构象。构象。Tyr140(HC2)Tyr140(HC2)、Tyr145(HC2)Tyr145(HC2)与与Val93 Val93（FG5FG5）、）、Val98Val98（FG5FG5）形成链内）形成链内氢键。氢键。当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基的当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基的铁结合后。即引起该亚基构象的改变，一个亚基铁结合后。即引起该亚基构象的改变，一个亚基构象的改变又会引起其余亚基的构象相继发生改构象的改变又会引起其余亚基的构象相继发生改变，亚基间的次级键被破坏，结果整个分子从紧变，亚基间的次级键被破坏，结果整个分子从紧密的构象变成比较松散的构象，易于与氧结合，密的构象变成比较松散的构象，易于与氧结合，使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。v 别构效应是指含亚基的蛋白质分子别构效应是指含亚基的蛋白质分子由于一个亚基构象的改变而引起其余由于一个亚基构象的改变而引起其余亚基以至整个分子构象、性质和功能亚基以至整个分子构象、性质和功能发生变化。发生变化。4 4(O(O2 2)Y=4 4(O(O2 2)+K)+K Y 4 4(O(O2 2)1 1Y K K=log 4log(O2)logK 方程表达式方程表达式Hill Y11Y=血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合 血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合 n n(O(O2 2)Y=n n(O(O2 2)+K)+K Y n n(O(O2 2)1 1Y K K=log nlog(O2)logK 方程一般表达式方程一般表达式Hill Y11Y=95%75%10%80%Figure 7-28 The oxygen-binding curves of myoglobin(Mb)and hemoglobin(Hb).Myoglobin has a much greater affinity for oxygen than does hemoglobin.It is 50%saturated at oxygen partial pressures(pO2)of only 0.15 to 0.30 kPa,whereas hemoglobin requires a pO2 of about 3.5 kPa for 50%saturation.Note that although both hemoglobin and myoglobin are more than 95%saturated at the pO2 in arterial blood leaving the lungs(13 kPa),hemoglobin is only about 75%saturated in resting muscle,where the pO2 is about 5 kPa,and only10%saturated in working muscle,where the pO2 is only about 1.5 kPa.Thus hemoglobin can release its oxygen very effectively in muscle and other peripheral tissues.Myoglobin,on the other hand,is still about 80%saturated at a pO2 of 1.5 kPa,and therefore unloads very little oxygen even at very low pO2.Thus the sigmoid O2-saturation curve of hemoglobin is a molecular adaptation for its transport function in erythrocytes,assuring the binding and release of oxygen in the appropriate tissues.H H+,CO,CO2 2对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响 波耳（波耳（BohrBohr）效应：）效应：pHpH对对HbHb对氧亲和力对氧亲和力的影响称为的影响称为BohrBohr效应。效应。H H+和和COCO2 2促进促进HbOHbO2 2释放释放O O2 2 2 2，3 3一二磷酸甘油酸（一二磷酸甘油酸（BPG BPG）对）对HbHb氧合氧合的影响的影响2,3-Bisphosphoglycerate (BPG)BPGBPG是血红蛋白的是血红蛋白的个别构个别构效应物。在效应物。在BPGBPG不存在时，不存在时，HbHb与氧的亲和力强。与氧的亲和力强。BPGBPG通通过血红蛋白的两个过血红蛋白的两个亚基形亚基形成盐桥稳定了它的脱氧态成盐桥稳定了它的脱氧态(T(T态态)构象，因而降低脱氧血构象，因而降低脱氧血红蛋白对氧的亲和力。红蛋白对氧的亲和力。Val1His2His143Lys82蛋白质的变性与复性蛋白质的变性与复性v天然蛋白质受物理或化学因素的影响，其天然蛋白质受物理或化学因素的影响，其共价键不变，但次级键被破坏，分子内部共价键不变，但次级键被破坏，分子内部原有的有序紧密的结构变为无序而松散，原有的有序紧密的结构变为无序而松散，致使其原有性质发生部分或全部丧失，称致使其原有性质发生部分或全部丧失，称为蛋白质的变性（为蛋白质的变性（denaturation）v变性后蛋白质的特性：生物活性丧失、理变性后蛋白质的特性：生物活性丧失、理化性质改变、一些侧链基团暴露、生物化化性质改变、一些侧链基团暴露、生物化学性质改变。学性质改变。（三）高级结构破坏对功能的影响（三）高级结构破坏对功能的影响变性的因素变性的因素 物理因素物理因素:加热、紫外线、加热、紫外线、X-X-射线、超射线、超声波等。声波等。化学因素化学因素:酸、碱、有机溶剂、蛋白变酸、碱、有机溶剂、蛋白变性剂（尿素、盐酸胍）、重金属盐等。性剂（尿素、盐酸胍）、重金属盐等。蛋白质的变性蛋白质的变性v有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质称为蛋白质复性新变为天然蛋白质称为蛋白质复性（renaturationrenaturation）。）。v蛋白质的一级结构决定其高级结构。换蛋白质的一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列。蛋白质的天然立体于其氨基酸的序列。蛋白质的天然立体结构一般是自由能最低的状态。结构一般是自由能最低的状态。vvAnfinsen Anfinsen（诺贝尔奖获得者）用极其简诺贝尔奖获得者）用极其简单的实验证明了蛋白质的一级结构决定单的实验证明了蛋白质的一级结构决定其高级结构。其高级结构。三、蛋白质的一级结构决定高级结构三、蛋白质的一级结构决定高级结构AnfinsenAnfinsen的实验的实验AnfinsenAnfinsen的实验的实验蛋白质立体结构是特定的和唯一的蛋白质立体结构是特定的和唯一的v生物体内的每一个基因均受到来自生物演生物体内的每一个基因均受到来自生物演化的选择，其结果是每个蛋白质均有其独化的选择，其结果是每个蛋白质均有其独特（和唯一的）的立体结构和生化生理功特（和唯一的）的立体结构和生化生理功能。能。v蛋白质以多肽链的形式被合成出来后，要蛋白质以多肽链的形式被合成出来后，要形成特定的立体结构后才有生理活性。拥形成特定的立体结构后才有生理活性。拥有生理活性的立体结构对每种蛋白质而言，有生理活性的立体结构对每种蛋白质而言，是特定的和唯一的，通常称之为天然结构是特定的和唯一的，通常称之为天然结构（native structurenative structure）。）。