蛋白质的结构和功能.ppt

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1、 第6章 蛋白质功能与进化 一一 蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性 1 1 催化生物体内几乎所有化学反应的酶是都蛋白质。催化生物体内几乎所有化学反应的酶是都蛋白质。2 调节物质代谢的许多激素也是蛋白质或多肽。调节物质代谢的许多激素也是蛋白质或多肽。3 3 转运各种营养和代谢物，例如：氧和二氧化碳，转运各种营养和代谢物，例如：氧和二氧化碳，脂类等。脂类等。4 4 储存作为营养物质储库。储存作为营养物质储库。5 5 运动运动肌肉收缩。肌肉收缩。6 6 结构成分蛋白质是生物体内的最重要的物质结构成分蛋白质是生物体内的最重要的物质 7 7 支架作用支架作用 支架蛋白参与对激素和其他信号分子的支架蛋

2、白参与对激素和其他信号分子的应答、协调和通讯。应答、协调和通讯。8 8 防御和进攻防御和进攻 抵抗外源性异物侵害而产生免疫反应抵抗外源性异物侵害而产生免疫反应的抗体是蛋白质。的抗体是蛋白质。病毒对宿主的感染过程等都是蛋白病毒对宿主的感染过程等都是蛋白病毒对宿主的感染过程等都是蛋白病毒对宿主的感染过程等都是蛋白质在其中起作用。防冻蛋白、凝血酶和血纤维蛋白等质在其中起作用。防冻蛋白、凝血酶和血纤维蛋白等质在其中起作用。防冻蛋白、凝血酶和血纤维蛋白等质在其中起作用。防冻蛋白、凝血酶和血纤维蛋白等二二 血红蛋白的结构血红蛋白的结构 血红蛋白的亚基组成血红蛋白的亚基组成血红蛋白的亚基组成血红蛋白的亚基组

3、成成人成人 HbA HbA：2 22 2 98%98%，HbA HbA2 2：2 22 2 2%2%胎儿：胎儿：HbF HbF 2 22 2早期胚胎早期胚胎 2 22 2（一）辅基血红素（一）辅基血红素 在含铁的蛋白质固定在含铁的蛋白质固定FeFe2+2+的方式的方式有许多种。肌红蛋白中的辅基血红素是有许多种。肌红蛋白中的辅基血红素是原卟啉原卟啉的有机分子。的有机分子。辅基血红素辅基血红素是原卟啉是原卟啉的有机分子。的有机分子。原卟啉原卟啉与与铁的络合物铁的络合物铁原卟啉铁原卟啉称血红素。称血红素。（二）珠蛋白（二）珠蛋白（肌红蛋白肌红蛋白）的三级结构的三级结构 肌红蛋白是第一个被确定具有三级

4、结构肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质，的蛋白质，是哺乳动物肌肉中储氧的单体蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的单体蛋白质。由质。由153个氨基酸残基组成的一条多肽链个氨基酸残基组成的一条多肽链（珠蛋白）和一个血红素辅基组成。（珠蛋白）和一个血红素辅基组成。不含辅基的蛋白质称为球蛋白（不含辅基的蛋白质称为球蛋白（gilobingilobin）也）也称珠蛋白称珠蛋白8 8段直的段直的-螺旋螺旋组成，分别命名组成，分别命名为为A A、B B、CHCH，拐弯处是由拐弯处是由1818个氨基酸组成的个氨基酸组成的松散肽段（无规松散肽段（无规卷曲）。卷曲）。血红素辅基血红素辅基 ，扁平状，结合，扁平状，结合

5、在肌红蛋白表面在肌红蛋白表面的一个洞穴内。的一个洞穴内。（三）与（三）与O O2 2结合的机制结合的机制 作为辅基的血红素非共价结合于肌红蛋白的疏水空作为辅基的血红素非共价结合于肌红蛋白的疏水空穴中，肌红蛋白铁在第穴中，肌红蛋白铁在第5 5配位键与配位键与9393位位HisHis残基咪唑基的残基咪唑基的N N结合，第结合，第6 6配位键与氧结合时，称为氧合肌红蛋白，脱氧配位键与氧结合时，称为氧合肌红蛋白，脱氧是该键空位，称为脱氧肌红蛋白。是该键空位，称为脱氧肌红蛋白。脱氧肌红蛋白脱氧肌红蛋白FeFe（）离子只有）离子只有5 5个配体，突出卟啉个配体，突出卟啉环，形成圆顶状。当肌红蛋白血红素中环

6、，形成圆顶状。当肌红蛋白血红素中FeFe（）离子与）离子与氧结合。产生位移被拉进卟啉环，成为平面形。同时牵氧结合。产生位移被拉进卟啉环，成为平面形。同时牵动位于动位于F F段第段第8 8位的位的 His His所在的所在的F F螺旋，引发构象变化转变螺旋，引发构象变化转变为氧合肌红蛋白。为氧合肌红蛋白。COCO可以与其结合，空气中可以与其结合，空气中COCO浓度过高会产生中毒现浓度过高会产生中毒现象。游离血红素对象。游离血红素对COCO的亲和力比对的亲和力比对O O2 2强强2500025000倍，但倍，但是与肌红蛋白结合的血红素对是与肌红蛋白结合的血红素对COCO的亲和力只比对的亲和力只比对

7、O O2 2强强250250倍。肌红蛋白和血红蛋白凭借位阻降低了对倍。肌红蛋白和血红蛋白凭借位阻降低了对COCO的亲和力，有效地防止体内代谢产生的的亲和力，有效地防止体内代谢产生的COCO与它们的与它们的结合，对机体产生毒害。结合，对机体产生毒害。（四）（四）血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构血红蛋白（血红蛋白（血红蛋白（血红蛋白（hemoglobin,Hbhemoglobin,Hbhemoglobin,Hbhemoglobin,Hb）的主要功能是）的主要功能是）的主要功能是）的主要功能是在血液在血液中结合并转运中结合并转运O O2 2，它存在于血液的红细胞中，在红，它存在于血液的红细胞中，

8、在红细胞成熟期间产生大量的血红蛋白，并失去胞内细胞成熟期间产生大量的血红蛋白，并失去胞内的细胞器细胞核、线粒体、内质网等。的细胞器细胞核、线粒体、内质网等。血红蛋白血红蛋白(hemoglobin)(hemoglobin)的四级结构的四级结构 血红蛋白将肺部的氧运送的体内各组织中去，在肌血红蛋白将肺部的氧运送的体内各组织中去，在肌肉组织中血红蛋白释放氧，通过细胞质膜与肌红蛋白结肉组织中血红蛋白释放氧，通过细胞质膜与肌红蛋白结合。合。肌红蛋白在肌肉中储存氧，血红蛋白通过血液循肌红蛋白在肌肉中储存氧，血红蛋白通过血液循环运输氧至全身。环运输氧至全身。三三 血红蛋白的功能：运输氧血红蛋白的功能：运输氧

9、（一）肌红蛋白是氧的贮库（一）肌红蛋白是氧的贮库别构效应：别构效应：一个配体与蛋白质上的一个部位结合，改变该蛋白质一个配体与蛋白质上的一个部位结合，改变该蛋白质其他部位的亲和力。只有寡聚蛋白才有别构效应。其他部位的亲和力。只有寡聚蛋白才有别构效应。具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白。具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白。配体也称调节物，或效应物。配体也称调节物，或效应物。调节物（或效应物）结合的部位称为调节部位或别构调节物（或效应物）结合的部位称为调节部位或别构部位。部位。（二）血红蛋白氧合的协同性和别构效应（二）血红蛋白氧合的协同性和别构效应 一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配一个亚基与配体结合

10、，导致其它亚基与配体的亲和力改变的现象称为协同性。体的亲和力改变的现象称为协同性。一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配体的亲和力增加的现象称为正协同性。反之体的亲和力增加的现象称为正协同性。反之为负协同性。为负协同性。T T态态(tense state)(tense state)：紧张状态，脱氧血红蛋白：紧张状态，脱氧血红蛋白 R R态态(relexaed state)(relexaed state)：松弛状态，氧合血红蛋白：松弛状态，氧合血红蛋白（三）（三）血红蛋白氧合的两种构象状态血红蛋白氧合的两种构象状态虽然氧可以和虽然氧可以和T T态和态和R R态两

11、种状态结合，但是氧与态两种状态结合，但是氧与R R态态的亲和力明显高于的亲和力明显高于T T态，并且氧的结合稳定了态，并且氧的结合稳定了R R态，所态，所以以R R态是氧合血红蛋白的主要存在形式，态是氧合血红蛋白的主要存在形式，T T态是脱氧的态是脱氧的优势构象。氧与优势构象。氧与T T态的血红素结合引发构想转变为态的血红素结合引发构想转变为R R态。态。血红蛋白不同亚基之间的盐桥血红蛋白不同亚基之间的盐桥（四）血红蛋白协同性氧结合的定量分析（四）血红蛋白协同性氧结合的定量分析 血红蛋白是至今研究最彻底的一个别构蛋白，它血红蛋白是至今研究最彻底的一个别构蛋白，它对配体氧的结合具有正协同同促效应

12、。氧结合曲线对配体氧的结合具有正协同同促效应。氧结合曲线是是S S形。为了对协同性进行定量分析，形。为了对协同性进行定量分析，19101910年年HillHill推出推出HillHill方程，方程，根据根据HillHill方程作图称为方程作图称为HillHill图。图。HillHill图的斜率称为图的斜率称为HillHill系数。系数。Hill Hill 系数（系数（n nH H）：协同程度的量度。）：协同程度的量度。Hill Hill 系数（系数（nHnH）=1=1，蛋白质与配体的结合非协同效应，例如，蛋白质与配体的结合非协同效应，例如肌红蛋白（单体蛋白都没有协同效应）。肌红蛋白（单体蛋白都

13、没有协同效应）。Hill Hill 系数（系数（nHnH）1 1，蛋白质与配体的结合为正协同效应。，蛋白质与配体的结合为正协同效应。Hill Hill 系数（系数（nHnH）1 1，蛋白质与配体的结合为负协同效应蛋白质与配体的结合为负协同效应。YY是血红蛋白输氧效率指标。协同性将增加是血红蛋白输氧效率指标。协同性将增加YY部位部位氧分压氧分压 Y Y值值 Y Y血红蛋白血红蛋白 肺部肺部肌肉毛细管肌肉毛细管13kPa13kPa3kPa3kPa0.970.970.250.25 0.720.72部位部位氧分压氧分压 Y Y值值 Y Y肌红蛋白肌红蛋白肺部肺部肌肉毛细管肌肉毛细管13kPa13kPa

14、3kPa3kPa接近于接近于1 1 0.10.1 从图从图6-86-8可以看出可以看出:血红蛋白有利于肺部吸收氧血红蛋白有利于肺部吸收氧,运送运送到组织中释放到组织中释放.BPGBPG是是血血红红蛋蛋白白的的负负效效应应物物。BPGBPG通通过过与与它它的的两两个个亚亚基基形形成成盐盐键键稳稳定定了了血血红红蛋蛋白白的的脱脱氧氧态态的的构构象象，因因而而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。BPGBPG进进一一步步提提高高了了血血红红蛋蛋白白的的输输氧氧效效率率。在在肺肺部部，P PO2O2超超过过100torr100torr，因因此此，即即使使没没有有BPGBPG，血血红红

15、蛋蛋白白也也能能被被饱饱和和，在在组组织织中中，P PO2O2低低，BPGBPG降降低低血血红红蛋蛋白白的的氧氧亲亲和和力力，加大血红蛋白的卸氧量。加大血红蛋白的卸氧量。(五五)BPG)BPG降低降低HbHbHbHb对氧的亲和力对氧的亲和力对氧的亲和力对氧的亲和力BPG BPG：2,3-2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸BPGBPGBPGBPG的别构效应的别构效应的别构效应的别构效应 （1 1 1 1）高山适应和肺气肿的生理补偿变化；）高山适应和肺气肿的生理补偿变化；）高山适应和肺气肿的生理补偿变化；）高山适应和肺气肿的生理补偿变化；BPGBPGBPGBPG升高。升高。升高。升高。（2 2 2

16、2）血库储血时加入肌苷可防止）血库储血时加入肌苷可防止）血库储血时加入肌苷可防止）血库储血时加入肌苷可防止BPGBPGBPGBPG水平水平水平水平下降，因为肌苷能通过红细胞膜并在胞内经一下降，因为肌苷能通过红细胞膜并在胞内经一下降，因为肌苷能通过红细胞膜并在胞内经一下降，因为肌苷能通过红细胞膜并在胞内经一系列反应反应转变为系列反应反应转变为系列反应反应转变为系列反应反应转变为BPGBPGBPGBPG。现在肌苷广泛用于血。现在肌苷广泛用于血。现在肌苷广泛用于血。现在肌苷广泛用于血液的保存。液的保存。液的保存。液的保存。增加增加COCO2 2的浓度、降低的浓度、降低pHpH能显著提高血红能显著提高

17、血红蛋白亚基间的协同效应，降低血红蛋白蛋白亚基间的协同效应，降低血红蛋白对对O O2 2的亲和力，促进的亲和力，促进O O2 2的释放，反之，的释放，反之，高浓度的高浓度的O O2 2也能促使血红蛋白释放也能促使血红蛋白释放H H+和和COCO2 2 。(六六六六)H)H)H)H+、COCOCOCO2 2 2 2对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响 H H H H+、COCOCOCO2 2 2 2促进促进促进促进O O2 2的释放（的释放（波耳效应）波耳效应）波耳效应）波耳效应）血红蛋白上有血红蛋白上有COCO2 2和和BPGBPG结合部位，

18、因此，血红蛋白还能运结合部位，因此，血红蛋白还能运输输COCO2 2 。血红蛋白与氧结合受环境中。血红蛋白与氧结合受环境中 H+H+即（即（pHpH）和）和COCO2 2的浓度的影响的浓度的影响。波耳效应：波耳效应：pHpH对血红蛋白对血红蛋白与氧亲和力的与氧亲和力的影响称为波耳影响称为波耳效应效应四四 血红蛋白分子病血红蛋白分子病（一）分子病是遗传（一）分子病是遗传 血红蛋白异常由基因突变引起，并通过遗传血红蛋白异常由基因突变引起，并通过遗传在群体中散布。在群体中散布。（二）镰刀状细胞贫血病。（二）镰刀状细胞贫血病。（三）其他血红蛋白病（三）其他血红蛋白病-地中海贫血。地中海贫血。镰刀形细胞

19、贫血病是一种分子病镰刀形细胞贫血病是一种分子病 在在19041904年年，芝芝加加哥哥的的james james HerrickHerrick医医生生接接待待了了一一名名患患有有严严重重贫贫血血的的黑黑人人大大学学生生，医医生生检检查查他他的的红红细细胞胞时时发发现现，在在正正常常细细胞胞之之中中存存在在着着许许多多异异常常的的镰镰刀刀形形的的细细胞胞，HerrickHerrick将将非非正正常常血血液液病病称称之之镰镰刀刀形形细细胞胞贫贫血血病病。镰镰刀刀形形细细胞胞不不能能象象正正常常细细胞胞那那样样通通过过毛毛细细血血管管。因因此此血血液液循循环环被被破破坏坏，还还可可能能发发生生严严重

20、重的的组组织织损损伤伤。镰镰刀刀形形细细胞胞易易破裂，导致红细胞的减少。破裂，导致红细胞的减少。大约花费了四十多年的时间才确定镰刀形细胞贫血病是血大约花费了四十多年的时间才确定镰刀形细胞贫血病是血红蛋白内氨基酸替换的结果。利用电泳比较了红蛋白内氨基酸替换的结果。利用电泳比较了Hb SHb S与正常的与正常的成熟的血红蛋白（成熟的血红蛋白（Hb AHb A）。结果表明）。结果表明Hb SHb S比比Hb AHb A带有的正电带有的正电荷多，后来序列分析发现，荷多，后来序列分析发现，Hb SHb S分子中的分子中的 链的第六个氨基酸链的第六个氨基酸残基是一个非极性的缬氨酸，而正常的残基是一个非极性

21、的缬氨酸，而正常的Hb AHb A分子中的分子中的 链的第链的第六个氨基酸残基是谷氨酸，这一替换是由编码六个氨基酸残基是谷氨酸，这一替换是由编码 链的基因中的链的基因中的单个核苷酸取代引起的。单个核苷酸取代引起的。镰刀形细胞特性和镰刀形细胞贫血病在生活镰刀形细胞特性和镰刀形细胞贫血病在生活于热带的人群中最流行，在这些地方，疟疾于热带的人群中最流行，在这些地方，疟疾也最流行。带有镰刀形细胞的个体对疟疾具也最流行。带有镰刀形细胞的个体对疟疾具有比较强的抵抗力，就是说杂合子能享受到有比较强的抵抗力，就是说杂合子能享受到不为正常纯合子和镰刀形细胞纯合子所分享不为正常纯合子和镰刀形细胞纯合子所分享的好处

22、，杂合子具有抗疟性。的好处，杂合子具有抗疟性。抗原抗原抗原抗原 抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、核酸及其并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、核酸及其它高分子化合物）。它高分子化合物）。抗体抗体 即免疫球蛋白，是一类可溶性的血清糖蛋白，是血液中即免疫球蛋白，是一类可溶性的血清糖蛋白，是血液中最丰富的蛋白质之一最丰富的蛋白质之一。五五五五 免疫系统和免疫球蛋白免疫系统和免疫球蛋白免疫系统和免疫球蛋白免疫系统和免疫球蛋白免疫球蛋白的结构和免疫球蛋白的结构和类别类别 人的免疫球蛋

23、白人的免疫球蛋白（immune globulin immune globulin,Ig,Ig）有）有5 5种种Ig AIg A、IgMIgM、IgD IgD、IgE IgE和和 IgGIgG。IgG IgG是血液中是血液中最丰富的免疫球蛋白，最丰富的免疫球蛋白，是记忆细胞引发再次是记忆细胞引发再次免疫反应中的主要抗免疫反应中的主要抗体体六六 氨基酸序列与生物学功能氨基酸序列与生物学功能（一）（一）同源蛋白的物种差异与生物进化同源蛋白的物种差异与生物进化 以胰岛素和细胞色素以胰岛素和细胞色素c c为例说明。示出了细胞为例说明。示出了细胞色素色素c c种系发生树。种系发生树。序列比较提供蛋白质结构

24、与功能的信息序列比较提供蛋白质结构与功能的信息 同源蛋白质同源蛋白质(homologous proteins)(homologous proteins)进化上相关的蛋白质，换句话说，来源不同的进化上相关的蛋白质，换句话说，来源不同的同一种蛋白质，例如细胞色素同一种蛋白质，例如细胞色素C C、胰岛素，在、胰岛素，在不同生物体内存在的的同一种蛋白质。不同生物体内存在的的同一种蛋白质。序列比较揭示进化上的关系序列比较揭示进化上的关系 细胞色素细胞色素c c存在所有需氧生物种类的细存在所有需氧生物种类的细胞中，该蛋白质在分子水平上提供了从进化上比胞中，该蛋白质在分子水平上提供了从进化上比较生物的一个非常好的范例。种属越近氨基酸残较生物的一个非常好的范例。种属越近氨基酸残基序列的相似性就越大。基序列的相似性就越大。再见