第7章 蛋白质结构与功能的关系.ppt

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1、蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一一.肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能（1 1）肌红蛋白的功能：哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧）肌红蛋白的功能：哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧的蛋白。的蛋白。（2 2）肌红蛋白的结构特点：）肌红蛋白的结构特点：19631963年，年，KendrewKendrew a.a.一条多肽链，一条多肽链，153153个氨基酸残基，一个血红素辅基，分子量个氨基酸残基，一个血红素辅基，分子量1670016700。b.b.肌红蛋白的整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共折肌红蛋白的整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共折叠成叠成8 8段较直的段较直的-螺旋体

2、（螺旋体（A-HA-H），），最长的有最长的有2323个氨基酸个氨基酸残基，残基，最最短的有短的有7 7个氨基酸个氨基酸残基。残基。C C.拐弯处拐弯处-螺旋受到破坏，拐弯是由螺旋受到破坏，拐弯是由1818个氨基酸残基组成的个氨基酸残基组成的无规则卷曲，无规则卷曲，4 4个脯氨酸各自出现在一个拐弯处，此外拐弯处还个脯氨酸各自出现在一个拐弯处，此外拐弯处还有有SerSer、IleIle、AsnAsn、ThrThr等残基。等残基。d.d.具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，而带非极性侧具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，而带非极性侧链的氨基酸残基多分布于分子内部，使链的氨基酸残基多分布于分

3、子内部，使肌红蛋白成为可溶性蛋白。肌红蛋白成为可溶性蛋白。HCNA煤气中毒的机制煤气中毒的机制一氧化碳（一氧化碳（COCO）也能与血红素也能与血红素FeFe原子结原子结合。由于合。由于COCO与血红素的结合能力是与血红素的结合能力是O O2 2的的200200倍，因此，人体吸入少量的倍，因此，人体吸入少量的COCO即可完即可完全抑制肌红蛋白或血红蛋白与全抑制肌红蛋白或血红蛋白与O O2 2的结合，的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含病人转移到富含O O2 2的环境中（如新鲜空气、的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合纯氧气

4、或高压氧气），使与血红素结合的的COCO被被O O2 2置换出来。置换出来。（3 3）肌红蛋白的氧合曲线）肌红蛋白的氧合曲线（1）（2）（3）（4）(Y Y代表在给定的氧压下肌红蛋白的代表在给定的氧压下肌红蛋白的氧饱和度氧饱和度)Y=1Y=1时，表明所有肌红蛋白的氧时，表明所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白为合位置均被占据，即肌红蛋白为氧饱和。氧饱和。（3 3）肌红蛋白的氧合曲线）肌红蛋白的氧合曲线由（由（5 5）可见：）可见：Y=0.5Y=0.5时，肌红蛋白的一半被饱和，时，肌红蛋白的一半被饱和，P P（O O2 2 ）=K=P=K=P5050 解离常数为解离常数为肌红蛋白一半被饱和

5、时的氧压。肌红蛋白一半被饱和时的氧压。P P（O O2 2 ）的单位是的单位是torr,1 torr,1 torrtorr=1 mm Hg=1 mm Hg（5）PoPo2 2Y YY Y1-1-Y Y=P(OP(O2 2)K KloglogY Y1-1-Y Y=log P(Olog P(O2 2)-logKlogKHillHill系数系数=1.0=1.0蛋白质或只含蛋白质或只含一个结合位点，一个结合位点，或含有多个结合或含有多个结合位点，而这些结合位点，而这些结合位点彼此完全独立位点彼此完全独立并有相同的并有相同的K K值。值。HillHill系数不等于系数不等于1.01.0，表明蛋白质表明蛋

6、白质含有多个结合位点含有多个结合位点，而这些结合位点，而这些结合位点彼此有相互作用。彼此有相互作用。二二.血红蛋白血红蛋白(HbHb)的结构与功能的结构与功能（1 1）血红蛋白的功能：）血红蛋白的功能：存在动物血液的红细胞中，主要存在动物血液的红细胞中，主要功能是结合和运输功能是结合和运输O O2 2，还具有运输，还具有运输COCO2 2的功能；此外，的功能；此外，血红蛋白还能和血红蛋白还能和H H+结合，从而可以维持体内结合，从而可以维持体内pHpH。（2 2）血红蛋白的结构特点：血红蛋白的结构特点：a.a.是四个亚基的寡聚蛋白，两个是一种亚基，两个是另是四个亚基的寡聚蛋白，两个是一种亚基，

7、两个是另一种亚基，含一种亚基，含574574个个AAAA残基，分子量残基，分子量6500065000b.b.成人的血红蛋白为成人的血红蛋白为 2 2 2 2（HbA-96%HbA-96%）、）、2 2 2 2（HbA HbA2 2-2%2%）胎儿的血红蛋白为胎儿的血红蛋白为 2 2 2 2（HbFHbF）c.c.链由链由141141AAAA残基组成，残基组成，链由链由146146AAAA残基组成。残基组成。四种肽链的三级结构与肌红蛋白相似，各自内部有四种肽链的三级结构与肌红蛋白相似，各自内部有一个血红素辅基。一个血红素辅基。血红蛋白的三维结构血红蛋白的三维结构 链由链由141141AAAA残基

8、组成，残基组成，链链由由146146AAAA残基组成。残基组成。链和链和 链的链的H H螺旋缩短，螺旋缩短，链还缺失一个很短链还缺失一个很短的的D D螺旋。螺旋。每个亚基结合一个血红素基团，每个亚基结合一个血红素基团，血红素位于血红素位于E E和和F F螺旋之间的裂隙螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。处，并暴露在分子的表面。两个两个 链之间或两个链之间或两个 链之间的链之间的相互作用很小，两个不同链之间相互作用很小，两个不同链之间的作用力最大。的作用力最大。不同的血红蛋白的氨基酸序列中不同的血红蛋白的氨基酸序列中有有9 9个保守氨基酸残基，对血红蛋个保守氨基酸残基，对血红蛋白的功能很重要。

9、白的功能很重要。血红蛋白的三维结构血红蛋白的三维结构Hb的氧合与构象改变的氧合与构象改变 之间的接触有两类，一类是之间的接触有两类，一类是 1 1 1 1和和 2 2 2 2接触（主要涉及接触（主要涉及B B、G G、H H和和GHGH），），叫装配接触；另一类叫装配接触；另一类 1 1 2 2 和和 2 2 1 1接触（主要涉及接触（主要涉及C C、G G和和FGFG），），叫滑动接触。氧合作用时，这些接叫滑动接触。氧合作用时，这些接触也发生变化。触也发生变化。血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换与氧结合时血红蛋白的变构过程与氧结合时血红蛋白的变构

10、过程血红素中铁原子的变化血红素中铁原子的变化 高自旋状态高自旋状态 低自旋低自旋（非氧合，原子半径较大）（非氧合，原子半径较大）（氧合，原子半径较小）（氧合，原子半径较小）氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表两种不同的构象态氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表两种不同的构象态9494146146141141126126404040401261261411411461469494与氧结合时血红蛋白的变构过程与氧结合时血红蛋白的变构过程亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化 铁原子的位移铁原子的位移 F8His的位移的位移 使使F螺旋、螺旋、EF拐角拐角及及FG拐角发生位移拐

11、角发生位移 F 螺旋向螺旋向H螺旋移动螺旋移动 挤出挤出HC2Tyr 导致四级结构的盐桥破坏导致四级结构的盐桥破坏 挤出挤出DPG分子。分子。（HbHb氧结合曲线）氧结合曲线）别构蛋白别构蛋白蛋蛋白白质质分分子子中中不不止止有有一一个个配配基基的的结结合合部部位位（活活性性部部位位），还还有有别别的的配配基基的的结结合合部部位位（别别构构部部位位）。别别构构蛋蛋白白都都有有别别构构效效应应。血红蛋白的氧合曲线血红蛋白的氧合曲线YY血红蛋白的氧饱和度，等于血红蛋白的氧饱和度，等于血红蛋白中被占的氧合部位血红蛋白中被占的氧合部位除除以以血红蛋白中氧合部位总数血红蛋白中氧合部位总数。（HbHb氧结合

12、曲线）氧结合曲线）H H+、COCO2 2和和BPG BPG 对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响 氧亲和力：氧亲和力：指血红蛋白对于氧的结合牢固程度，表示为指血红蛋白对于氧的结合牢固程度，表示为P P5050。（在一定氧分压下，在一定氧分压下，氧亲和力越高，即氧结合越牢固。相反，氧氧亲和力越高，即氧结合越牢固。相反，氧亲和力越低，组织就能得到更多的氧供应亲和力越低，组织就能得到更多的氧供应）H H+、COCO2 2的影响的影响19141914年，丹麦生理学家年，丹麦生理学家C.BohrC.Bohr发现，高浓度的发现，高浓度的H H+和和COCO2 2促使氧合血红蛋白分子释放促使氧合血

13、红蛋白分子释放O O2 2，而高浓而高浓度的度的O O2 2促使脱氧血红蛋白分子释放促使脱氧血红蛋白分子释放H H+和和COCO2 2。血红蛋白对血红蛋白对O O2 2、H H+和和COCO2 2结合的这种相互关系叫结合的这种相互关系叫波耳效应。波耳效应。波耳效应的生理意义波耳效应的生理意义肌肉肌肉pH7.2pH7.2肺泡肺泡pH7.6pH7.6H H+、COCO2 2对血红蛋白氧合能力影响的解释对血红蛋白氧合能力影响的解释H H+的结合部位的结合部位 146-146-HisHis N-ValN-Val 122-His122-His使血红蛋白保持使血红蛋白保持T T态态COCO2 2的结的结合

14、部位合部位四个亚基四个亚基N-N-末端氨基末端氨基Hb-NHHb-NH2 2+CO+CO2 2HbHb-NH-COO-NH-COO-+H+H+氨甲酸衍生物氨甲酸衍生物COCO2 2+H+H2 2O OH H2 2COCO3 3HCOHCO3 3+H+H+-（氧合态）（氧合态）与与 亚基的结亚基的结合部位：合部位：ValVal1 1-NHNH3 3+LysLys8282-NHNH3 3+HisHis143143-咪唑咪唑基基HisHis2 2-咪唑基咪唑基HbOHbO2 2 Hb(OHb(O2 2)2 2 Hb(OHb(O2 2)3 3 Hb-BPG+4OHb-BPG+4O2 2Hb(OHb(O

15、2 2)4 4+BPG+BPGBPG=4.5mmol/LBPG=4.5mmol/LBPG=7.5mmol/LBPG=7.5mmol/LBPG=0mmol/LBPG=0mmol/LBPGBPG的影响：的影响：HbOHbO2 2 Hb(OHb(O2 2)2 2 Hb(OHb(O2 2)3 3Hb-BPG+4OHb-BPG+4O2 2Hb(OHb(O2 2)4 4+BPG+BPGBPGBPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：BPGBPG是红细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液是红细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液流经流经O O2 2分压较低的组织时，分压较低的组织

16、时，红细胞中的红细胞中的BPGBPG可促可促进氧合血红蛋白释放氧，以满足组织对进氧合血红蛋白释放氧，以满足组织对O O2 2需要。需要。BPGBPG浓度越大，浓度越大，O O2 2的释放量越多。的释放量越多。红细胞中红细胞中BPGBPG浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要因素。因素。实例：实例：在高山上；肺气肿病人；储藏血在高山上；肺气肿病人；储藏血液。液。BPGBPG和和O O2 2对血红对血红蛋白的结合蛋白的结合是排斥的是排斥的1.0 1.0 0.50.5PoPo2 2Y Y有有BPGBPGE.E.胎儿血红蛋白的氧合能力大于胎儿血红蛋白的氧合能力

17、大于HbAHbA胎儿血红蛋白（胎儿血红蛋白（HbFHbF）为为 2 2 2 2，而成人血红蛋白，而成人血红蛋白(HbAHbA)为为 2 2 2 2，与与 的区别为：的区别为：143143HisHis (BPG(BPG与与 亚基的结合部位：亚基的结合部位：ValVal1 1-NHNH3 3+Lys Lys8282-NHNH3 3+His His143143-咪唑基咪唑基)143143SerSer，使使HbFHbF与与BPGBPG的结合能力减弱，因而的结合能力减弱，因而增加了增加了HbFHbF对氧的亲和力。其意义在于胎儿血液流经对氧的亲和力。其意义在于胎儿血液流经胎盘时胎盘时HbFHbF可以从母体

18、可以从母体HbAHbA获得获得O O2 2。分子病分子病指蛋白质分子中由于指蛋白质分子中由于AAAA排列顺序与正常蛋白质不排列顺序与正常蛋白质不同而发生的一种遗传病同而发生的一种遗传病(基因突变造成的基因突变造成的)。镰刀状细胞贫血病：镰刀状细胞贫血病：病人体内血红蛋白的含量乃至红细病人体内血红蛋白的含量乃至红细胞的量都较正常人少，且红细胞的形状为新月形，即镰胞的量都较正常人少，且红细胞的形状为新月形，即镰刀状。此种细胞壁薄，而且脆性大，极易涨破而发生溶刀状。此种细胞壁薄，而且脆性大，极易涨破而发生溶血；再者，发生镰变的细胞粘滞加大，易栓塞血管；由血；再者，发生镰变的细胞粘滞加大，易栓塞血管；

19、由于流速较慢，输氧机能降低，使内脏器官供血出现障碍，于流速较慢，输氧机能降低，使内脏器官供血出现障碍，从而引起头昏、胸闷而导致死亡。从而引起头昏、胸闷而导致死亡。病因：血红蛋白病因：血红蛋白AAAA顺序的细微变化顺序的细微变化 正常人正常人HbAHbA N6N6GluGlu 病人病人 HbSHbS N6N6ValVal血红蛋白分子病血红蛋白分子病镰刀状细胞血红蛋白的构象变化镰刀状细胞血红蛋白的构象变化 研究表明，研究表明，HbSHbS和和HbAHbA在氧合状态下没有多大区在氧合状态下没有多大区别。但在脱氧情况下，别。但在脱氧情况下，HbSHbS的溶解度剧烈下降的溶解度剧烈下降（1/25 1/2

20、5 HbAHbA ）。）。目前发现有目前发现有300300多种不同的突变血红蛋白，并且绝多种不同的突变血红蛋白，并且绝大多数突变体中只有一个大多数突变体中只有一个AAAA残基被置换。残基被置换。GluGlu侧链在侧链在pH7.4pH7.4时是一个带负电时是一个带负电的基团，而的基团，而ValVal侧侧链是一个非极性链是一个非极性基团，在基团，在HbSHbS分子分子表面造成一个粘表面造成一个粘性突起，与另一性突起，与另一个个HbSHbS上的上的互补口互补口袋通过疏水作用袋通过疏水作用形成聚集沉淀。形成聚集沉淀。EFEF拐弯拐弯镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正CH3CH

21、3CH-CH-C-+N C OCH-CH-C-+N C O-N N+H H3 3O OCH3CH3CH-CH-C-CH-CH-C-NHNHC CNH2NH2O OO ON-N-末端缬氨酸残基末端缬氨酸残基氰酸钾氰酸钾（KCNO）治疗治疗免疫系统和免疫球蛋白免疫系统和免疫球蛋白浆母细胞浆母细胞浆细胞浆细胞可溶性抗体可溶性抗体记忆细胞记忆细胞表达膜结合受体（不溶性抗体）表达膜结合受体（不溶性抗体）（一）免疫系统（一）免疫系统免疫系统包括两个互补的系统：体液免疫和细胞免疫。免疫系统包括两个互补的系统：体液免疫和细胞免疫。体液免疫体液免疫是针对细菌感染，胞外病毒（存在于体液中）以及进入是针对细菌感染，

22、胞外病毒（存在于体液中）以及进入生物体的外来蛋白质等。生物体的外来蛋白质等。细胞免疫细胞免疫是破坏被病毒感染的宿主细胞、某些寄生物和外来的移是破坏被病毒感染的宿主细胞、某些寄生物和外来的移植组织。植组织。免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。B淋巴细胞淋巴细胞产生于骨髓（产生于骨髓（bone marrow）中的造血干细胞，在骨中的造血干细胞，在骨髓中完成发育。循环于血液和淋巴系统，通过其上特异的膜受体髓中完成发育。循环于血液和淋巴系统，通过其上特异的膜受体（抗体分子，糖蛋白）识别抗原。当（抗体分子，糖蛋白）识别抗原。当B细胞遇到抗原时，发生分裂细胞遇到抗原时，

23、发生分裂和分化。和分化。B细胞细胞T T淋巴细胞淋巴细胞产生于骨髓造血干细胞，成熟于胸腺（产生于骨髓造血干细胞，成熟于胸腺（thymus thymus glandgland）,表达膜结合受体（不溶性抗体），称表达膜结合受体（不溶性抗体），称T细胞受体，当细胞受体，当T细细胞遇到胞遇到与主要组织相容性复合体（与主要组织相容性复合体（MHC）膜蛋白结合的抗原膜蛋白结合的抗原时，时，发生增殖和分化。发生增殖和分化。T T细胞细胞记忆记忆T T细胞细胞效应效应T T细胞细胞T T细胞细胞T TH H细胞（细胞（T T助助细胞）细胞）T TC C细胞（细胞（T T胞毒细胞）胞毒细胞）分泌细胞因子（淋巴因

24、子）分泌细胞因子（淋巴因子）激活激活激活激活不分泌细胞因子，但获得不分泌细胞因子，但获得细胞毒性。细胞毒性。激活激活B B细胞、细胞、T TC C细胞吞噬细胞和细胞吞噬细胞和其他参与免疫反其他参与免疫反应的细胞应的细胞监视身体的监视身体的B B细胞和细胞和消灭显示不正常抗消灭显示不正常抗原的细胞如病毒感原的细胞如病毒感染细胞、肿瘤细胞染细胞、肿瘤细胞和移植细胞和移植细胞抗原与抗体的一般概念抗原与抗体的一般概念 抗体（抗体（antibodyantibody）就是免疫球蛋白就是免疫球蛋白(immunoglobulin-immunoglobulin-IgIg)，是一类血浆糖蛋白。脊椎动物在遭遇一类异

25、是一类血浆糖蛋白。脊椎动物在遭遇一类异己物质如：病毒、细菌细胞壁或大分子物质（如己物质如：病毒、细菌细胞壁或大分子物质（如多糖、核酸和蛋白质等）被称为抗原多糖、核酸和蛋白质等）被称为抗原（antigenantigen）的物质侵入时，自身便产生抗体，的物质侵入时，自身便产生抗体，这即为免疫反应。能引起免疫反应的任何分子或这即为免疫反应。能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原。病原体称为抗原。抗体的特点：抗体的特点：高度特异性和多样性高度特异性和多样性半抗原：半抗原：某些小分子物质可以与抗体结合，但本身某些小分子物质可以与抗体结合，但本身并不能刺激抗体产生，当它们与大分子物质（如并不能刺激抗体产

26、生，当它们与大分子物质（如蛋白质）结合后也能刺激抗体产生，这些小分子蛋白质）结合后也能刺激抗体产生，这些小分子物质被称为物质被称为半抗原半抗原(haptenhapten)。跨膜跨膜蛋白蛋白 MHC-IMHC-I蛋白结合并展示由细胞内随机发生的蛋白质蛋白结合并展示由细胞内随机发生的蛋白质降解和更新衍生来的肽。这些肽和降解和更新衍生来的肽。这些肽和MHC-IMHC-I蛋白结合形成蛋白结合形成的复合体是细胞兔疫系统中的复合体是细胞兔疫系统中T TC C细胞的细胞受体的识别靶。细胞的细胞受体的识别靶。每个每个T T细胞只含一种细胞只含一种T T细胞受体但有多个拷贝它对细胞受体但有多个拷贝它对特定特定M

27、HC-IMHC-I蛋白蛋白-肽复合体是特异的肽复合体是特异的。为避免产生大批能为避免产生大批能结合和破坏自身的正常细胞的结合和破坏自身的正常细胞的T TC C细胞，在胸腺中细胞，在胸腺中T TC C细胞细胞的成熟包括一个严格的选择过程，消灭的成熟包括一个严格的选择过程，消灭9595以上正在发以上正在发育的育的T TC C细胞包擂那些能与展示生物体自身蛋白质的肽的细胞包擂那些能与展示生物体自身蛋白质的肽的MHC-IMHC-I蛋白结合的蛋白结合的T TC C细胞。存活并成熟的细胞。存活并成熟的T TC C细胞是那些细胞是那些具有不与生物体自身蛋白质结含的具有不与生物体自身蛋白质结含的T T细胞受体

28、的细胞受体的T TC C细胞。细胞。结果形成一个专门与连接在宿主细胞结果形成一个专门与连接在宿主细胞MHCMHCI I蛋白上的外蛋白上的外来肽结合的细胞群。这就是所谓来肽结合的细胞群。这就是所谓兔疫的自身耐受性兔疫的自身耐受性。MHC-MHC-蛋白存在于少数几种特化细胞的表面。蛋白存在于少数几种特化细胞的表面。这些特化细胞包括巨噬细胞和这些特化细胞包括巨噬细胞和B B淋巴细胞，它们作淋巴细胞，它们作为抗原呈递细胞通过吞噬作用或胞吞作用将外来的为抗原呈递细胞通过吞噬作用或胞吞作用将外来的抗原内化，经消化使成小的肽段。肽段与抗原内化，经消化使成小的肽段。肽段与MHC-MHC-蛋蛋白结合并被展示在抗

29、原呈递细胞的膜上白结合并被展示在抗原呈递细胞的膜上。MHC-MHC-蛋白结合并展示的肽不是来自细胞的蛋白质，而是蛋白结合并展示的肽不是来自细胞的蛋白质，而是被细胞摄入的外部蛋白质。形成的被细胞摄入的外部蛋白质。形成的MHC-MHC-蛋白蛋白-肽肽复合体是各种复合体是各种T TH H细胞的结合靶。它们也和细胞的结合靶。它们也和T TC C细胞一细胞一样，在胸腺中进行严格的选择，消灭那些能与宿主样，在胸腺中进行严格的选择，消灭那些能与宿主自身的细胞蛋白质结合的自身的细胞蛋白质结合的T TH H细胞。细胞。一旦抗原耗一旦抗原耗尽，被激活尽，被激活免疫细胞大免疫细胞大部分在几天部分在几天内死亡，一内死亡，一部分部分B B和和T T细细胞则成熟为胞则成熟为记忆细胞，记忆细胞，长期存在于长期存在于血液中，可血液中，可再次产生同再次产生同样的免疫应样的免疫应答反应。答反应。Y Y形结构形结构抗体分子是二价的，而抗原分抗体分子是二价的，而抗原分子可以是多价的子可以是多价的有色产有色产物物底物底物第一抗第一抗体体第二抗第二抗体体酶酶