第05讲 蛋白质结构与功能的关系

第三~四讲蛋白质的结构体系一．蛋白质结构之总论二．蛋白质的一级结构三．蛋白质的二级结构四．结构模体与结构域五．蛋白质的三级结构六．蛋白质的四级结构七．蛋白质结构的分类第五讲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、血红蛋白病四、免疫系统和免疫球蛋白五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩为了获取更多的能量，生物在进化过程中出现两个重要的氧结合蛋白质-肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)。它们是目前研究得最透彻的蛋白质，是蛋白质结构与功能的范例。鲸鱼肌红蛋白是由153个氨基酸残基组成的，另外含有一个血红素。它的三级结构是由一簇八个-螺旋组成的，螺旋之间通过一些片段连接。肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质(一）Mb的三级结构Mb是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质；它由一条多肽链和一个辅基血红素构成；相对分子质量16700，含153个氨基酸残基。除去血红素的肌红蛋白（血红蛋白）称为珠蛋白。整个分子致密结实，分子内部只有一个能容纳4个水分子的空间。多肽主链由长短不等的8段直的-螺旋组成（80%），拐弯处由1-8个氨基酸残基组成的无规卷曲，4个脯氨酸各自处在一个拐弯处。亲水性氨基酸残基几乎全部分布在分子的外表面，疏水氨基酸几乎全部埋在分子内部，不与水接触。而中间类型氨基酸可以存在分子内外。（二）辅基血红素在肌红-血红蛋白家族中铁是由原卟啉的有机分子固定的。4个吡咯环通过甲叉桥连接成四吡咯系统.与之相连的有4个甲基，两个乙烯基和两个丙酸基。铁原子有6个配位键，其中4个与吡咯环中的N原子相连，另两个沿垂直于卟啉环面的轴分布在环面的上下。肌红蛋白辅基－血红素（三）O2与肌红蛋白的结合多肽微环境至少有3个作用：1、固定血红素基；2、保护血红素铁免遭氧化；3、为02分子结合提供一个合适的结合部位。辅基的功能受多肽环境的影响。血红素在细胞色素C中是电子载体，而在过氧化氢酶中催化过氧化氢生成水和氧。（四）O2的结合改变肌红蛋白的构象（五）肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）Hb和Mb都能将氧结合在分子中的血红素辅基上。然而Hb是四聚体分子，可以转运氧；Mb是个单体，只贮存氧，并且可以使氧在肌肉内很容易地扩散。它们的生理功能依赖于与辅基可逆地结合氧，结合氧的情况可以通过氧结合曲线看出。[Mb][O2]MbO2Mb+O2K=[MbO2]Y：给定的氧分压下肌红蛋白的氧分数饱和度[MbO2][O2]Y=Y=[MbO2]+[Mb][O2]+K根据Henry定律，溶于液体的任一气体的浓度与液体上面的该气体分压成正比。P[O2]Y=P[O2]+KP50：肌红蛋白被氧半饱和时的氧分压二、血红蛋白的结构与功能■血红蛋白专题Hemoglobin血红蛋白Theiron-containingrespiratorypigmentinredbloodcellsofvertebrates,consistingofabout6percenthemeand94percentglobin.脊椎动物血红细胞中一种含铁的呼吸色素，由大约6%的血红素和94%的珠蛋白组成。Hemoglobin血红蛋白存在于血液的红细胞中，以高浓度溶解在红细胞溶胶中，其主要功能是在血液中结合并转运氧，还可运输H+和CO2。在肺部出发的Hb约有96%氧饱和度，而回来的Hb仅为64%饱和度。二、血红蛋白的结构与功能血红蛋白是一种结合蛋白，分子量64，000，由珠蛋白和血红素构成。血红素由原卟啉与亚铁原子组成，每一个珠蛋白分子有二对肽链，一对是α链，由141个氨基酸残基构成，含较多组氨酸，其中α87位（即F8）组氨酸与血红素铁的结合，在运氧中具重要生理作用。另一对是非α链，有β、γ、δ、ε及ζ（结构与α链相似）5种；后2种与α链、γ-链分别组成胚胎早期（妊娠3月以内）血红蛋白、HbGower-1（ζ2ε2）、HbGower-2（α2ε2）、HbPortland（ζ2γ2）。Hb珠蛋白链种类分两大类：链（类链）：、----141个氨基酸组成β链（类β链）：、、、(G、A）-----146个氨基酸组成珠蛋白链（６种）：、、、、、二、血红蛋白的结构与功能β链含146个氨基酸残基、β93半胱氨酸易被氧化产生混合二硫化物及其它硫醚类物质，可降低血红蛋白稳定性。δ链亦由146个氨基酸残基组成，仅10个氨基酸与β链不同。由于δ链中第22位丙氨酸置换了β22谷氨酸，第116位精氨酸置换了β116组氨酸，因此δ链的正电荷大于β链，HbA2（α2δ2）等电点升高，电泳时靠近负极。二、血红蛋白的结构与功能γ链虽由146个氨基酸组成，但与β链有39个氨基酸不同，且含有4个异亮氨酸，为α、β与δ链所缺如，因此可用分析异亮氨酸方法以测定HbF（α2γ2）含量。正常人有二种γ链：Gγ-γ136为甘氨酸，Aγ-γ136为丙氨酸，说明控制γ链生物合成的基因位点不止一个。二、血红蛋白的结构与功能四个血红蛋白单体（肽链三级结构加血红素），按一定的空间关系结合成四聚体，如HbA（或HbA1，α2β2）、HbA2（α2δ2）及HbF（α2γ2），称异质型四聚体；由二对同样的三级结构血红蛋白单体结合成的四聚体，如HbH（β4）及HbBart（γ4），称为同质型四聚体。通过X线衍射研究四聚体的空间关系，发现α1β1及α2β2的接触面较大，相互移动度较小，疏水，有利于血红蛋白分子构型的稳定性。α1β2及α2β1接触面小而不牢固，移动度大，有利于血红蛋白对氧的正常摄取与释放。四聚体解离，首先离解为α1β1及α2β2。血红蛋白与分子的外表结构必需完整，带有负电荷；α、β链结合部位要固定，包围血红素腔的氨基酸顺序排列应完整，否则血红蛋白就不能维持分子结构稳定性及正常运输氧生理功能，并易遭破坏。血红蛋白专题Hb类型成人Hb：HbA2297～98%HbA2222～3%HbF＜1%胎儿Hb：HbF22胚胎Hb：HbGowerⅠ22(妊娠12周内)HbGowerⅡ22HbPortland22正常人出生后有三种血红蛋白：①血红蛋白A（HbA），由一对α链和一对β链组成（α2β2），为正常人主要血红蛋白，占血红蛋白总量的95％以上。胚胎二个月时HbA即有少量出现，初生时占10％～40％，出生6个月后即达成人水平；②血红蛋白A2（HbA2），由一对α链和一对δ链组成（α2δ2）。自出生6～12个月起，占血红蛋白的2～3％；血红蛋白专题③胎儿血红蛋白（HbF）由一对α链和一对γ链组成（α2γ2），初生时占体内血红蛋白的70％～90％，以后渐减。至生后6月，含量降至血红蛋白总量的1％左右。血红蛋白的不同肽链是由不同的遗传基因控制的，α链基因位于第16号染色体，β、δ、γ链基因位于第11号染色体，呈连锁关系。血红蛋白专题人类珠蛋白基因结构和表达类珠蛋白基因簇类珠蛋白基因簇两类类珠蛋白基因簇:16p122121基因有两个:1、2每个正常个体：212112/12类珠蛋白基因簇:11p122GA1Hb的发育演变与遗传控制2121GA1胚胎Hb胎儿Hb成人HbHb类型珠蛋白链GowerⅠHb22基因2222222222GowerⅡPortlandＦＡ２Ａ转录翻译Hb发育演变与遗传控制的特点⑴胚胎早期先合成和→HbGowerⅠ同时或稍后合成和→GowerⅡ、Portland⑵12周时和逐渐消失，链迅速增加，开始合成，HbF为主。⑶妊娠末期和出生不久，链迅速降低，链迅速增加，HbA为主。血红蛋白A由4个多肽亚基组成，两个亚基（141）和两个亚基（146）。血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧结合曲线）Hb是至今了解得最清楚的一个别构蛋白质，在功能上除输氧之外还可运输H+和CO2。Hb的氧合具有正协同性同促效应。O2既是正常的配体，也是正同促效应物。Hb的氧合曲线是S型的而不是双曲线。Hemoglobinbindsfouroxygenmoleculescooperatively:thebindingaffinityforthelastoxygenisabout200timesstrongerthanitsaffinityforthefirstoxygen.血红蛋白专题当P[O2]低时，Hb对O2的亲和力小，氧饱和度Y随P[O2]增加变化很小，然而当P[O2]达到某一阈值并结合了第一个O2后，分数饱和度Y则迅速增加。Hb和Mb的氧合曲线不同氧结合引起的血红蛋白构象变化X射线晶体学分析揭示，Hb在氧合和去氧合时，在四级结构上有显著的不同，特别是亚基的相互作用发生变化。两种亚基的接触分为装配接触（稳定）和滑动接触。血红蛋白专题Hb中存在两种主要的构象态：T态（紧张态）和R态（松弛态）。他们经常用于描述别构蛋白质的两种能互换的构象。T态是去氧Hb的主要构象，R态是氧合Hb的主要构象。作为T态的去氧Hb有专一的氢键和盐桥起着稳定作用，4个亚基的C-末端处于受束缚的状态。Uponligandbinding(oroxygenation),thetwodimersmoverelativetooneanother.氧合时血红蛋白四级结构发生剧烈变化。血红蛋白专题空间效应和电子效应是四级结构变化的基础H＋、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响氧与血红蛋白的结合涉及到二氧化碳、质子和代谢物BPG（2,3-二磷酸甘油酸）的调节作用，它们都是有氧代谢的产物。虽然它们在蛋白质分子上的结合部位离血红素很远，但通过别构效应影响Hb的氧合性质。1H＋、CO2促进O2的释放在红细胞内碳酸酐酶催化CO2生成一个弱酸碳酸（H2CO3），碳酸容易解离形成碳酸氢根离子和一个质子：CO2＋H2O＝H＋＋HCO3－结果使得细胞内的pH降低。低pH导致血红蛋白中的几个基团的质子化，质子化的基团可以形成有助于脱氧构象稳定的离子对。H＋、CO2能降低血红蛋白对氧的亲和性。方程式表示为：HbO2＋H＋HbH＋＋O2CO2浓度的增加以及相应的pH降低使得血红蛋白的P50升高，这一现象称之波耳效应（Bohreffect），它提高了氧转运系统的效率。在肺部，CO2水平低，氧很容易被血红蛋白占有，同时释放出质子；而在代谢的组织中，CO2水平相对来说比较高，pH较低，O2容易从氧合血红蛋白卸载。Bohr’seffectanditsmolecularmechanismpH降低使得血红蛋白的P50升高Bohr’seffect具有重要的生理意义。当血液流经代谢旺盛的组织时，由于这里pH较低，CO2浓度较高，有利于血红蛋白释放氧，而氧的释放又促使血红蛋白与H＋和CO2结合，以补偿组织代谢造成的不利因素。而在肺部，情况相反，又促使氧合血红蛋白的生成。2、BPG降低Hb对O2的亲和力BPG（2,3-二磷酸甘油酸）是血红蛋白的一个重要的别构效应物。BPG与Hb的相互作用提供了一个异促别构调节的实例。BPG的存在，可使氧与全血中成熟的血红蛋白结合的P50大约提高到26torr。换言之，红细胞中的BPG实质上是降低了脱氧血红蛋白对氧的亲和性。在红细胞中，BPG与血红蛋白的浓度几乎是等摩尔的。1托（Torr）=133.322帕（Pa）BPGreducestheoxygenbindingaffinityofhemoglobinbystabilizingthedeoxy(orT)quaternaryconformation.血红蛋白专题血红蛋白病（hemoglobinopathy）是由于血红蛋白分子结构异常（异常血红蛋白病），或珠蛋白肽链合成速率异常（珠蛋白生成障碍性贫血，又称海洋性贫血）所引起的一组遗传性血液病。临床可表现溶血性贫血、高铁血红蛋白血症或因血红蛋白氧亲和力增高或减低而引起组织缺氧或代偿性红细胞增多所致紫绀。三、血红蛋白病Hb病的分类和分子基础Hb病的分类•异常H