王镜岩 生物化学第6章蛋白质结构与功能的关系

第6章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、血红蛋白分子病四、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六、蛋白质的结构与功能进化(Therelationbetweenstructureandfunctionofproteins)一、肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白肌红蛋白（myoglobin，Mb）主要存在于肌肉中，是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。肌红蛋白由一条多肽链和一个辅基血红素（heme）构成，相对分子量16700，含153个氨基酸残基。除去血红素后仅剩下的肽链部分称为珠蛋白（globin），它和血红蛋白的α、β亚基有明显的同源性，它们的构象和功能也极为相似。血红素非共价地结合在珠蛋白的疏水空穴中。肌红蛋白的结构myoglobin辅基血红素血红素由原卟啉Ⅸ（protoporphyrinⅨ）中间结合一个Fe原子构成，原卟啉Ⅸ是由4个吡咯环通过甲叉桥连接而成的扁平环状化合物。卟啉环中央结合Fe原子，Fe原子通常是八面体配位，应该有6个配位键，其中4个配位键与4个吡咯环的N原子相连，另两个配位键分布在卟啉环的上下。Fe原子可以是二价的或三价的，相应的血红素称为[亚铁]血红素（ferroheme，heme）和高铁血红素（ferriheme，hematin），相应的肌红蛋白称为[亚铁]肌红蛋白（ferromyoglobin）和高铁肌红蛋白（ferrimyoglobin，metmyoglobin）。肌红蛋白的辅基血红素hemeprotoporphyrinⅨO2与肌红蛋白的结合血红素中的铁的第5个配位键与珠蛋白的第93（或F8）位His残基的咪唑基N结合，这个His称为近侧His，而O2与Fe的第6个配位键结合。在肌红蛋白没有结合O2时，这个部位是空的。高铁肌红蛋白不能与O2结合，H2O分子代替O2成为第6个配体。在血红素结合O2的一侧，还有一个His残基，即第64（或E7）位His残基，称为远侧His。由于这个远侧His的存在，使得O2的结合受到空间位阻。在氧合肌红蛋白中，O2的两个原子与Fe不成一条直线，而是倾斜了30°。氧合肌红蛋白中血红素铁离子的6个配体近侧His远侧HisCO的毒性作用第6个配位位置的空间位阻很重要。游离在溶液中的铁卟啉结合CO的能力比结合O2强25000倍，但在肌红蛋白中，血红素对CO的亲和力仅比对O2的亲和力大250倍。肌红蛋白（还有血红蛋白）降低对CO的亲和力，可以有效地防止代谢过程中产生的少量CO占据它们的O2结合部位。尽管如此，当空气中CO的含量达到0.06%～0.08%即有中毒的危险，达到0.1%则会导致死亡。O2和CO与肌红蛋白血红素Fe（Ⅱ）的结合FreehemewithimidazoleMb:COComplexOxymyoglobin肌红蛋白的蛋白质部分的作用通常情况下，O2分子与Fe（Ⅱ）紧密接触会使Fe（Ⅱ）氧化成Fe（Ⅲ），溶液中游离的亚铁血红素很容易被氧化成高铁血红素，但在肌红蛋白中，由于血红素处于疏水环境中，血红素Fe（Ⅱ）不容易被氧化。同样是血红素，与不同的蛋白质结合后，具有不同的功能，如在细胞色素C中，血红素起可逆电子载体的作用，过氧化氢酶中，血红素催化H2O2歧化成H2O和O2。肌红蛋白血红素Fe原子的位移肌红蛋白血红素在没有与O2结合时，铁原子是向第5配位体方向（HisF8）突出的。当与O2结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。肌红蛋白血红素Fe原子的位移肌红蛋白结合氧的定量分析2MbO2OMb][]][[22MbOOMbK][][][22MbMbOMbOY肌红蛋白与O2结合的反应式为其解离常数为K,…………①令Y为肌红蛋白的氧饱和分数，即…………②将①改写为…………③KOMbMbO]][[][22肌红蛋白结合氧的定量分析将③代入②得，][]][[]][[22MbKOMbKOMbY1][][22KOKOYKOOY][][22…………④根据henry定律，溶于液体的任一种气体的浓度与液体上面的该气体的分压成正比，即[O2]=Ap(O2)…………⑤式中A为比例系数，p(O2)为氧气的分压。肌红蛋白结合氧的定量分析将⑤代入④得KOpAOpAY)()(22AKOpOpY)()(22KOpOpY)()(22…………⑥肌红蛋白的氧结合曲线实验中p(O2)可以测得，氧分压常用Torr为单位。Y值可用分光光度法测定，因为肌红蛋白结合了O2时会引起吸收光谱的改变。Y对p(O2)作图所得的曲线称为氧结合曲线。1Torr=133Pa=1mmHg肌红蛋白的氧结合曲线KOpOpY)()(22双曲线方程Hill作图为氧结合肌红蛋白的分数与没有结合氧的肌红蛋白的分数之比。YY1KOpOpKOpOpKOpOpKOpOpYY)()()()()()(1)()(122222222两边取对数得KOpYY)(lg)1lg(2KOpYYlg)(lg)1lg(2Hill作图以对作图称为Hill作图，肌红蛋白的Hill图是一条直线。当时（50%的肌红蛋白结合了氧），，这时，这一点的斜率称为Hill系数，肌红蛋白的Hill系数等于1，说明O2分子彼此独立地与肌红蛋白结合。)1lg(YY)(lg2Op11YY0)1lg(YY502)(PKOp氧与肌红蛋白结合的Hill图肌红蛋白的贮氧和输氧作用线粒体中氧浓度为0～10torr，静脉血氧浓度为15torr或更高些。肌红蛋白的P50为2torr，所以在大多数情况下，肌红蛋白是高度氧合的，是氧的贮存库。如果由于肌肉收缩使线粒体中氧含量下降，它就可以立即供应氧。肌红蛋白的贮氧和输氧作用肌红蛋白也有利于细胞内氧从细胞的内表面向线粒体转运，因为这种运转是顺浓度梯度的，细胞内表面的氧浓度约为10torr（肌红蛋白的氧饱和度约为80%），而线粒体内的氧浓度约为1torr（肌红蛋白的氧饱和度约为25%），肌红蛋白可以从细胞内表面结合氧，而运到线粒体中释放氧。二、血红蛋白的结构与功能血红蛋白血红蛋白（hemoglobin，Hb）存在于红细胞中，它的主要功能是在血液中结合并转运氧气，它在肺中与氧气结合，运输到全身各处组织中，再释放出氧气。人体内有正常功能的血红蛋白发育阶段血红蛋白名称α链或α样链β链或β样链亚基组成胚胎ζεζ2ε2胎儿HbFαγα2γ2出生到死亡HbAαβα2β2出生到死亡HbA2αδα2δ2血红蛋白的氨基酸组成α链或α样链由141个氨基酸残基组成，β链或β样链由146个氨基酸残基组成，而肌红蛋白的肽链由153个氨基酸残基组成，它们都叫珠蛋白。同一类型不同希腊字母代表的链有个别氨基酸残基不同。血红蛋白的三维结构β1β2α1α2Hb的α链、β链和Mb链构象的相似性血红蛋白α链、β链及肌红蛋白链的三级结构非常相似，但这三种肽链的氨基酸序列有很大不同，141个氨基酸残基位置中只有27个位置的残基在这三种肽链中是相同的。MbHbαHbβ不同物种血红蛋白氨基酸序列的比较比较了多种（从七腮鳗到人）不同的血红蛋白的氨基酸序列，证明序列中有9个位置的残基是所有研究过的血红蛋白所共有的，这些称为高度保守的残基。血红蛋白内部的非极性残基可以换成另一种非极性残基而功能不变。血红蛋白氧合时亚基的移动血红蛋白分子中，αβ亚基的接触有两类，一类是α1β1接触和α2β2接触，这类接触称为装配接触；另一类是α1β2接触和α2β1接触，这类接触称为滑动接触。氧合时，每个αβ二聚体半分子作为一个刚体移动，这两个二聚体彼此滑动。我们将其中一个二聚体看作不动，另一个二聚体将绕一个设想的偏心轴旋转15°，并平移0.08nm。血红蛋白氧合时亚基的移动去氧血红蛋白α1β1的移动过程氧合血红蛋白血红蛋白氧合时铁原子的移动在去氧血红蛋白中，铁原子向近侧His方向凸起约0.06nm。氧合时，铁原子的体积缩小，向卟啉环平面靠近约0.039nm，并牵拉近侧His往血红素平面移动，这些移动，传递到亚基的界面，使得亚基间的相互位置发生变化。血红蛋白氧合时铁原子的移动血红蛋白的两种构象态血红蛋白有两种主要构象态，一种是T态即紧张态（tensestate），另一种是R态即松弛态（relaxedstate）。O2对R态的亲和力明显地高于对T态的亲和力，并且O2的结合更稳定了R态。缺氧时T态更加稳定，因此T态是去氧血红蛋白的主要构象，R态是氧合血红蛋白的主要构象。T态血红蛋白结合O2后转变成R态，并使得分子内一些盐桥断裂。去氧血红蛋白中各亚基间的盐桥血红蛋白的别构效应血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧合具有正协同同促效应，即一个O2的结合促进同一分子其它亚基与O2的结合。具有这种性质的蛋白质称为别构蛋白（其它蛋白质也有负协同效应的）。血红蛋白的协同性氧结合24OHb42)(OHb])([]][[4242OHbOHbKKOpOpY)()(2424假设O2与Hb的结合是一种“全或无”的方式，其结合反应式为则解离常数K为…………⑦…………⑧按照前面肌红蛋白结合O2的定量分析的推导方法，Hb的氧饱和分数Y的表达式为血红蛋白与肌红蛋白氧合曲线的比较血红蛋白的实际氧合曲线推导氧合曲线实际氧合曲线图中的n为Hill系数血红蛋白推导氧合曲线误差的原因血红蛋白结合O2并不是“全或无”的，各个亚基结合O2是依次进行的，并且前面亚基结合了O2对后面亚基与O2的结合有促进作用。实际测定的n=2.8，若n=1，则无协同作用，若n1则有正协同作用。对于血红蛋白来说，当n=4时正协同作用最大，即当1个O2与1个亚基结合后，另外3个亚基也同时与O2结合。实际情况是n=2.8。这样，Hb对第4个O2的亲和力约为与第1个O2亲和力的300倍。血红蛋白运输氧的效率在肺泡中，氧分压为100torr，工作肌肉的毛细血管中约为20torr，血红蛋白在肺泡中Y是0.97，在肌肉毛细血管中Y是0.25，释放的O2是两个Y值之差，即ΔY=0.72。这个差值越大，运输O2的效率就越高。肌红蛋白不能担当此项工作。血红蛋白别构的异种效应血红蛋白与O2的结合受其它分子的调节，如H+、CO2和2,3-二磷酸甘油酸（2,3-bisphosphateglycerate，BPG）等。虽然它们在蛋白质分子上的结合部位离血红素很远，但这些分子极大地影响Hb的氧合性质，这是别构效应中的异种效应。2,3-二磷酸甘油酸2,3-bisphosphateglycerate，BPGBohr效应组织中代谢作用产生H+和CO2，代谢越旺盛的组织，需要的O2越多，产生的H+和CO2也越多。CO2在体内被水合成碳酸。CO2水合的结果，使组织中pH下降，即[H+]上升。O2与血红蛋白的结合受pH和CO2浓度的影响。去氧血红蛋白对H+的亲和力比氧合血红蛋白大。因此，增加H+浓度将促进O2的释放。HbO2＋H+HbH+＋O2Bohr效应氧合血红蛋白在组织中释放的O2量除了受到组织中低O2浓度的作用外，还受组织中低pH的影响。后者叫做Bohr效应，因1904年发现此现象的丹麦生理学家C.Bohr而得名。产生Bohr效应的原因是血红蛋白中一些pK值处于7附近的可解离基团的作用，主要是His，它们解离与否会影响到血红蛋白的构象，从而影响血红蛋白对O2的亲和力。Mb和在不同pH下Hb的氧合曲线CO2与Hb的结合血红蛋白还能结合CO2，结合部位是亚基N末端游离的α－NH2。CO2的结合也能促进O2的释放。BPG与Hb的结合2,3-二磷酸甘油酸（BPG）是血红蛋白一个重要的别构效应剂（别构抑制剂）。正常人红细胞中约含有4.5mmol/L的BPG，约与血红蛋白等摩尔数。每个Hb分子（四聚体）只有一个BPG结合位点，位于由4个亚基缔合形成的中央孔穴内。高负电荷的BPG分子与每个β链的若干个残基的带正电荷基团通过静电结合于Hb分子上，BPG把两个β链交联在一起。O2的结合使中央孔穴变小，使BPG结合变得困难。在没有BPG存在时，O2的