蛋白质结构与功能的关系1.ppt

第6章 蛋白质结构与功能的关系,肌红蛋白(Myoglobin, Mb) 血红蛋白(Hemoglobin, Hb) 与氧分子的结合 氧合曲线 氧结合引起的血红蛋白构象变化 血红蛋白分子病（镰刀状细胞贫血病 ）,肌红蛋白与血红蛋白结构和功能的比较,Kendrew J.C. （1917-）英国生物物理和分子生物学家，在1957年和1960年用X衍射分析了肌红蛋白的三维结构 Perutz M.F.（1914-）澳大利亚裔英国分子生物学家，在1938年和1960年用X衍射分析了血红蛋白的分子结构 1962年因他们对球蛋白研究的突出贡献而获得诺贝尔化学奖P252和258,1 肌红蛋白（Myoglobin）,哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质； 功能是结合氧，并使氧在肌肉中扩散； 由一条肽链和一个血红素辅基构成的球状结构； 全链共有8段α螺旋，单结构域； 亲水基团多在外层，疏水基团多在分子内部； 血红素辅基位于疏水洞穴中；血红素辅基能结合氧93（F8）——His,4个吡咯环通过甲叉桥连接而成;4个甲基、2个乙烯基、2个丙酸基,血红素：原卟啉Ⅸ与Fe的络合物——铁原卟啉Ⅸ,血红素——辅基,Ⅸ,结合方式：O2—Fe (Ⅱ)—原卟啉Ⅸ,O2 与肌红蛋白的结合,CO中毒的机理 CO与O2 竞争血红素的结合部位。

肌红蛋白中的血红素对CO的亲和力比O2 约大250倍 Danger : 0.06%~0.08% Dead: 0.1% 空间位阻,CO中毒的机理,,C,C,C,肌红蛋白中O2 与血红素的结合,2 血红蛋白(hemoglobin),功能是在血液中结合并转运氧； 成人血红蛋白主要是HbA，由2个α-亚基，2个β-亚基组成 每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组成；,,a2b2 (四聚体),血红蛋白的结构,肌红蛋白与血红蛋白三级结构的比较,146,153,141,每个亚基的三级结构都与肌红蛋白相似，但一级结构相差较大Identity between Hba and Hbb: 50% Number of identity AAs among Mb, Hba and Hbb: 27,3 与氧分子的结合,3.1 氧合曲线 1个肌红蛋白分子含有1个氧结合部位，能够结合1个O2； 血红蛋白分子能够结合4个O2 氧饱和度（Y） 作图：饱和度（Y）作纵坐标，氧分压（PO2）作横坐标 肌红蛋白--双曲线；血红蛋白--S形曲线肌红蛋白氧合曲线为双曲线, 血红蛋白为S形,P50=2.8,P50=26torr,1torr≈133.3Pa,肌红蛋白--双曲线： 单体蛋白质，只含有一个配基（ O2）的结合部位，即活性部位，分子内部不存在活性部位之间的相互作用。

有利于释放更多的氧 血红蛋白--S形曲线： 寡聚蛋白质，亚基之间（或氧结合部位之间）存在着相互作用 开始时，与氧结合的能力很小→一旦与氧结合，三级结构发生了变化 →其余亚基结合能力加强 有利于结合更多的氧当一个亚基与氧结合后，会引起四级结构的变化，使其它亚基对氧的亲和力增加，结合加快反之，一个亚基与氧分离后，其它亚基也易于解离这种现象称正协同性肌红蛋白和血红蛋白对氧亲合性的差异形成了一个有效的将氧从肺部运到肌肉的氧转运系统肺中氧分压,组织中氧分压,在高PO2下如肺部，血红蛋白几乎被饱和了；在肌肉中，PO2低，血红蛋白对氧亲和性低，将氧释放出来起到转运氧的作用，释放出的氧被肌红蛋白结合3.2 氧结合引起的血红蛋白构象变化,3.2.1 亚基组成 血红蛋白的4个亚基沿着2个α亚基之间与2个β亚基之间呈双重对称轴排布，两个α亚基之间与两个β亚基之间均有空隙，形成中心空穴3.2.2 别构效应：（变构效应） 蛋白质与配基结合改变了蛋白质的构象，进而改变蛋白质的生物活性 X-射线晶体结构分析法揭示： 紧张态（T态）——松弛态（R态） 去氧血红蛋白 氧合血红蛋白,（tense state）,（relaxed state）,3.2.3 原理 ① 辅基血红素 结合方式：O2—Fe (Ⅱ)—原卟啉Ⅸ,4个吡咯环通过甲叉桥连接而成 4个甲基、2个乙烯基、2个丙酸基,血红素：原卟啉Ⅸ与Fe的络合物——铁原卟啉Ⅸ,② 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换,,,,氧合作用显著改变Hb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（从T态→R态）,去氧血红蛋白中各亚基间的盐桥,3.2.4 BPG 、 H+和CO2对血红蛋白 结合氧的影响,别构作用（allosteric interaction） ：有些小分子物质可专一地与蛋白质可逆结合，使蛋白质的结构和功能发生变化。

这些小分子称为别构效应剂 别构蛋白：这种活性受到别构效应剂调节的蛋白① 波尔效应(Bohr effect),定义：CO2浓度的增加及相应的pH降低，使血红蛋白氧亲和力下降的现象Or 2, 3 - Bisphosphoglycerate (BPG),② 2，3一二磷酸甘油酸对Hb氧合的影响,2，3-二磷酸甘油酸（2，3BPG或DPG）是血红蛋白的别构效应剂，BPG降低血红蛋白对氧的亲和力与β链形成盐桥，有助于稳定脱氧态血红蛋白构象,在无DPG时，大约20torr时，血红蛋白几乎被饱和了，不能将氧卸载给肌红蛋白； 在有DPG时，使血红蛋白对氧亲和性降低，释放氧氧的S形曲线结合，Bohr效应以及BPG效应物的调节使得血红蛋白的输氧能力达到最高效率 由于能在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，因此使机体的氧水平不致有很大的起伏 血红蛋白使机体内的pH也维持在一个比较稳定的水平 血红蛋白的别构效应充分反应了它的生物学适应性，结构与功能的高度统一性4 血红蛋白分子病,分子病 ：由于基因突变导致蛋白质一级结构突变，使蛋白质功能下降或丧失，而产生的疾病被称为分子病 分子病是可以遗传的 血红蛋白分子病： α或β链发生了变化，如镰刀状细胞贫血病。

缺少α或β链，如α-和β-地中海贫血病美国化学家及和平主义者 1940年阐明了生物大分子中分子间力的特点 1949年他通过对镰刀状细胞贫血病的研究首先提出分子病的概念 1951年提出了蛋白质结构的α螺旋模型 1954年因他对化学键的研究并将其用于解释生物大分子的结构而获得诺贝尔化学奖Pauling L.C.（1901-1994）,① 镰刀状细胞贫血病(sickle-cell anemia）,镰刀状细胞贫血病 （sickle-cell anemia）,HbA（ adult hemoglobin） HbS（sickle-cell hemoglobin）,1954年 指纹图谱（finger print）,HbA β-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys… HbS β-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…,电泳,层析,病因： β-亚基（β-链）第6位的氨基酸残基不同： G1u——R侧链是带负电荷的亲水基团， Val ——R侧链是不带电荷的疏水基团 取代使原来血红蛋白分子表面的电荷发生了改变 等电点改变，溶解度降低，产生纤维沉淀，从而压迫细胞质膜，使扁圆形的红细胞变成镰刀形。

不易通过毛细血管，运输氧的功能下降，导致组织缺血受伤，严重的可以致死病人血红蛋白β链第六位谷氨酸突变为缬氨酸，这个氨基酸位于分子表面，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，使红细胞容易破裂，发生溶血治疗性矫正 用氰酸钾处理红细胞 使HbS分子的一个N-末端区缬氨酸的氨基被修饰，就能“矫正”它的构象，抑制镰刀状的发生，使分子重新获得输氧能力② 地中海贫血病 病因： ① 缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因； ② 所有基因都可能存在，但一个或多个基因发生无义突变，结果产生缩短了的蛋白链； 或发生移码突变，致使合成的链含不正确的氨基酸序列； ③ 所有基因都可能存在，但突变发生在编码区之外，导致转录被阻断或前体mRNA的不正确加工 种类： β –地中海贫血 α –地中海贫血,,名词解释,等电点（pI，isoelectric point） 蛋白质的一级结构（primary structure) 镰刀状细胞贫血病（sickle-cell anemia）,。