Chapter 1 蛋白質(zhì) section 3

1、第四節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能三、免疫系統(tǒng)與免疫球蛋白四、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮1一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能（一）肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)肌紅蛋白（myoglobin，Mb）是哺育動物細(xì)胞主要是肌細(xì)胞貯存和分配氧的蛋白質(zhì)。Mb由一條多肽鏈和一個輔基血紅素組成。除去血紅素輔基的肌紅蛋白稱為珠蛋白，與血紅蛋白的亞基在氨基酸序列上具有明顯的同源性。2Mb分子中多肽主鏈由長短不一的8段直的螺旋組成，8段螺旋分別命名為A、B、C、H，相應(yīng)的非螺旋肽段稱為NA、AB、HC。8個螺旋段大體上組裝成兩層，構(gòu)成肌紅蛋白的單結(jié)構(gòu)域。拐彎處螺旋受到破壞。Mb的整個分子

2、致密結(jié)實，分子內(nèi)部只有能容納4個水分子的空間。含親水側(cè)鏈基團(tuán)的氨基酸殘基幾乎全部分布在分子表面，疏水側(cè)鏈的氨基酸殘基幾乎全部埋在分子內(nèi)部。3（二）輔基血紅素某些過渡金屬的低氧態(tài)（Fe2+和Cu+）具很強(qiáng)的結(jié)合氧傾向。進(jìn)化過程中肌紅蛋白血紅蛋白以Fe（）作為氧結(jié)合部位，血藍(lán)蛋白用Cu（）。肌紅蛋白血紅蛋白家族中Fe由原卟啉固定。原卟啉是四吡咯環(huán)系統(tǒng)。4ChlorophyllHemoglobin原卟啉屬于卟啉類，有很強(qiáng)的著色力。血紅蛋白中的鐵卟啉使血液呈紅色，葉綠蛋白中的鎂卟啉使植物呈綠色。原卟啉與鐵的絡(luò)合物鐵原卟啉稱血紅素（heme）。Fe有6個配位鍵，其中4個與四吡咯環(huán)的N原子相連，另兩個分布

3、于卟啉環(huán)面的上下。Fe原子可以是亞鐵或高鐵氧化態(tài)，其中只有亞鐵態(tài)的蛋白質(zhì)才能結(jié)合氧。5（三）O2與Mb的結(jié)合Mb中血紅素鐵在第5配位鍵與珠蛋白第93位His的咪唑N結(jié)合，當(dāng)Mb成為MbO2時，第6配位被O2占據(jù)，但去氧后第6配位位置空著。在高鐵Mb中氧結(jié)合部位失效，H2O代替O2填充該部位。6游離在溶液中的鐵卟啉結(jié)合CO比結(jié)合O2強(qiáng)25 000倍，但在肌紅蛋白中血紅素對CO的親和力僅比O2約大250倍。這里CO的直線結(jié)合受到阻礙主要是遠(yuǎn)側(cè)His的空間位阻造成的。在血紅素基的氧結(jié)合部位一側(cè)，還有另一個His殘基（第64位），與氧分子能緊密接觸。被結(jié)合的氧分子夾在His咪唑環(huán)N和Fe原子之間。氧結(jié)

4、合部位是一個空間位阻區(qū)域。7肌紅蛋白和血紅蛋白在進(jìn)化中形成的多肽微環(huán)境至少有3個作用：（1)固定血紅素基；（2)保護(hù)血紅素鐵免遭氧化；（3)為O2提供一個合適的結(jié)合部位。（四）O2的結(jié)合改變Mb的構(gòu)象在去氧Mb中Fe離子只有5個配體，并位于離卟啉環(huán)平面上方0.055nm處，鐵卟啉呈圓頂狀。當(dāng)與O2結(jié)合時，鐵離子被拉回到離卟啉環(huán)平面只有0.026nm處，鐵卟啉變成平面狀。這一微小的移動顯著影響血紅蛋白的性質(zhì)，改變血紅蛋白四聚體內(nèi)亞基亞基相互作用。亞基關(guān)系上的這些變化是血紅蛋白具有別構(gòu)性質(zhì)的基本原因。8（五）Mb的氧合曲線Mb+O2 MbO2 令: 氧飽和度（1）將（2）帶入（1）式，得：可推得：

5、則（2）9 Y 對 Po2 作圖得 氧合曲線肌紅蛋白的Hill曲線斜率=1-logKlogPO2logLogY/(1-Y)=0時的斜率稱Hill系數(shù)（nH)10二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能血紅蛋白（hemoglobin，Hb）的主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運氧氣。紅細(xì)胞成熟期間產(chǎn)生大量的Hb（含3億個Hb），Hb以高濃度（約34）溶于紅細(xì)胞溶膠中。動脈血中Hb約為96%氧飽和度，靜脈血中則為64%。向組織釋放6.5mlO2/100ml血液。11（一）Hb的結(jié)構(gòu)1.Hb的亞基組成脊椎動物的Hb由4個多肽亞基組成，兩個亞基，兩個亞基。每個亞基都有一個血紅素基和一個氧結(jié)合部位。胎兒血紅蛋白（Hb F）對氧

6、的親和力增高，能有效地通過胎盤從母體的血循環(huán)中吸收氧。12成人： HbA： 22 98% ， HbA2： 22 2% 胎兒： HbF 22早期胚胎： 2213142.Hb的三維結(jié)構(gòu)分子近似球形，整個分子形成C2點群對稱。4個血紅素輔基分別位于每個多肽鏈的E和F螺旋之間的裂隙處，并暴露在分子表面。15Hb的鏈和鏈的三級結(jié)構(gòu)與Mb的三級結(jié)構(gòu)非常相似，這表明似乎十分不同的氨基酸序列也能夠規(guī)定出非常相似的三級結(jié)構(gòu)。不同種屬的Hb氨基酸序列中有9個位置的殘基是共有的，這些高度保守的殘基對Hb的功能有著特殊重要的意義。Hb內(nèi)部非極性氨基酸殘基的位置變化較大，但只是一種疏水殘基被換成另一種疏水殘基，分子內(nèi)部

7、的疏水特性總是被保留下來。16（二）氧結(jié)合引起的Hb構(gòu)象變化1.氧結(jié)合顯著改變Hb的四級結(jié)構(gòu)HbO2與Hb在四級結(jié)構(gòu)上有顯著不同，特別是亞基的相互作用發(fā)生變化。接觸 裝配接觸(11 和22) 滑動接觸(12和21)172.血紅素鐵的微小移動導(dǎo)致Hb構(gòu)象的轉(zhuǎn)換氧合過程中鐵原子位移引發(fā)的構(gòu)象改變O2F8Histidine空間排斥Feme Fe2+移動時，拖動HisF8殘基,并進(jìn)而引起螺旋F和拐彎EF和FG的位移。這些移動傳遞到亞基的界面，引發(fā)構(gòu)象的重調(diào)，導(dǎo)致四級結(jié)構(gòu)的改變。（TR）F HelixFemeFeF8HistidineO2EFFG18脫氧血紅蛋白亞 基間的交聯(lián)鍵193.HbO2與Hb代表

8、不同的構(gòu)象態(tài)血紅蛋白存在兩種主要的構(gòu)象：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)）。O2對R態(tài)的親和力明顯高于T態(tài)，并且氧的結(jié)合更穩(wěn)定R態(tài)。O2與一個處于T態(tài)的血紅蛋白亞基結(jié)合將引發(fā)構(gòu)象由T態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)。20（三）Hb的協(xié)同性氧結(jié)合Hb的氧合具有正協(xié)同性同促效應(yīng)，一個O2的結(jié)合增加同一Hb分子中其余空的氧結(jié)合部位對O2的親和力。Mb和Hb的氧合曲線比較Hb氧合曲線為S形。Hb+O2 Hb(O2)4 令: 氧飽和度（1）將（2）帶入（1）式，得：可推得：則（2）21nH=1,無協(xié)同性nH1,正協(xié)同性nH1,負(fù)協(xié)同性22Hb的輸氧功能Mb的儲氧功能Hb氧合協(xié)同性使得它更有效地起著輸送氧氣的作用。23血紅蛋白P

9、50=26 torr，肺泡氧壓：Po2 =100 torr ， Y=0.97 肌肉毛細(xì)血管：Po2 =20 torr， Y=0.25釋放氧： Y=0.970.25=0.72肌紅蛋白（無協(xié)同效應(yīng)）：Y不足0.124（四）H+、CO2和BPG對Hb結(jié)合氧的影響1. H+、CO2促進(jìn)O2的釋放25Bohr效應(yīng)：pH下降使得Hb的氧分?jǐn)?shù)降低。Bohr效應(yīng)具有重要的生理意義。26272.BPG降低Hb對O2的親和力DPG在脫氧Hb中的結(jié)合位點DBG binding siteBPG與Hb的相互作用屬于異促別構(gòu)調(diào)節(jié)。BPG把兩個鏈交聯(lián)在一起，穩(wěn)定Hb的T態(tài)構(gòu)象，促進(jìn)氧的釋放。28BPG對Hb的變構(gòu)效應(yīng)物功能

10、BPG濃度的調(diào)節(jié)（濃度升高）對肺中O2的結(jié)合影響不大，但對組織中O2的釋放影響不小。29BPG的別構(gòu)效應(yīng)BPG是血紅蛋白的負(fù)效應(yīng)物。BPG（2,3-二磷酸甘油酸）通過與它的兩個亞基形成鹽鍵穩(wěn)定了血紅蛋白的脫氧態(tài)的構(gòu)象，因而降低脫氧血紅蛋白的氧親和力。無BPG時，P50=2 torr，BPG=4.5mM時，P50=26 torrBPG進(jìn)一步提高了血紅蛋白的輸氧效率。在肺部，PO2超過100torr，因此，即使沒有BPG，血紅蛋白也能被飽和，在組織中，PO2低，BPG降低血紅蛋白的氧親和力，加大血紅蛋白的卸氧量。（1）高山適應(yīng)和肺氣腫的生理補償變化：BPG升高。（2）血庫儲血時加入肌苷可防止BPG

11、水平的下降。30 氧的S形曲線結(jié)合，Bohr效應(yīng)以及BPG效應(yīng)物的調(diào)節(jié)使得血紅蛋白的輸氧能力達(dá)到最高效應(yīng)。同時由于能在較窄的氧分壓范圍內(nèi)完成輸氧功能，因此使肌體的氧水平不致有很大的起伏。此外血紅蛋白使肌體內(nèi)的pH也維持在一個較穩(wěn)定的水平。 血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)充分地反映了它的生物學(xué)適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)與功能的高度統(tǒng)一性。31三、免疫系統(tǒng)與免疫球蛋白免疫(immunity)是人類和脊椎動物最重要的防御機(jī)制，免疫系統(tǒng)能在分子水平上識別“自我”和“非我”，然后破壞那些被鑒定為非我的實體。在生理水平上免疫系統(tǒng)對入侵的反應(yīng)或應(yīng)答（respone）是多種類型的蛋白質(zhì)、分子和細(xì)胞之間的一套復(fù)雜而協(xié)同的相互作用，然而在

12、個別蛋白質(zhì)水平上免疫反應(yīng)是配體與蛋白質(zhì)可逆結(jié)合的一個生化系統(tǒng)。32免疫系統(tǒng)體液免疫系統(tǒng)：針對細(xì)菌感染、胞外病毒以及進(jìn)入生物體的外來蛋白質(zhì)。細(xì)胞免疫系統(tǒng)：破壞被病毒感染的細(xì)胞、某些寄生物和外來的移殖組織。（一）抗原、抗體和免疫球蛋白的概念33免疫反應(yīng)主要涉及淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。淋巴細(xì)胞B細(xì)胞T細(xì)胞TH細(xì)胞TC細(xì)胞能引起免疫反應(yīng)的任何分子或病原體稱為抗原（antigen）。一個復(fù)雜的抗原可以被若干個不同的抗體結(jié)合。34當(dāng)外源物性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、顆粒（細(xì)菌、細(xì)胞、病毒）進(jìn)入人或動物體內(nèi)時，機(jī)體的免疫系統(tǒng)便產(chǎn)生相應(yīng)的免疫球蛋白（immune globin），并以之結(jié)合

13、，以消除異物的毒害。此反應(yīng)稱為免疫反應(yīng)，此異物便是抗原(antigen) ，此球蛋白便是抗體(antibody) ?？贵w的特點：高度特異性；多樣性353637 IgG IgA IgM IgD IgE重鏈類別輕鏈類別 或 或 或 或 或鏈的組成 （二）人免疫球蛋白的分類38（三）免疫球蛋白結(jié)構(gòu)和免疫系統(tǒng)39404142IgM的一級結(jié)構(gòu)43IgG的空間結(jié)構(gòu)44IgG與抗原形成 的交聯(lián)晶格45H鏈蘭色，L鏈黃色，E綠色（分子中一個Glu為紅色）溶菌酶與抗體 Fab片段結(jié)合模型46B細(xì)胞和T細(xì)胞上抗原的膜受體B細(xì)胞TH細(xì)胞TC細(xì)胞CD4CD8T細(xì)胞受體T細(xì)胞受體受體 （膜結(jié)合抗體）細(xì)胞膜細(xì)胞膜47MH

14、C蛋白質(zhì)分子圖解MHC-I蛋白內(nèi)側(cè)1結(jié)合抗原肽的裂隙結(jié)合抗原肽的裂隙2 - 微球蛋白232112內(nèi)側(cè)外側(cè)外側(cè)質(zhì)膜質(zhì)膜MHC-II蛋白48抗原呈遞細(xì)胞上的MHC蛋白-抗原肽復(fù)合物與T細(xì)胞上的T-細(xì)胞受體的相互作用MHC-II蛋白MHC-I蛋白抗原呈遞細(xì)胞CD8或CD4抗原肽T細(xì)胞受體（巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞或靶細(xì)胞）CD3蛋白復(fù)合體T細(xì)胞4950（四）多克隆抗體和單克隆抗體如果給動物注射抗原,雖然抗原與各種抗體產(chǎn)生細(xì)胞的親和性有所不同,但是還是有大量抗體產(chǎn)生細(xì)胞將與之結(jié)合,結(jié)果血液中出現(xiàn)的抗體源于數(shù)種不同的細(xì)胞克隆，這些抗體就是多克隆抗體（polyclonal antibodies）。如果可以分離到抗

15、體產(chǎn)生細(xì)胞的單克隆，然后使所有的抗體均來自同樣的克隆，這樣制備的抗體稱為單克隆抗體（monoclonal antibodies）。由于單抗細(xì)胞的壽命有限，嚴(yán)重限制了單抗的常規(guī)制備。1975年，Milsetein和Kohler創(chuàng)建了不受限制地大量制備針對特異抗原的單抗技術(shù)，將可產(chǎn)生專一性抗體的B淋巴細(xì)胞與具有無限繁殖能力的惡性淋巴瘤細(xì)胞（骨髓瘤細(xì)胞）融合，融合體稱為雜交瘤，它既可以永久地培養(yǎng)，又可分泌大量的均一的抗體。由于用這個技術(shù)產(chǎn)生的抗體具有很高的專一性，現(xiàn)已成為研究的常用工具。51四、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮肌肉可看作一種特別富含細(xì)胞骨架的效力非常高的能量轉(zhuǎn)換器，它直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。（一）肌纖維的結(jié)構(gòu)52（二）肌原纖維的構(gòu)成53（三）骨骼肌的相關(guān)蛋白1.肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都屬于該家族，其頭部具ATP酶活力,沿微絲從負(fù)極到正極進(jìn)行運動。Myosin ：主要分布于肌細(xì)胞，有兩個球形頭部結(jié)構(gòu)