蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系

五十年代，JohnKendrew用X衍射對抹香鯨肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)研究獲得成功，第一個獲得完整構(gòu)象的蛋白質(zhì)。1962年Kendrew和Perutz由于測定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級結(jié)構(gòu)而獲Nobel化學(xué)獎。當(dāng)前1頁，總共21頁。肌紅蛋白(myoglobin)是哺乳動物細胞主要是肌細胞貯存和分配氧的蛋白質(zhì)，由一條153aa的多肽鏈和一個血紅素輔基組成。除去血紅素的脫輔基肌紅蛋白稱珠蛋白。肌紅蛋白由8段直的α螺旋組成，命名為A、B、C……H，~80%的氨基酸都處于α螺旋中。8個α螺旋大體上組成2層，α螺旋的拐彎處由1-8個aa組成的無規(guī)卷曲，C末端也有一段5個aa的松散肽鏈；肌紅蛋白的4個Pro各自處于一個拐彎處；親水氨基酸在分子表面，疏水氨基酸在分子內(nèi)部，是可溶性蛋白。分子內(nèi)部具有一個能容納4個水分子大小的疏水空間。1.肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)當(dāng)前2頁，總共21頁。某些過渡金屬的低氧態(tài)（Fe2+，Cu+）具有很強的氧結(jié)合傾向因此Fe(II)在肌紅蛋白和血紅蛋白中由原卟啉Ⅸ的有機分子固定原卟啉環(huán)Ⅸ由4個卟啉環(huán)通過甲叉橋連接成四吡咯環(huán)系統(tǒng)，再連有4個甲基、2個乙烯基、2個丙酸基。鐵卟啉稱為血紅素(heme)，使血液呈紅色與Fe2+血紅色結(jié)合的Mb為亞鐵Mb，與Fe3+血紅色結(jié)合的Mb為高鐵Mb2.輔基血紅素：當(dāng)前3頁，總共21頁。Fe2+有6個配位鍵，其中4個和吡咯環(huán)的N配位結(jié)合，另外第5與第6配位鍵與卟啉環(huán)面垂直。其中第5配位鍵與第93位（F8）His結(jié)合，第6配位鍵結(jié)合O2（64位，E7His）；高鐵Mb中第6位氧結(jié)合部位失活，H2O分子填空該部位Fe-O鍵不是垂直于吡咯環(huán)這是由于遠側(cè)組氨酸的空間位阻效應(yīng)。這種位阻決定了一些重要生化性質(zhì)：近側(cè)組氨酸遠側(cè)組氨酸當(dāng)前4頁，總共21頁。3.O2與肌紅蛋白的結(jié)合游離鐵卟啉結(jié)合CO比結(jié)合O2強25000倍，由于空間位阻效應(yīng)，在肌紅蛋白中血紅素與CO的親和力僅比O2大約250倍。因為Fe與CO的直線結(jié)合受到E7組氨酸的空間位阻。這種作用可以防止生物代謝過程中產(chǎn)生的CO與O2競爭結(jié)合肌紅蛋白和血紅蛋白。游離的亞鐵血紅素容易被氧化成高鐵血紅色，但是肌紅蛋白及血紅蛋白多肽微環(huán)境具有保護作用：固定血紅素；疏水環(huán)境保護血紅素免受氧化；為O2分子提供一個適合的結(jié)合部位。當(dāng)前5頁，總共21頁。血紅蛋白(hemoglobin)的結(jié)構(gòu)與功能當(dāng)前6頁，總共21頁。血紅蛋白(Hb)的三維結(jié)構(gòu)Hb為球狀寡聚蛋白，由α2β2四個亞基(珠蛋白)和血紅素組成，每個亞基都有一個血紅素基和一個氧結(jié)合部位，分子量65000，α鏈141個殘基，β鏈146個殘基。親水性側(cè)鏈基團在分子表面，疏水性基團在分子內(nèi)部。與肌紅蛋白相比，血紅蛋白的α鏈有一個縮短的H螺旋，并缺失一個D螺旋；β鏈也有一個縮短的H螺旋當(dāng)前7頁，總共21頁。雖然肌紅蛋白、血紅蛋白的α鏈、β鏈在141個aa殘基中只有27個位置是共有的，但是這3者的三級結(jié)構(gòu)非常相似。成人紅細胞中主要為HbA1(α2β2)，α鏈141aa、β鏈146aa，各帶一個血紅素與O2結(jié)合，所以一分子Hb能與4分子O2結(jié)合。不同發(fā)育階段α鏈相同,β鏈不同，胎兒期為αγ，胚胎期為αε血紅蛋白(Hb)的三維結(jié)構(gòu)當(dāng)前8頁，總共21頁。氧合血紅蛋白和去氧合血紅蛋白代表不同的構(gòu)象血紅蛋白存在兩種構(gòu)象態(tài)：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)）。R態(tài)與O2的親和力明顯高于T態(tài)，因此T態(tài)是去氧血紅蛋白的構(gòu)象態(tài)。T態(tài)的去氧血紅蛋白有專一的氫鍵和鹽橋起著穩(wěn)定作用。4個亞基的C末端處于束縛狀態(tài)，例如β1鏈中C末端的HC3位His+與FG1位的Asp-形成離子鍵、而羧基則與α2亞基中C5位Lys形成離子鍵。(Question:多少個鹽橋？多少鏈間鹽橋？)當(dāng)前9頁，總共21頁。T態(tài)與R態(tài)的構(gòu)象差別O2與T態(tài)的去氧血紅蛋白結(jié)合將引發(fā)構(gòu)象由T態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)。穩(wěn)定T態(tài)的相互作用被破壞，亞基的C末端處于自由旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。其中參與離子對形成的β亞基中的His（HC3）旋轉(zhuǎn)到R態(tài)分子的中心區(qū)域。T態(tài)與R態(tài)的轉(zhuǎn)變有利于O2在組織間的釋放。這是一種別構(gòu)效應(yīng)。當(dāng)前10頁，總共21頁。別構(gòu)效應(yīng)（1）別構(gòu)效應(yīng)（allostericeffect）通過蛋白質(zhì)與配基結(jié)合改變蛋白質(zhì)構(gòu)象，進而改變其生物活性，稱為別構(gòu)效應(yīng)。具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白叫別構(gòu)蛋白，配基稱為別構(gòu)劑；別構(gòu)蛋白就是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)，別構(gòu)蛋白都是寡聚蛋白。（2）別構(gòu)效應(yīng)可分為同促效應(yīng)和異促效應(yīng)兩類。相同配體（相同的結(jié)合部位）引起的反應(yīng)稱為同促效應(yīng)，例如寡聚體酶或蛋白質(zhì)（如血紅蛋白）各亞基之間的協(xié)同作用即是同促效應(yīng)。同促效應(yīng)是同一種物質(zhì)作用于不同亞基的相同部位而發(fā)生影響，因此是別構(gòu)效應(yīng)。不同配體（不同的結(jié)合部位）引起的反應(yīng)稱為異促效應(yīng)，例如別構(gòu)酶的別構(gòu)結(jié)合部位和底物結(jié)合部位之間的反應(yīng)即是異促效應(yīng)。

當(dāng)前11頁，總共21頁。血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合血紅蛋白與氧的結(jié)合具有正協(xié)同性同促效應(yīng)，即一個O2的結(jié)合能夠增加同一個血紅蛋白分子中其余空余氧結(jié)合部位對O2的親和力。這里O2即是正常的配體，也是正同促調(diào)節(jié)物。血紅蛋白與氧的結(jié)合還受其他分子，例如質(zhì)子、二氧化碳、2,3-二磷酸甘油酸(BPG)的調(diào)劑。雖然它們在血紅蛋白分子上的結(jié)合部位離血紅素很遠，但它們同樣可以極大地影響血紅蛋白的氧結(jié)合性質(zhì)。這種在空間上相隔遠的部位之間的相互作用成為別構(gòu)效應(yīng)。例如Bohr效應(yīng)和BPG效應(yīng)。當(dāng)前12頁，總共21頁。(1)H+和CO2促進O2的釋放（Bohr效應(yīng)）去氧血紅蛋白與H+的親和力>氧合血紅蛋白，因此增加H+將提高O2從血紅蛋白中的釋放。因此當(dāng)血液流經(jīng)代謝迅速的肌肉時，由于這里的pH低，CO2濃度高，有利于氧合血紅蛋白中O2的釋放，產(chǎn)生的去氧血紅蛋白與H+和CO2結(jié)合，緩沖溶液的pH。當(dāng)血液流經(jīng)氧濃度高的肺部時，血紅蛋白與氧的結(jié)合促進了H+和CO2的釋放，CO2在肺部的呼出又有利于血紅蛋白的氧合?！狟ohr效應(yīng)當(dāng)前13頁，總共21頁。2,3-二磷酸甘油酸（BPG）(2)BPG（2,3-二磷酸甘油酸）

降低Hb對O2的親和力血紅蛋白只有一個BPG結(jié)合部位。BPG為高負電荷分子，與每個β鏈的Lys82、His143、His(NA2)、Val(NA1)的正電荷基團因靜電引力相互作用與血紅蛋白上。BPG與兩個β鏈的離子鍵有利于穩(wěn)定T態(tài)血紅蛋白（去氧）構(gòu)象，促進氧的釋放。例如，阻塞性肺氣腫病人的換氣受阻時，紅細胞中BPG代償性升高，促進O2釋放，使組織獲得較多的氧。當(dāng)前14頁，總共21頁。血紅蛋白分子病當(dāng)前15頁，總共21頁。血紅蛋白的異常由基因突變引起，并通過遺傳在群體間散布，是進化的基礎(chǔ)。理論上導(dǎo)致遺傳病的有害突變最終消失，有益突變得以保留并隨著進化而體現(xiàn)其優(yōu)勢。至今，血紅蛋白遺傳變體已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有300多種。有缺陷的包括鐮刀狀細胞貧血病、地中海貧血、先天性青紫等。1.分子遺傳病2.鐮刀狀細胞貧血病當(dāng)前16頁，總共21頁?；颊哐t細胞合成了一種不正常的血紅蛋白（Hb-S）；使血紅蛋白細胞收縮成鐮刀形，輸氧能力下降，易發(fā)生溶血；當(dāng)前17頁，總共21頁。HbA與HbS的胰蛋白酶消化后的指紋圖譜當(dāng)前18頁，總共21頁。氨基酸突變

基因點突變反映了蛋白質(zhì)的氨基酸序列在決定它的二級、三級、四級結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能方面的重大作用。當(dāng)前1