蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四一蛋白質(zhì)功能的多樣性

1催化生物體內(nèi)幾乎所有化學(xué)反應(yīng)的酶是都蛋白質(zhì)。

2調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的許多激素也是蛋白質(zhì)或多肽。

3轉(zhuǎn)運各種營養(yǎng)和代謝物，例如：氧和二氧化碳，脂類等。

4儲存作為營養(yǎng)物質(zhì)儲庫。

5運動肌肉收縮。第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

6結(jié)構(gòu)成分蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的最重要的物質(zhì)7支架作用支架蛋白參與對激素和其他信號分子的應(yīng)答、協(xié)調(diào)和通訊。8防御和進攻抵抗外源性異物侵害而產(chǎn)生免疫反應(yīng)的抗體是蛋白質(zhì)。病毒對宿主的感染過程等都是蛋白質(zhì)在其中起作用。防凍蛋白、凝血酶和血纖維蛋白等第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四二血紅蛋白的結(jié)構(gòu)

血紅蛋白的亞基組成成人HbA：α2β298%，HbA2：α2δ22%胎兒：HbFα2γ2早期胚胎α2ε2第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四（一）輔基血紅素在含鐵的蛋白質(zhì)固定Fe2+的方式有許多種。肌紅蛋白中的輔基血紅素是原卟啉Ⅸ的有機分子。第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四輔基血紅素是原卟啉Ⅸ的有機分子。原卟啉Ⅸ與鐵的絡(luò)合物鐵原卟啉Ⅸ稱血紅素。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四（二）珠蛋白（肌紅蛋白）的三級結(jié)構(gòu)

肌紅蛋白是第一個被確定具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，是哺乳動物肌肉中儲氧的單體蛋白質(zhì)。由153個氨基酸殘基組成的一條多肽鏈（珠蛋白）和一個血紅素輔基組成。不含輔基的蛋白質(zhì)稱為球蛋白（gilobin）也稱珠蛋白第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四8段直的α-螺旋組成，分別命名為A、B、C…H，拐彎處是由1~8個氨基酸組成的松散肽段（無規(guī)卷曲）。

血紅素輔基，扁平狀，結(jié)合在肌紅蛋白表面的一個洞穴內(nèi)。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四（三）與O2結(jié)合的機制

作為輔基的血紅素非共價結(jié)合于肌紅蛋白的疏水空穴中，肌紅蛋白鐵在第5配位鍵與93位His殘基咪唑基的N結(jié)合，第6配位鍵與氧結(jié)合時，稱為氧合肌紅蛋白，脫氧是該鍵空位，稱為脫氧肌紅蛋白。脫氧肌紅蛋白Fe（Ⅱ）離子只有5個配體，突出卟啉環(huán)，形成圓頂狀。當(dāng)肌紅蛋白血紅素中Fe（Ⅱ）離子與氧結(jié)合。產(chǎn)生位移被拉進卟啉環(huán)，成為平面形。同時牽動位于F段第8位的His所在的F螺旋，引發(fā)構(gòu)象變化轉(zhuǎn)變?yōu)檠鹾霞〖t蛋白。第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四CO可以與其結(jié)合，空氣中CO濃度過高會產(chǎn)生中毒現(xiàn)象。游離血紅素對CO的親和力比對O2強25000倍，但是與肌紅蛋白結(jié)合的血紅素對CO的親和力只比對O2強250倍。肌紅蛋白和血紅蛋白憑借位阻降低了對CO的親和力，有效地防止體內(nèi)代謝產(chǎn)生的CO與它們的結(jié)合，對機體產(chǎn)生毒害。第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四（四）

血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)血紅蛋白（hemoglobin,Hb）的主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運O2，它存在于血液的紅細胞中，在紅細胞成熟期間產(chǎn)生大量的血紅蛋白，并失去胞內(nèi)的細胞器－細胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四血紅蛋白(hemoglobin)的四級結(jié)構(gòu)第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四血紅蛋白將肺部的氧運送的體內(nèi)各組織中去，在肌肉組織中血紅蛋白釋放氧，通過細胞質(zhì)膜與肌紅蛋白結(jié)合。肌紅蛋白在肌肉中儲存氧，血紅蛋白通過血液循環(huán)運輸氧至全身。

三血紅蛋白的功能：運輸氧（一）肌紅蛋白是氧的貯庫第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四別構(gòu)效應(yīng)：一個配體與蛋白質(zhì)上的一個部位結(jié)合，改變該蛋白質(zhì)其他部位的親和力。只有寡聚蛋白才有別構(gòu)效應(yīng)。具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)稱為別構(gòu)蛋白。配體也稱調(diào)節(jié)物，或效應(yīng)物。調(diào)節(jié)物（或效應(yīng)物）結(jié)合的部位稱為調(diào)節(jié)部位或別構(gòu)部位。（二）血紅蛋白氧合的協(xié)同性和別構(gòu)效應(yīng)第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

一個亞基與配體結(jié)合，導(dǎo)致其它亞基與配體的親和力改變的現(xiàn)象稱為協(xié)同性。

一個亞基與配體結(jié)合，導(dǎo)致其它亞基與配體的親和力增加的現(xiàn)象稱為正協(xié)同性。反之為負協(xié)同性。

第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

T態(tài)(tensestate)：緊張狀態(tài)，脫氧血紅蛋白R態(tài)(relexaedstate)：松弛狀態(tài)，氧合血紅蛋白

（三）血紅蛋白氧合的兩種構(gòu)象狀態(tài)雖然氧可以和T態(tài)和R態(tài)兩種狀態(tài)結(jié)合，但是氧與R態(tài)的親和力明顯高于T態(tài)，并且氧的結(jié)合穩(wěn)定了R態(tài)，所以R態(tài)是氧合血紅蛋白的主要存在形式，T態(tài)是脫氧的優(yōu)勢構(gòu)象。氧與T態(tài)的血紅素結(jié)合引發(fā)構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四血紅蛋白不同亞基之間的鹽橋第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四（四）血紅蛋白協(xié)同性氧結(jié)合的定量分析

血紅蛋白是至今研究最徹底的一個別構(gòu)蛋白，它對配體氧的結(jié)合具有正協(xié)同同促效應(yīng)。氧結(jié)合曲線是S形。為了對協(xié)同性進行定量分析，1910年Hill推出Hill方程，根據(jù)Hill方程作圖稱為Hill圖。Hill圖的斜率稱為Hill系數(shù)。第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四Hill系數(shù)（nH）：協(xié)同程度的量度。Hill系數(shù)（nH）=1，蛋白質(zhì)與配體的結(jié)合非協(xié)同效應(yīng)，例如肌紅蛋白（單體蛋白都沒有協(xié)同效應(yīng)）。Hill系數(shù)（nH）＞1，蛋白質(zhì)與配體的結(jié)合為正協(xié)同效應(yīng)。Hill系數(shù)（nH）＜1，蛋白質(zhì)與配體的結(jié)合為負協(xié)同效應(yīng)。第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四△Y是血紅蛋白輸氧效率指標。協(xié)同性將增加△Y部位氧分壓Y值△Y血紅蛋白肺部肌肉毛細管13kPa3kPa0.970.25

0.72部位氧分壓Y值△Y肌紅蛋白肺部肌肉毛細管13kPa3kPa接近于1

＜0.1從圖6-8可以看出:血紅蛋白有利于肺部吸收氧,運送到組織中釋放.第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

BPG是血紅蛋白的負效應(yīng)物。BPG通過與它的兩個β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。

BPG進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。

(五)BPG降低Hb對氧的親和力BPG：2,3-二磷酸甘油酸BPG的別構(gòu)效應(yīng)第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

（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水平下降，因為肌苷能通過紅細胞膜并在胞內(nèi)經(jīng)一系列反應(yīng)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽PG?，F(xiàn)在肌苷廣泛用于血液的保存。第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四增加CO2的濃度、降低pH能顯著提高血紅蛋白亞基間的協(xié)同效應(yīng)，降低血紅蛋白對O2的親和力，促進O2的釋放，反之，高濃度的O2也能促使血紅蛋白釋放H+

和CO2

。(六)H+、CO2對血紅蛋白結(jié)合氧的影響H+、CO2促進O2的釋放（波耳效應(yīng)）血紅蛋白上有CO2和BPG結(jié)合部位，因此，血紅蛋白還能運輸CO2。血紅蛋白與氧結(jié)合受環(huán)境中[H+]即（pH）和CO2的濃度的影響。波耳效應(yīng)：pH對血紅蛋白與氧親和力的影響稱為波耳效應(yīng)第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四四血紅蛋白分子?。ㄒ唬┓肿硬∈沁z傳血紅蛋白異常由基因突變引起，并通過遺傳在群體中散布。（二）鐮刀狀細胞貧血病。（三）其他血紅蛋白病-地中海貧血。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四鐮刀形細胞貧血病是一種分子病在1904年，芝加哥的jamesHerrick醫(yī)生接待了一名患有嚴重貧血的黑人大學(xué)生，醫(yī)生檢查他的紅細胞時發(fā)現(xiàn)，在正常細胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細胞，Herrick將非正常血液病稱之鐮刀形細胞貧血病。鐮刀形細胞不能象正常細胞那樣通過毛細血管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴重的組織損傷。鐮刀形細胞易破裂，導(dǎo)致紅細胞的減少。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

大約花費了四十多年的時間才確定鐮刀形細胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。利用電泳比較了HbS與正常的成熟的血紅蛋白（HbA）。結(jié)果表明HbS比HbA帶有的正電荷多，后來序列分析發(fā)現(xiàn)，HbS分子中的鏈的第六個氨基酸殘基是一個非極性的纈氨酸，而正常的HbA分子中的鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的。第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四鐮刀形細胞特性和鐮刀形細胞貧血病在生活于熱帶的人群中最流行，在這些地方，瘧疾也最流行。帶有鐮刀形細胞的個體對瘧疾具有比較強的抵抗力，就是說雜合子能享受到不為正常純合子和鐮刀形細胞純合子所分享的好處，雜合子具有抗瘧性。第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四抗原

抗原是指進入異體機體后，能致敏淋巴細胞產(chǎn)生特異抗體，并能與抗體發(fā)生特異結(jié)合的物質(zhì)（主要有蛋白質(zhì)、核酸及其它高分子化合物）?？贵w即免疫球蛋白，是一類可溶性的血清糖蛋白，是血液中最豐富的蛋白質(zhì)之一。五免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)和類別人的免疫球蛋白（immuneglobulin,Ig）有5種IgA、IgM、IgD、IgE和IgG。IgG是血液中最豐富的免疫球蛋白，是記憶細胞引發(fā)再次免疫反應(yīng)中的主要抗體第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四六氨基酸序列與生物學(xué)功能（一）同源蛋白的物種差異與生物進化以胰島素和細胞色素c為例說明。示出了細胞色素c種系發(fā)生樹。序列比較提供蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的信息同源蛋白質(zhì)(homologousproteins)進化上相關(guān)的蛋白