1、生 物 化 学,赵 艳 玲 2010,蛋白质的生物功能是以其化学组成和空间结构为基础的。 蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境。,第五节 蛋白质结构与功能的关系,一、蛋白质功能的多样性,二、血红蛋白的结构,六、氨基酸序列与生物学功能,五、免疫球蛋白,四、血红蛋白分子病,三、血红蛋白的功能：转运氧,1. 催化,2. 调节,3. 转运,4. 贮存,5. 运动,6. 结构成分,7. 支架作用,8. 防御和进攻,一、蛋白质功能的多样性,二、血红蛋白的结构,血红蛋白（hemoglobin，Hb）的主要功能是在血液中结合并转运氧气。,红细胞成熟期间产生大量的Hb（含3亿个Hb），Hb以高浓度（约34
2、）溶于红细胞溶胶中。动脉血中Hb约为96%氧饱和度，静脉血中则为64%。向组织释放6.5mlO2/100ml血液。,某些过渡金属的低氧态（Fe2+和Cu+）具很强的结合氧倾向。肌红蛋白血红蛋白家族中Fe由原卟啉固定。原卟啉是四吡咯环系统。,1.血红素,Chlorophyll,Hemoglobin,原卟啉与铁的络合物铁原卟啉称血红素（heme）。 Fe有6个配位键，其中4个与四吡咯环的N原子相连，另两个分布于卟啉环面的上下。,肌红蛋白（myoglobin，Mb）是哺育动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。除去血红素辅基的肌红蛋白称为珠蛋白，与血红蛋白的亚基在氨基酸序列上具有明显的同源性。,2
3、.珠蛋白的三级结构,Mb分子中多肽主链由长短不一的8段直的螺旋组成，8段螺旋分别命名为A、B、C、H，相应的非螺旋肽段称为NA、AB、HC。 8个螺旋段大体上组装成两层，构成肌红蛋白的单结构域。拐弯处螺旋受到破坏。 Mb的整个分子致密结实，分子内部只有能容纳4个水分子的空间。,O2与Mb的结合,Mb中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93位His的咪唑N结合，当Mb成为MbO2时，第6配位被O2占据，但去氧后第6配位位置空着。,在血红素基的氧结合部位一侧，还有另一个His残基（第64位），与氧分子能紧密接触。被结合的氧分子夹在His咪唑环N和Fe原子之间。氧结合部位是一个空间位阻区域。,游离在溶液
4、中的铁卟啉结合CO比结合O2强25 000倍（b），但在肌红蛋白中血红素对CO的亲和力仅比O2约大250倍。这里CO的直线结合受到阻碍主要是远侧His的空间位阻造成的。,3、与O2结合的机制,O2的结合改变Mb的构象,在去氧Mb中Fe离子只有5个配体，并位于离卟啉环平面上方0.06nm处，铁卟啉呈圆顶状。 当与O2结合时，铁离子被拉回到离卟啉环平面只有0.02nm处，铁卟啉变成平面状。,4.Hb的四级结构,亚基缔合-中央空穴，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）结合部位 亚基之间的相互作用区域。,Hb的亚基组成,脊椎动物的Hb由4个多肽亚基组成，两个亚基，两个亚基。每个亚基都有一个血红素基和一个氧结
5、合部位。,胎儿血红蛋白（Hb F）对氧的亲和力增高，能有效地通过胎盘从母体的血循环中吸收氧。,不同种属的Hb氨基酸序列中有9个位置的残基是共有的，这些高度保守的残基对Hb的功能有着特殊重要的意义。 Hb内部非极性氨基酸残基的位置变化较大，但只是一种疏水残基被换成另一种疏水残基，分子内部的疏水特性总是被保留下来。,1.氧结合显著改变Hb的四级结构,HbO2与Hb在四级结构上有显著不同，特别是亚基的相互作用发生变化。,三、血红蛋白的功能：转运氧,接触,装配接触 (11 和22),滑动接触 (12和21),76,2.血红素铁的微小移动导致Hb构象的转换,氧合过程中铁原子位移引发的构象改变,Fe2+移
6、动时，拖动HisF8残基,并进而引起螺旋F和拐弯EF和FG的位移。这些移动传递到亚基的界面，引发构象的重调，导致四级结构的改变。（TR）,3.HbO2与Hb代表不同的构象态,血红蛋白存在两种主要的构象：T态（紧张态）和R态（松弛态） O2对R态的亲和力明显高于T态，并且氧的结合稳定R态。 O2与一个处于T态的血红蛋白亚基结合将引发构象由T态转变为R态。,有些小分子物质（配基）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，这种现象称为别构效应。,4.BPG降低Hb对O2的亲和力,BPG在脱氧Hb中的结合位点,DBG binding site,BPG与Hb的相互作用属于异促别构调节。 B
7、PG把两个链交联在一起，稳定Hb的T态构象，促进氧的释放。,BPG对Hb的变构效应物功能,BPG浓度的调节（浓度升高）对肺中O2的结合影响不大，但对组织中O2的释放影响不小。,BPG是血红蛋白的负效应物。 BPG（2,3-二磷酸甘油酸）通过与它的两个亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态的构象，因而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。（1）高山适应和肺气肿的生理补偿变化：BPG升高。 （2）血库储血时加入肌苷可防止BPG水平的下降。,5. H+、CO2促进O2的释放,Bohr效应：pH下降使得Hb的氧分数降低。,Bohr效应具有重要的生理意义。,四、血红蛋白分子病,（一）分子病是遗传的,除精子和卵子之外，
8、人的所有细胞在正常情况下均为二倍体，存在等位基因。基因的改变导致其指导的蛋白质结构和功能的改变。,与有缺陷的Hb有关的疾病 （1）血红蛋白病：由于或链发生了变化 （2）地中海贫血：由于缺少了或链,（二）镰刀状细胞贫血病（sickle-cell anemia）,红细胞脱氧时，镰刀状细胞明显增加。不正常的Hb称为HbS。,1.镰刀状细胞贫血病由Hb突变引起,镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病，但它能抵抗疟疾。,2.HbS氨基酸序列的细微变化,-链N端氨基酸排列顺序 1 2 3 4 5 6 7 8Hb-A（正常人） Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHb-S（患 者） Va
9、l-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys,3.HbS可形成纤维状沉淀,脱氧HbS聚集成纤维状结构,6条脱氧HbS纤维状缠绕成长管状结构,血红蛋白S线性缔合的分子基础,纤维沉淀压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。,在体外用氰酸钾处理镰刀状细胞贫血病患者的红细胞，可以防止它在缺氧状态下形成镰刀状。,（三）地中海贫血(thalassemia),产生途经：（1）缺失一个或多个编码Hb的基因；（2）一个或多个基因发生无义突变；（3）突变发生在编码区之外，导致转录阻断或hnRNA不正确加工。,1.地中海贫血 珠蛋白基因丢失或不能表达。需依赖胎儿链的连续产生以形成有功能的血红蛋白。多数不到成熟
10、就夭折。2.地中海贫血 珠蛋白水平低下，形成4、4或4同四聚体，它们能结合氧，但无血红蛋白的别构效应，总是处于R态，向组织卸氧的效率差。通常在出生前或出生后不久死亡。,五、免疫球蛋白,免疫(immunity)是人类和脊椎动物最重要的防御机制， 免疫系统能在分子水平上识别“自我”和“非我”，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。 在生理水平上免疫系统对入侵的反应或应答（respone）是多种类型的蛋白质、分子和细胞之间的一套复杂而协同的相互作用， 然而在个别蛋白质水平上免疫反应是配体与蛋白质可逆结合的一个生化系统。,免疫系统,体液免疫系统：针对细菌感染、胞外病毒以及进入生物体的外来蛋白质。,细胞免疫系
11、统：破坏被病毒感染的细胞、某些寄生物和外来的移殖组织。,抗原、抗体的概念,免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。,淋巴细胞,B细胞（免疫球蛋白）,T细胞（T细胞受体）,能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原（antigen）。一个复杂的抗原可以被若干个不同的抗体结合。,当外源物性物质，如蛋白质、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、颗粒（细菌、细胞、病毒）进入人或动物体内时，机体的免疫系统便产生相应的免疫球蛋白（immune globin），并以之结合，以消除异物的毒害。此反应称为免疫反应，此异物便是抗原(antigen) ，此球蛋白便是抗体(antibody) 。,抗体的特点：高度特异性；多样性
12、,多克隆抗体和单克隆抗体,如果给动物注射抗原,虽然抗原与各种抗体产生细胞的亲和性有所不同,但是还是有大量抗体产生细胞将与之结合,结果血液中出现的抗体源于数种不同的细胞克隆，这些抗体就是多克隆抗体（polyclonal antibodies）。如果可以分离到抗体产生细胞的单克隆，然后使所有的抗体均来自同样的克隆，这样制备的抗体称为单克隆抗体（monoclonal antibodies）。,免疫印记法（immunoblot assay或Western blotting）,对不同种属的细胞色素C的研究指出具有同种功能的蛋白质在结构上的相似性。 细胞色素C由124个残基构成，在生物氧化反应中起重要作用。人与黑猩猩、猴、狗、金枪鱼、飞蛾和酵母的细胞色素C比较，其不同的氨基酸残基数依次为0、1、10、21、31、44。,种属差异与生物进化,六、氨基酸序列与生物学功能,习 题,名词解释蛋白质三级结构，等电点，超二级结构，结构域 ，肽键平面 ，a-螺旋 简答题 1.何谓蛋白质的变性，变性涉及蛋白质的哪些变化？哪些因素容易导致变性？ 2.有一个低浓度、大体积的含盐蛋白质样品，要求得到高浓度、不含盐的蛋白质样品，试设计一实验方案，并讨论其可行性。,
