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1、3.6 蛋白质空间结构与功能的关系,3.6.1 肌红蛋白与血红蛋白的结构肌红蛋白（Mb）结构扁平棱形分子，含153个氨基酸残基（M=16700）由一条多肽链和一个血红素辅基组成；肌红蛋白含有长短不等的8个-螺旋，8段螺旋大体折叠成两层形成单结构域血红素辅基位于E、F螺旋之间的疏水性口袋之中Fe2+以配位键形式结合氧分子,肌红蛋白的空间结构,8段螺旋记为：A、B、C、D、E、F、G和H；螺旋间连接记为：NA，AB，BC，CD，DE，EF，FG，GH，HC,固定血红素；为O2的结合提供合适的空间；保护血红素Fe()免遭氧化：血红素中Fe2+与氧结合前后氧化数不变,Fe2+以配位键形式结合氧分子,血
2、红素辅基,O2与Fe2+的结合不够牢固CO、NO等小分子也可与血红素Fe2+结合,血红蛋白（Hb）的结构由四个亚基组成，即为22，具四级结构；各亚基均由一条肽链和一个血红素分子组成，其三级结构与肌红蛋白相似；亚基之间以盐键及疏水相互作用力结合，形成紧密而亲水的球状分子；分子内部疏水3.2 血红蛋白与氧的结合Hb分子中每一亚基可结合一分子O2,形成HbO2；实验测定Hb的氧分数饱和度Y也与PO2有关，但其氧合曲线呈S形Hb结合O2具有协同作用,血红蛋白的和亚基中,只有18%的残基与肌红蛋白相同，但3种多肽的三级结构却极为相似.只是链没有D螺旋同源蛋白质的三级结构较一级结构更为保守,一个亚基和一个
3、亚基组成一个原聚体,11（或22）之间的作用发生在B、G、H螺旋及GH转弯处，涉及35个氨基酸残基；12（21）之间的作用发生在C、G螺旋及FG转弯处，涉及19个氨基酸残基，这些接触主要通过疏水相互作用结合，也存在盐键和氢键；相同亚基之间不直接接触，相对面分布有极性基团，相隔约2.0nm的溶剂通道,肌红蛋白与血红蛋白的氧合曲线,肌红蛋白的氧合曲线呈双曲线形一个肌红蛋白分子结合一个氧分子:方式Mb与O2的结合程度可用氧分数饱和度(Y)来表示 Y=MbO2/(MbO2+Mb)Mb+O2 MbO2 K=(PO2 Mb)/MbO2(K为氧合肌红蛋白的解离常数)Y=Po2/(Po2+K)Y-Po2曲线称
4、肌红蛋白的氧合曲线，为一双曲线,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧结合曲线,PO2=100torrY=0.97,PO2=20torrY=0.88,PMb50,Mb的P50=2.8torr，即 K=2.8 Mb可在相当广泛的PO2范围内结合氧 当 PO2=100torr，Mb YO2=97%肌肉毛细血管：PO2=20torr，Mb YO2=88%肌细胞内：PO2=010torr，Mb YO2=78%生理范围内肌红蛋白可有效地将毛细血管中的O2转移到肌肉。代谢旺盛的线粒体内PO2=1torr YO2=26%肌红蛋白可有迅速地释放氧，供细胞代谢.,当YO2=0.5时，K=PO2，此时氧分压记为P
5、50，即 K=P50,Y=PO2/(PO2+K),Hill系数：利用变换公式作图可求出K 以 作图得一直线，直线斜率称Hill系数，记为nH，对肌红蛋白 nH=1,或,时，PO2=P50=K，,氧与肌红蛋白结合的Hill图,lgPO2,lgP50,斜率nH=1，称为Hill系数,0,血红蛋白与氧的结合具有正协同效应,血红蛋白的氧合曲线呈S形 同样Hb与O2的结合程度用氧分数饱和度(Y)来表示 Y=HbO2/(HbO2+Hb)假设：Hb+nO2 Hb(O2)n，K=(PO2)n Hb/HbO2(K为氧合血红蛋白的解离常数)得：Y=PO2n/(PO2n+K)取n=4，作YO2-PO2曲线，得一S型
6、曲线，所测曲线较实验测得曲线有较大偏差,血红蛋白与氧结合具有正协同效应 n=4，所得曲线较实验测得曲线有较大偏差；n=1时，得双曲线，与肌红蛋白氧合曲线相似，没有协同性；n=2.8时，所得曲线与实测曲线最为接近；n不再代表Hb可能结合的O2分子数，而可用来反映Hb结合O2的协同性程度，称作Hill系数，记作nH正常人血红蛋白nH2.8利用变换公式作图可求出nH,n=4,所得曲线较实验测得曲线有较大偏差,以 作图所得曲线称Hill曲线，Hill曲线基本为直线，其最大斜率即为nH=2.8,Hill曲线上下两端的斜率均为1，代表在PO2极低和极高时Hb对O2的结合没有协同性，中间区段协同性最大,血红
7、蛋白结合氧的协同性正是血红蛋白高效率运输氧的机制,当YO2=0.5时，氧分压记为P50，此时，K=(P50)n，人的血红蛋P50=26torr血红蛋白从肺部到肌肉毛细血管间的输氧能力：,肺部：Po2=100torr，Y=97%Hb在肺部可有效结合氧肌肉毛细血管：PO2=20torr，YO2=25%Hb在组织可迅速地释放氧，供细胞代谢.,氧合引起血红蛋白构象的改变 协同效应的机制血红素Fe()与O2结合引起的微小移动导致血红蛋白构象改变去氧血红蛋白与氧合血红蛋白代表两种不同的构象，分别为T态(紧张态)和R态(松弛态)；其中一个亚基与O2的结合，就可导致Hb由T态转变为R态；T态对O2的亲和力较R
8、态对O2的亲和力低，所以，一个亚基结合O2后可促进其他亚基与O2的结合。Hb与O2的结合具有高度协同性的原因,Hb由T态转变为R态过渡期间，血红素和F螺旋的运动,血红蛋白分子中两个二聚体成二重轴对称,Hb(T态),HbO2(R态),T态中各亚基C末端参与稳定T态的离子对被拆开，亚基12，21界面上的残基发生移动，T态迅速转变为R态,亚基内和亚基间的氢键和盐键促进T态的稳定,蛋白质在表达功能的过程中，其构象发生改变的现象成为变构作用（allosteric effect）或别构作用血红蛋白结合氧的协同效应即是变构作用的结果；变构作用是寡聚体蛋白质行使功能时的重要特征。,氧合作用显著改变Hb的四级结
9、构，血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转变，即从T态(tense state)R态(relaxed state）。易于与氧结合，使血红蛋白与氧的亲和力大大增加,3.6.4 H+、CO2和BPG促进HbO2释放O2,H+和CO2促进血红蛋白与氧的解离Hb对氧的亲和力随着pH的降低而减小，氧合曲线右移的现象Bohr效应；Bohr效应产生的机理：Bohr效应的生理意义：CO2易于与T态血红蛋白结合 CO2+H2O H+HCO3-,H+可稳定T态;CO2与Hb结合有利于T态的稳定；CO2与Hb结合也放出H+,稳定T态,H+和CO2促进HbO2在组织释放O2,pH对血红蛋白结合氧的影响,在组织，CO2
10、与Hb肽链N末端NH2结合成氨基甲酸血红蛋白，以此方式转运CO2，同时促进HbO2释放O2,血红蛋白与肌红蛋白联合作用，完成肺部到组织间的O2和CO2的转运,BPG抑制Hb对O2的结合,BPG与Hb结合可稳定T态构象，促进氧的释放，所以，对Hb与氧的结合产生异促别构调节(正协同还是负协同效应？),Or 2,3-Bisphosphoglycerate(BPG),一级结构是空间构象的基础,3.6.5 蛋白质的生物功能归根结底由其一级结构决定,牛核糖核酸酶的一级结构,保持一级结构完整，其高级结构和功能就可得到完全恢复,同源蛋白质：生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。如脊椎动物的氧运载蛋白，真核生物线
11、粒体中的电子传递蛋白等均为同源蛋白。系列同源性(sequence homology)：同源蛋白的氨基酸序列具有明显的相似性，即具有系列同源性。具有几乎相同的肽链长度；在许多对应位置具有相同的不变残基；氨基酸残基差异数与物种亲缘关系远近成正比蛋白质的一结构是其形成特定三级结构和行使特定功能的基础可以同源氨基酸差异数反应物种亲缘关系,同源蛋白具有序列同源性(sequence homology),Ancestral cytochrome c and Human cytochrome c,一级结构与功能的关系举例,N-val his leu thr pro glu glu His C(146),HbF
12、 肽链,HbA 肽链,N-val his leu thr pro glu glu Ser C(146),143,例1：人类血红蛋白一级结构,成人血红蛋白HbA,组成:22,胎儿血红蛋白HbF,组成:22,血红蛋HbA与血红蛋白HbF,结果：血红蛋白HbF对氧的亲和力较血红蛋白高,可从母体夺取氧,镰刀形红细胞贫血,一级结构的氨基酸系列中，一个氨基酸之差导致高级结构和功能的巨大改变，这从反面说明蛋白质一级结构决定着蛋白质的高级结构与功能,(a)脱氧血红蛋白s分子在纤维中的排列，只显示了一个血红蛋白s分子中的三个亚基；(b)一个血红蛋白s分子的2链中突变的Val6的侧链和位于相邻脱氧血红蛋白s分子的
13、1亚基上的疏水口袋结合。,镰刀型红细胞,正常红细胞,蛋白质的结构与功能的关系,肌红蛋白和血红蛋白是两个研究得最透彻的蛋白质，它们是蛋白质结构与功能的范例。肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质，它和血红蛋白的亚基在氨基酸序列上具有明显的同源性，它们的构象和功能也十分相似。,肌红蛋白,珠蛋白：含153个氨基酸残基，为1条肽链,辅基血红素：原卟啉与Fe的络合物称血红素。,卟啉化合物有很强的着色力，使生物组织呈现特定的颜色。卟啉环中心的铁原子有6个配位键，其中4个与四吡咯环的N原子相连，另2个沿垂直于卟啉环面的轴分布在环面的上下，这两个键合部位分别称为第5和第6配位。铁原子可以是亚铁（Fe2+）或高铁
14、(Fe3+)，相应的血红素称为亚铁血红素和高铁血红素，相应的肌红蛋白称为亚铁肌红蛋白和高铁肌红蛋白。类似的命名也用于血红蛋白。其中只有亚铁态的蛋白质才能结合O2。在肌红蛋白分子中，血红素共价地结合于肌红蛋白分子的疏水空穴中。其中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93位His残基的咪唑N配位结合；第6配位键处于开放状态，是O2的结合部位。当第6位被O2分子所占据时，即为氧合肌红蛋白；血红素中Fe2+能进行可逆氧合作用。血红素的铁原子如果处在水环境则容易被氧 化成Fe3+，失去氧合能力，此时H2O分子代替O2成为Fe3+的第6个配体。CO能与O2竞争第6配位键，且结合能力远大于O2。,血红蛋白（Hb）
15、的主要功能是在血液中结合并转运氧气，它存在于红细胞中。Hb的结构：脊椎动物的Hb由4个多肽链亚基组成，其中2个是一种亚基，2个是另一种亚基。如成人的血红蛋白主要是HbA，亚基组成为22，次要组分是HbA2，亚基组成为22；每个血红蛋白分子都有4个血红素，每个血红素分别位于每个多肽链中的裂隙处，并暴露在分子的表面。氧合过程中的构象变化：氧合作用显著改变Hb的四级结构，且氧合血红蛋白和去氧血红蛋白具有不同的构象。氧合曲线和别构效应：氧合曲线呈S形曲线（氧饱和度与氧分压之间），即血红蛋白的氧合具有正协同性同促效应，一个O2的结合增加同一Hb分子中其余空的氧合部位对O2的亲合力；Hb对O2亲和力的影响
16、因素：H+、CO2促进O2从血红蛋白中释放，O2也促进H+、CO2 在肺泡毛细血管中释放；BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低Hb对O2的亲和力，其只与去氧血红蛋白结合。血红蛋白分子病：导致一个蛋白质中氨基酸改变的基因突变能产生分子病，这是一种遗传病。了解最清楚的分子病是镰刀状细胞贫血病，该病人的不正常的血红蛋白称HbS，它只是在两条链的N端第6位上Glu被Val置换。这一改变使血红蛋白表面产生一个疏水小区，导致血红蛋白聚集成不溶性的纤维束，并引起红细胞镰刀状化和输氧能力降低。地中海贫血是由于缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因造成的。,蛋白质小结,基本要求：1.理解pro.是生命活动物质基础的含义，pro.的重要生理功能。2.了解蛋白质的系列分析及固相合成技术3.掌握蛋白质的分子结构。4.掌握蛋白质结构与功能关系，蛋白质的理化性质重点：蛋白质的一、二级结构、功能。难点：氨基酸的两性解离，电离平衡化学，蛋白质空间结构新进展：超二级结构、结构域,
