第6章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系

1、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系肌紅蛋白(myoglobin)的結(jié)構(gòu)與功能 五十年代，五十年代，John Kendrew用用X衍射對(duì)抹香鯨肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)研究獲衍射對(duì)抹香鯨肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)研究獲得成功，第一個(gè)獲得完整構(gòu)象的蛋白質(zhì)。得成功，第一個(gè)獲得完整構(gòu)象的蛋白質(zhì)。1962年年Kendrew和和Perutz由由于測(cè)定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)而獲于測(cè)定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)而獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。化學(xué)獎(jiǎng)。NNNNH3CH3CCH3CH3CH2CH2COOHCH2CH2COOHFeCH CH2CH2CH肌紅蛋白(myoglobin)是哺乳動(dòng)物細(xì)胞主要是肌細(xì)胞貯存和分配氧的蛋白質(zhì)，由一條15

2、3aa的多肽鏈和一個(gè)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段直的螺旋組成，命名為A、B、CH，80%的氨基酸都處于螺旋中。8個(gè)螺旋大體上組成2層， 螺旋的拐彎處由1-8個(gè)aa組成的無規(guī)卷曲，C末端也有一段5個(gè)aa的松散肽鏈；肌紅蛋白的4個(gè)Pro各自處于一個(gè)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(gè)能容納4個(gè)水分子大小的疏水空間。1. 肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)某些過渡金屬的低氧態(tài)（Fe2+，Cu+）具有很強(qiáng)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的有機(jī)分子固定原卟啉環(huán)由4個(gè)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(gè)

3、甲基、2個(gè)乙烯基、2個(gè)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：lFe2+有6個(gè)配位鍵，其中4個(gè)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lFe-O鍵不是垂直于吡咯環(huán)這是由于遠(yuǎn)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)組氨酸近側(cè)組氨酸遠(yuǎn)側(cè)組氨酸遠(yuǎn)側(cè)組氨酸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(qiáng)25000倍，由于

4、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?yàn)镕e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(jìng)爭(zhēng)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(hù)作用：固定血紅素；疏水環(huán)境保護(hù)血紅素免受氧化；為O2分子提供一個(gè)適合的結(jié)合部位。血紅蛋白(hemoglobin)的結(jié)構(gòu)與功能血紅蛋白(Hb)的三維結(jié)構(gòu)Hb為球狀寡聚蛋白，由22四個(gè)亞基(珠蛋白)和血紅素組成，每個(gè)亞基都有一個(gè)血紅素基和一個(gè)氧結(jié)合部位，分子量65000， 鏈141個(gè)殘基，鏈146個(gè)殘基。親水性側(cè)鏈基團(tuán)在分子表面，

5、疏水性基團(tuán)在分子內(nèi)部。與肌紅蛋白相比，血紅蛋白的鏈有一個(gè)縮短的H螺旋，并缺失一個(gè)D螺旋； 鏈也有一個(gè)縮短的H螺旋雖然肌紅蛋白、血紅蛋白的鏈、 鏈在141個(gè)aa殘基中只有27個(gè)位置是共有的，但是這3者的三級(jí)結(jié)構(gòu)非常相似。l成人紅細(xì)胞中主要為HbA1(22)，鏈141aa、鏈146aa，各帶一個(gè)血紅素與O2結(jié)合，所以一分子Hb能與4分子O2結(jié)合。l不同發(fā)育階段鏈相同,鏈不同，胎兒期為，胚胎期為血紅蛋白(Hb)的三維結(jié)構(gòu)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

6、專一的氫鍵和鹽橋起著穩(wěn)定作用。4個(gè)亞基的C末端處于束縛狀態(tài)，例如1鏈中C末端的HC3位His+與FG1位的Asp -形成離子鍵、而羧基則與2亞基中C5位Lys形成離子鍵。(Question:多少個(gè)鹽橋？多少鏈間鹽橋？)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(duì)形成的亞基中的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)。別構(gòu)效應(yīng)（1）別構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect） 通過蛋白質(zhì)與配基結(jié)合改變蛋白質(zhì)構(gòu)象，進(jìn)而改變其生物活性，

7、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)。 血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合l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(gè)O2的結(jié)合能夠增加同一個(gè)血紅蛋白分子中其余空余氧結(jié)合部位對(duì)O2的親和力。這里

8、O2即是正常的配體，也是正同促調(diào)節(jié)物。l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?cè)谘t蛋白分子上的結(jié)合部位離血紅素很遠(yuǎn)，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(yuǎn)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)。(1) H+和CO2促進(jìn)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(shí)，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

9、經(jīng)氧濃度高的肺部時(shí)，血紅蛋白與氧的結(jié)合促進(jìn)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。Bohr效應(yīng)2,3-二磷酸甘油酸（BPG）(2) BPG（2,3-二磷酸甘油酸） 降低Hb對(duì)O2的親和力血紅蛋白只有一個(gè)BPG結(jié)合部位。BPG為高負(fù)電荷分子，與每個(gè)鏈的Lys82、His143、His(NA2)、Val(NA1)的正電荷基團(tuán)因靜電引力相互作用與血紅蛋白上。BPG與兩個(gè)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(jìn)氧的釋放。例如，阻塞性肺氣腫病人的換氣受阻時(shí)，紅細(xì)胞中BPG代償性升高，促進(jìn)O2釋放，使組織獲得較多的氧。血紅蛋白分子病血紅蛋白的異常由基因突變引起，并通過遺傳

10、在群體間散布，是進(jìn)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(jìn)化而體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。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(xì)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(xì)胞貧血病l患者血紅細(xì)胞合成了一種不正常的血紅蛋白（Hb-S）；l使血紅蛋白細(xì)胞收縮成鐮刀形，輸氧能力下降，易發(fā)生溶血；Hb A 與 Hb S 的胰蛋白酶消化后的指紋圖譜氨基酸突變 基因點(diǎn)突變反映了蛋白質(zhì)的氨基酸序列在決定它的二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能方面的重大作用。兩個(gè)鐮刀狀細(xì)胞的血紅蛋白S粘連在一起血紅蛋白S導(dǎo)致的纖維沉淀纖維沉淀的形成壓迫細(xì)胞質(zhì)膜，導(dǎo)致細(xì)胞成鐮刀狀，失去象正常紅細(xì)胞一樣的平滑和彈性，因此不易通過毛細(xì)血管。氧壓低時(shí)，生成更多的去氧 Hb S，容易導(dǎo)致細(xì)胞破裂，限制血流，導(dǎo)致個(gè)體死亡?；诳乖?抗體相互作用的生化分析方法1. 概念：多克隆抗體：簡(jiǎn)稱多抗，是識(shí)別一個(gè)蛋白質(zhì)的不同部分的多種抗體的混合物。例如，向一個(gè)動(dòng)物注入一種蛋白質(zhì)后，B淋巴細(xì)胞群中每個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生結(jié)合抗原中特異的不同抗原決定簇的抗體。單克隆抗體：簡(jiǎn)稱單抗，是由生長(zhǎng)在細(xì)胞培養(yǎng)物中的同一B細(xì)胞的群體合成并分泌的，這些抗體是