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1、1Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry3.6 蛋白质空间结构与功能的关系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与血红蛋白的结构l肌红蛋白（肌红蛋白（Mb）结构）结构扁平棱形分子，含扁平棱形分子，含153个氨基酸残基个氨基酸残基（M=16700）由一条多肽链和一个血红素辅基组成；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肌红蛋白含有长短不等的8个个-螺旋螺旋，8段螺旋大体折叠成两层形成单结构域段螺旋大体折叠成两层形成单结构域血红素辅
2、基位于血红素辅基位于E、F螺旋之间的疏水性口袋螺旋之间的疏水性口袋之中之中Fe2+以配位键形式结合氧分子以配位键形式结合氧分子5Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryl血红蛋白（血红蛋白（Hb）的结构）的结构n由由四个亚基组成四个亚基组成，即为即为22，具四级结构具四级结构；n各亚基均由一条肽链和一个血红素分子组成，各亚基均由一条肽链和一个血红素分子组成，其其三级结构与肌红蛋白相三级结构与肌红蛋白相似似；n亚基亚基之间以之间以盐键及疏水相互作用力结合，形成盐键及疏水相互作用力结
3、合，形成紧紧密而亲水的球状分子密而亲水的球状分子；n分子内部疏水分子内部疏水3.2 3.2 血红蛋白与氧的结合血红蛋白与氧的结合nHbHb分子中每一亚基可结合一分子分子中每一亚基可结合一分子O2,形成形成HbO2；n实验测定实验测定HbHb的氧分数饱和度的氧分数饱和度Y Y也与也与PO2有关，但其有关，但其氧合曲线呈氧合曲线呈S S形形HbHb结合结合O O2具有协同作用具有协同作用8Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry肌红蛋白肌红蛋白与与血红蛋白的氧合曲线血红蛋白的氧合曲线
4、l肌红蛋白的氧合曲线呈双曲线形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一个肌红蛋白分子结合一个氧分子:方式方式MbMb与与O2O2的结合程度可用氧分数饱和度的结合程度可用氧分数饱和度(Y)(Y)来表示来表示 Y=MbO2/(MbO2+Mb)Mb+O2 MbO2 K=(PO2 Mb)/MbO2 (K为氧合肌红蛋白的解离常数为氧合肌红蛋白的解离常数)Y=Po2/(Po2+K)Y-Po2曲线称肌红蛋白的氧合曲线，为一曲线称肌红蛋白的氧合曲线，为一双曲线双曲线10Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of Biochem
5、istryBiochemistryMb的的P50，即，即 Mb可在相当广泛的可在相当广泛的PO2范围内结合氧范围内结合氧 当当 PO2=100torr，Mb YO2=97%肌肉毛细血管：肌肉毛细血管：PO2=20torr，Mb YO2=88%肌细胞内：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。转移到肌肉。代谢旺盛的线粒体内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，供细胞代谢肌红蛋白可有迅速地释放氧，供细胞代谢.当当YO2时，时，K=PO2，此时氧分压记
6、为，此时氧分压记为P50，即即 K=P50Y=PO2/(PO2+K)11Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryHillHill系数：系数：利用变换公式作图可求出利用变换公式作图可求出K K 以以 作图得一作图得一直线直线，直线斜率称，直线斜率称HillHill系数，系数，记为记为n nH H，对肌红蛋白，对肌红蛋白 n nH H=1=1Y1-Y=PO2KY1-Ylg=lgPO2-lgK 或或Y1-Ylg=0时，PO2=P50=K，Y1-Ylg对对 lgPO213Multimed
7、ia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryl血红蛋白与氧的结合具有正协同效应血红蛋白与氧的结合具有正协同效应血红蛋白的血红蛋白的氧合曲线氧合曲线呈呈S S形形 同样同样Hb与与O2的结合程度用氧分数饱和度的结合程度用氧分数饱和度(Y)来表示来表示 Y=HbO2/(HbO2+Hb)假设：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为氧合血红蛋白的解离常数)得：得：Y=PO2n/(PO2n+K)取取n=4n=4，作，作Y YO2O2-P-PO2O2
8、曲线，得一曲线，得一S S型曲线型曲线，所测曲线较实验测得曲线有较大偏差所测曲线较实验测得曲线有较大偏差15Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry血红蛋白与氧结合具有正协同效应血红蛋白与氧结合具有正协同效应 n=4n=4，所得曲线较实验测得曲线有较大偏差所得曲线较实验测得曲线有较大偏差；n=1 n=1时，得双曲线，与肌红蛋白氧合曲线相似，没时，得双曲线，与肌红蛋白氧合曲线相似，没有协同性；有协同性；时，所得曲线与实测曲线最为接近；时，所得曲线与实测曲线最为接近；nn n不再代表
9、不再代表HbHb可能结合的可能结合的O O2 2分子数，而可用来反分子数，而可用来反映映HbHb结合结合O O2 2的协同性程度，称作的协同性程度，称作HillHill系数，记作系数，记作n nH Hn正常人血红蛋白正常人血红蛋白n nH Hn利用变换公式作图可求出利用变换公式作图可求出n nH HY1-Y=PO2n KY1-Ylg=n lgPO2-lgK 17Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry 以以 作图所得曲线称作图所得曲线称Hill曲线，曲线，Hill曲线基本为直线，
10、其最大斜曲线基本为直线，其最大斜率即为率即为nHY1-Ylg对对 lgPO2 Hill曲线上曲线上下两端的斜率均下两端的斜率均为为1，代表在，代表在PO2O2极低和极高时极低和极高时Hb对对O2 2的结合的结合没有协同性，中没有协同性，中间区段协同性最间区段协同性最大大Y1-Ylg在在0附近时附近时18Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry血红蛋白结合氧的协同性正是血红蛋白高效率运血红蛋白结合氧的协同性正是血红蛋白高效率运输氧的机制输氧的机制当当YO2时，氧分压记为时，氧分压记
11、为P50，此时，此时，K=(P50)n，人的人的血红蛋血红蛋P50=26torr血红蛋白从肺部到肌肉毛细血管间的输氧能力：血红蛋白从肺部到肌肉毛细血管间的输氧能力：肺部：肺部：Po2=100torr，Y=97%Hb在肺部可有效结合氧在肺部可有效结合氧肌肉毛细血管：肌肉毛细血管：PO2=20torr，YO2=25%Hb在组织可迅速地释放氧，供细胞代谢在组织可迅速地释放氧，供细胞代谢.19Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry 氧合引起血红蛋白构象的改变氧合引起血红蛋白构象的改变
12、协同效应的机制协同效应的机制n血红素血红素Fe()与与O2结合结合引起引起的微小移动的微小移动导致血红导致血红蛋白构象改变蛋白构象改变n去氧血红蛋白与氧合血红蛋白代表两种不同的构去氧血红蛋白与氧合血红蛋白代表两种不同的构象，分别为象，分别为T态态(紧张态紧张态)和和R态态(松弛态松弛态)；n其中一个其中一个亚基与亚基与O2的结合的结合，就可导致，就可导致Hb由由T态态转转变为变为R态；态；nT T态态对对O2的亲和力较的亲和力较R R态态对对O2的的亲和力低亲和力低，所以，所以，一个亚基结合一个亚基结合O2后可促进其他亚基与后可促进其他亚基与O2的结合。的结合。HbHb与与O O2 2的结合具
13、有高度协同性的原因的结合具有高度协同性的原因21Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryHb由由T态态转转变变为为R态态过过渡渡期期间间，血血红红素素和和F螺螺旋旋的的运运动动22Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry血红蛋白分子中两个二聚体成二重轴对称血红蛋白分子中两个二聚体成二重轴对称Hb(T态态)HbO2(R态态)T态中各亚基态中各亚基C末端参与稳定末端参与
14、稳定T态的离子对被拆开，态的离子对被拆开，亚基亚基12，21界面上的残基发生移动，界面上的残基发生移动，T态迅速态迅速转变为转变为R态态23Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry亚基内和亚基间的氢键和盐键促进亚基内和亚基间的氢键和盐键促进T T态的稳定态的稳定 25Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry3.6.4 H+、CO2和和BPG促进促进HbO2释放释放O
15、2lH+和和CO2促进血红蛋白与氧的解离促进血红蛋白与氧的解离HbHb对氧的亲和力随着对氧的亲和力随着pHpH的降低而减小，的降低而减小，氧合氧合曲线右移曲线右移的现象的现象BohrBohr效应效应；l BohrBohr效应效应产生的机理：产生的机理：l BohrBohr效应效应的生理意义：的生理意义：COCO2 2易于与易于与T T态血红蛋白结合态血红蛋白结合l COCO2 2+H+H2 2O HO H+HCO+HCO3 3-,H,H+可稳定可稳定T T态态;l CO CO2 2与与HbHb结合有利于结合有利于T T态的稳定；态的稳定；lCOCO2 2与与HbHb结合也放出结合也放出H H+
16、,稳定稳定T T态态H H+和和COCO2 2促进促进HbOHbO2 2在组织释放在组织释放O O2 2 26Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistrypH对血红蛋白结合氧的影响27Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry 在组织，在组织，CO2CO2与与HbHb肽链肽链N N末端末端NH2NH2结结合成氨基甲酸血红蛋白，以此方式转运合成氨基甲酸血红蛋白，以此方式转运
17、CO2CO2，同时促进，同时促进HbO2HbO2释放释放O2O229Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistrylBPG抑制抑制Hb对对O2的结合的结合wBPGBPG与与HbHb结合可稳定结合可稳定T T态构象态构象，促进氧的释放，所，促进氧的释放，所以，对以，对HbHb与氧的结合产生异促别构调节与氧的结合产生异促别构调节(正协同还正协同还是负协同效应？是负协同效应？)Or 2,3-Bisphosphoglycerate (BPG)31Multimedia Presentation
18、of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry32Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryl一级结构是空间构象的基础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牛核糖核酸酶的一级结构二二硫硫键键 保持一保持一级结构完级结构完整，其高整，其高级结构和级结构和功能就可功能就可得到完全得到完全恢复恢复33Multimedia Pre
19、sentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry同源蛋白质：生物体内行使相同或相似功能的蛋白同源蛋白质：生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。如质。如脊椎动物的氧运载蛋白脊椎动物的氧运载蛋白，真核生物线粒体中，真核生物线粒体中的的电子传递蛋白电子传递蛋白等均为同源蛋白。等均为同源蛋白。系列同源性系列同源性(sequence homology)：同源蛋白的氨基：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。酸序列具有明显的相似性，即具有系列同源性。n具有几乎相同的肽链长度；具有几乎相同的肽链长度；n在许多对应
20、位置具有相同的不变残基；在许多对应位置具有相同的不变残基；n氨基酸残基差异数与物种亲缘关系远近成正比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可以同源氨基酸差异数反应物种亲缘关系l同源蛋白具有序列同源性同源蛋白具有序列同源性(sequence homology)34Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry35Multimedia Prese
21、ntation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryAncestral cytochrome c and Human cytochrome c36Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistryl一级结构与功能的关系举例一级结构与功能的关系举例N-val his leu thr pro glu glu His C(146)HbF 肽链肽链HbA 肽链肽链N-val his leu thr pro glu glu Se
22、r C(146)143例例1 1：人类血红蛋白一级结构：人类血红蛋白一级结构成人血红蛋白成人血红蛋白HbA,组成组成:22胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白HbF,组成组成:2 2血红蛋血红蛋HbAHbA与血红蛋白与血红蛋白HbFHbF结果：血红蛋白结果：血红蛋白HbFHbF对氧的亲和力较血红蛋白高对氧的亲和力较血红蛋白高,可从母体夺取氧可从母体夺取氧37Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry镰刀形红细胞贫血镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(
23、146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146)一级结构的氨基酸系列中，一级结构的氨基酸系列中，一个氨基酸一个氨基酸之差导致之差导致高级高级结构和功能的巨大改变结构和功能的巨大改变，这从反面说明，这从反面说明蛋白质蛋白质一级结构决定着蛋白质的高级结构与功能一级结构决定着蛋白质的高级结构与功能39Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry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
24、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(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
25、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。40Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemi
26、stry血红蛋白（Hb）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：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
27、合增加同一Hb分子中其余空的氧合部位对O2的亲合力；Hb对对O2亲和力的影响因素：亲和力的影响因素：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：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
28、是由于缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因造成的。41Multimedia Presentation of Multimedia Presentation of BiochemistryBiochemistry蛋白质小结蛋白质小结基本要求：基本要求：1.1.理解理解pro.是生命活动物质基础的含义，是生命活动物质基础的含义，pro.的重要的重要生理功能。生理功能。2.2.了解了解蛋白质的系列分析及固相合成技术蛋白质的系列分析及固相合成技术3.3.掌握蛋白质的分子结构。掌握蛋白质的分子结构。4 4.掌握蛋白质结构与功能关系，蛋白质的理化性质掌握蛋白质结构与功能关系，蛋白质的理化性质重点：重点：蛋白质的一、二级结构、功能。蛋白质的一、二级结构、功能。难点：难点：氨基酸的两性解离，电离平衡化学，蛋白质氨基酸的两性解离，电离平衡化学，蛋白质空间结构空间结构新进展：新进展：超二级结构、结构域超二级结构、结构域