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第四节 蛋白质结构与功能的关系

第四节 蛋白质结构与功能的关系. 蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。. 一、蛋白质一级结构与功能的关系. 1 、蛋白质一级结构的种属差异与同源性 实例：细胞色素Ｃ. 2 、 蛋白质一级结构的变异与分子病 实例：血红蛋白质异常病变  镰刀型贫血病. 1. 同源蛋白质 ( 不同生物中行使相同或相似功能的蛋白质） 一级结构的种属差异性

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第四节 蛋白质结构与功能的关系

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  1. 第四节 蛋白质结构与功能的关系 • 蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。

  2. 一、蛋白质一级结构与功能的关系 1、蛋白质一级结构的种属差异与同源性 实例：细胞色素Ｃ 2、蛋白质一级结构的变异与分子病 实例：血红蛋白质异常病变镰刀型贫血病

  3. 1.同源蛋白质(不同生物中行使相同或相似功能的蛋白质）一级结构的种属差异性 1.同源蛋白质(不同生物中行使相同或相似功能的蛋白质）一级结构的种属差异性 细胞色素C是真核细胞线粒体内膜上一种含Fe的蛋白质，在生物氧化中起传递电子的作用。通过数百种生物的细胞色素C一级结构的研究表明： （1）亲缘关系越近，AA顺序的同源性（相似性）越大。 不同生物与人的细胞色素C相比较AA差异数目 黑猩猩 0 鸡、火鸡 13 牛猪羊 10 海龟 15 狗驴 11 小麦 35 粗糙链孢霉43 酵母菌 44 （2）尽管不同不同生物间亲缘关系差别很大，但与细胞色素C功能密切相关的AA顺序却有共同之处，即保守顺序不变。

  4. 细胞色素c的一级结构与生物进化的关系

  5. 2.蛋白质一级结构的变异与分子病 （1）分子病—指蛋白质分子中由于AA排列顺序与正常蛋白质不同而发生的一种遗传病(基因突变造成的)。 • 镰刀状细胞贫血病：病人体内血红蛋白的含量乃至红细胞的量都较正常人少，且红细胞的形状为新月形，即镰刀状。此种细胞壁薄，而且脆性大，极易涨破而发生溶血；再者，发生镰变的细胞粘滞加大，易栓塞血管；由于流速较慢，输氧机能降低，使脏器官供血出现障碍，从而引起头昏、胸闷而导致死亡。 • 病因：血红蛋白AA顺序的细微变化 正常人HbA—N6Glu 病人 HbS—N6Val

  6. HbA H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOH HbS H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-COOH 形成分子表面的疏水小区 正常红细胞 镰刀形红细胞

  7. 镰刀状细胞血红蛋白的构象变化 • 研究表明，HbS和HbA在氧合状态下没有多大区别。但在脱氧情况下， HbS的溶解度剧烈下降（1/25 HbA ）。

  8. 二、蛋白质的高级结构与功能 • （一）肌红蛋白的结构与功能 • （二）血红蛋白的结构与功能

  9. （一） 、肌红蛋白的结构与功能 （1）肌红蛋白的功能：哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧的蛋白。 （2）肌红蛋白的结构特点：1963年，Kendrew a .一条多肽链，153个氨基酸残基，一个血红素辅基，分子量17600。 b.肌红蛋白的整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共折叠成8段-螺旋体（A-H），最长的有23个氨基酸残基，最短的有7个氨基酸残基。拐弯处多由Pro、Ser、Ile、Thr等组成。 c.具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，而带非极性侧链的氨基酸残基多分布于分子内部，使肌红蛋白成为可溶性蛋白。

  10. 肌红蛋白的结构

  11. 血红素（铁卟啉 ）辅基的结构及其氧合部位

  12. 肌红蛋白的氧合曲线 (Y代表在给定的氧压下 肌红蛋白的氧饱和度) • Y= [Mbo2] （1） [Mbo2]+[Mb] Y PO2 1.0 Y= （2） K+PO2 0.5 由（1）可见：Y=1时，表明所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即 肌红蛋白为氧饱和。 由（2）可见： Y=0.5时，肌红蛋白的一半被饱和，PO2=K解离常数为肌红蛋白一半被饱和时的氧压。 Po2 10 20 30 40 50

  13. （二） 、血红蛋白的结构与功能 （1）血红蛋白的功能：存在动物血液的红细胞中，具有运输O2和CO2的功能；血红蛋白还能和H+结合，从而可以维持体内pH. （2）血红蛋白的结构特点： a.是四个亚基的寡聚蛋白，574个AA残基，分子量65000 b.成人的血红蛋白为22 c. 链由141AA残基组成，  链由146AA残基组成。 四种肽链的三级结构与肌红蛋白相似，各自内部有一个血红素辅基。

  14. 血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。

  15. 氧合引起血红蛋白的构象变化 • 别构蛋白：蛋白质分子中不止有一个配基的结合部位（活性部位），还有别的配基的结合部位（别构部位）。别构蛋白都有别构效应。 • 别构效应：蛋白质与配基结合后改变蛋白质的构象，进而改变蛋白质的生物活性的现象。 • 别构蛋白一般都是寡聚蛋白质。

  16. 同促效应： 不同亚基之间发生作用的部位是相同的， 如都是活性部位，则产生同促效应. 同促效应 负协同效应 正协同效应 类似双曲线 S形曲线 （血红蛋白）

  17. 非氧合蛋白中四个亚基间的相互作用 Asp His 2 1 2 1 COO- NH3+ 94 146 Arg Asp Lys NH3+ COO- 40 126 141 Asp Arg Lys NH3+ COO- 126 40 141 His Asp 94 BPG： 2，3-二磷酸甘油酸

  18. 与氧结合时血红蛋白的变构过程 • 1.血红素中铁原子的变化 高自旋状态 低自旋 （非氧合，原子半径较大）（氧合，原子半径较小）

  19. 2.亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化 铁原子的位移 F8His的位移 使F螺旋、EF拐角及FG拐角发生位移 F 螺旋向H螺旋移动 氢键断裂 导致四级结构的盐桥破坏 挤出BPG分子。 • 脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白构象的转变 T R 紧张态松弛态 构象紧密 构象松弛 氧亲和力低 氧亲和力高

  20. 血红蛋白的变构

  21. 血红蛋白的氧合曲线 血红蛋白的氧饱和度（Y）定义为： 血红蛋白中被占的氧合部位 Y= 血红蛋白中氧合部位总数 1.0 [O2]n 氧 饱和度（Y） （Hill经验 公式） 0.5 Y= K+[02]n Pno2 Y= 20 40 60 80 100 Po2(torr) K+Pno2

  22. 血红蛋白S形氧合曲线的生理意义 • S形氧合曲线反应了血红蛋白对 于O2的结合与解离，存在协同作用。使血红蛋白更有效地担负输送氧的任务。 1.0 氧 饱和度（Y） 肺泡中Po2=100 0.5 肌肉中Po2=26 20 40 60 80 100 Po2(torr)

  23. Hb Myoglobin O2 Hemoglobin O2 0 20 40 60 80 100 活动肌肉毛细血管中的PO2 肺泡中的PO2 Hb- O2 血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线 血红蛋白输氧功能和构象变化

  24. H+、CO2和BPG 对血红蛋白结合氧的影响 氧亲和力：指血红蛋白对于氧的结合牢固程度。（在一定氧分压下，氧亲和力越高，即氧结合越牢固。相反，氧亲和力越低，组织就能得到更多的氧供应） H+、CO2的影响：1914年，C.Bohr发现，高浓度的H+和CO2促使氧合血红蛋白分子释放O2，而高浓度的O2促使脱氧血红蛋白分子释放H+和CO2。——血红蛋白对O2、 H+和CO2结合的这种相互关系叫波耳效应。 波耳效应的生理意义 H+ CO2 + O2 肌肉pH7.2 Hb HbO2 +H+ +CO2 肺泡pH7.6

  25. BPG的影响：BPG和O2对血红蛋白的结合是排斥的 BPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：BPG是红细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液流经O2分压较低的组织时，红细胞中的BPG可促进氧合血红蛋白释放氧，以满足组织对O2需要。BPG浓度越大， O2的释放量越多。红细胞中BPG浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要因素。实例：在高山上；肺气肿病人；储藏血液。 Y 1.0 0.5 有BPG Po2

  26. 煤气中毒的机制 • 一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。

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