第6章 蛋白质结构与功能的关系一、肌红蛋白的结构与功能一、肌红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能三、血红蛋白分子病三、血红蛋白分子病四、四、免疫系统和免疫系统和免疫球蛋白免疫球蛋白五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩六、蛋白质的结构与功能进化六、蛋白质的结构与功能进化(The relation between structure and function of proteins)一、肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白 肌肌红红蛋蛋白白（myoglobin，Mb）主主要要存存在在于于肌肌肉肉中中，是是哺哺乳乳动动物物细细胞胞主主要要是是肌肌细细胞胞贮贮存存和和分分配配氧氧的的蛋蛋白白质质。肌肌红红蛋蛋白白由由一一条条多多肽肽链链和和一一个个辅辅基基血血红红素素（heme）构构成成，相相对对分分子子量量16700，含含153个个氨氨基基酸酸残残基基。除除去去血血红红素素后后仅仅剩剩下下的的肽肽链链部部分分称称为为珠珠蛋蛋白白（globin），它它和和血血红红蛋蛋白白的的、亚亚基基有有明明显显的的同同源源性性，它它们们的的构构象象和和功功能能也也极极为为相相似似。血血红红素素非非共共价价地地结结合合在在珠珠蛋蛋白的疏水空穴中。白的疏水空穴中。 肌红蛋白的结构myoglobin辅基血红素 血血红红素素由由原原卟卟啉啉（protoporphyrin ）中中间间结结合合一一个个Fe原原子子构构成成，原原卟卟啉啉是是由由4个个吡吡咯咯环环通通过过甲甲叉叉桥桥连连接接而而成成的的扁扁平平环环状状化化合合物物。卟卟啉啉环环中中央央结结合合Fe原原子子，Fe原原子子通通常常是是八八面面体体配配位位，应应该该有有6个个配配位位键键，其其中中4个个配配位位键键与与4个个吡吡咯咯环环的的N原原子子相相连连，另另两两个个配配位位键键分分布布在在卟卟啉啉环环的的上上下下。Fe原原子子可可以以是是二二价价的的或或三三价价的的，相相应应的的血血红红素素称称为为亚亚铁铁血血红红素素（ferroheme，heme）和和高高铁铁血血红红素素（ferriheme，hematin），相相应应的的肌肌红红蛋蛋白白称称为为亚亚铁铁肌肌红红蛋蛋白白（ferromyoglobin）和和高高铁铁肌红蛋白（肌红蛋白（ferrimyoglobin，metmyoglobin）。）。 肌红蛋白的辅基血红素hemeprotoporphyrin O2与肌红蛋白的结合 血血红红素素中中的的铁铁的的第第5个个配配位位键键与与珠珠蛋蛋白白的的第第93（或或F8）位位His残残基基的的咪咪唑唑基基N结结合合，这这个个His称称为为近近侧侧His，而而O2与与Fe的的第第6个个配配位位键键结结合合。在在肌肌红红蛋蛋白白没没有有结结合合O2时时，这这个个部部位位是是空空的的。高高铁铁肌肌红红蛋蛋白白不不能能与与O2结结合合，H2O分分子子代代替替O2成成为为第第6个个配体。配体。 在在血血红红素素结结合合O2的的一一侧侧，还还有有一一个个His残残基基，即即第第64（或或E7）位位His残残基基，称称为为远远侧侧His。由由于于这这个个远远侧侧His的的存存在在，使使得得O2的的结结合合受受到到空空间间位位阻阻。在在氧氧合合肌肌红红蛋蛋白白中中， O2的的两两个个原原子子与与Fe不不成成一一条条直线，而是倾斜了直线，而是倾斜了30。氧合肌红蛋白中血红素铁离子的6个配体近侧近侧His远侧远侧HisCO的毒性作用 第第6个个配配位位位位置置的的空空间间位位阻阻很很重重要要。游游离离在在溶溶液液中中的的铁铁卟卟啉啉结结合合CO的的能能力力比比结结合合O2强强25000倍倍，但但在在肌肌红红蛋蛋白白中中，血血红红素素对对CO的的亲亲和和力力仅仅比比对对O2的的亲亲和和力力大大250倍倍。肌肌红红蛋蛋白白（还还有有血血红红蛋蛋白白）降降低低对对CO的的亲亲和和力力，可可以以有有效效地地防防止止代代谢谢过过程程中中产产生生的的少少量量CO占占据据它它们们的的O2结结合合部部位位。尽尽管管如如此此，当当空空气气中中CO的的含含量量达达到到0.06%0.08%即即有有中中毒毒的危险，达到的危险，达到0.1%则会导致死亡。则会导致死亡。 O2 2和CO与肌红蛋白血红素Fe（）的结合Free hemewith imidazoleMb:CO Complex Oxymyoglobin肌红蛋白的蛋白质部分的作用 通通常常情情况况下下，O2分分子子与与Fe（）紧紧密密接接触触会会使使Fe（）氧氧化化成成Fe（），溶溶液液中中游游离离的的亚亚铁铁血血红红素素很很容容易易被被氧氧化化成成高高铁铁血血红红素素，但但在在肌肌红红蛋蛋白白中中，由由于于血血红红素素处处于于疏疏水水环环境境中中，血血红素红素Fe（）不容易被氧化。不容易被氧化。 同同样样是是血血红红素素，与与不不同同的的蛋蛋白白质质结结合合后后，具具有有不不同同的的功功能能，如如在在细细胞胞色色素素C中中，血血红红素素起起可可逆逆电电子子载载体体的的作作用用，过过氧氧化化氢氢酶酶中中，血血红红素素催化催化H2O2歧化成歧化成H2O和和O2 。肌红蛋白血红素Fe原子的位移 肌肌红红蛋蛋白白血血红红素素在在没没有有与与O2结结合合时时，铁铁原原子子是是向向第第 5 配配位位体体方方向向（His F8）突突出出的的。当当与与O2结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。结合时，铁原子被拉回到卟啉平面。 肌红蛋白血红素Fe原子的位移肌红蛋白结合氧的定量分析肌红蛋白与肌红蛋白与O2结合的反应式为结合的反应式为其解离常数为其解离常数为K , 令令Y 为肌红蛋白的氧饱和分数，即为肌红蛋白的氧饱和分数，即将将改写为改写为肌红蛋白结合氧的定量分析将将代入代入得得 ， 根据根据henry定律，溶于液体的任一种气体的浓度定律，溶于液体的任一种气体的浓度与液体上面的该气体的分压成正比，即与液体上面的该气体的分压成正比，即 O2= = A p (O2) 式中式中A 为比例系数，为比例系数，p (O2)为氧气的分压。为氧气的分压。 肌红蛋白结合氧的定量分析将将代入代入得得肌红蛋白的氧结合曲线 实实验验中中 p (O2) 可可以以测测得得，氧氧分分压压常常用用Torr为为单单位位。Y 值值可可用用分分光光光光度度法法测测定定，因因为为肌肌红红蛋蛋白白结结合合了了O2 时时会会引引起起吸吸收收光光谱谱的的改改变变。Y 对对 p (O2) 作作图所得的曲线称为氧结合曲线。图所得的曲线称为氧结合曲线。 1 Torr = 133 Pa = 1 mmHg 肌红蛋白的氧结合曲线双曲线方程双曲线方程Hill作图 为为氧氧结结合合肌肌红红蛋蛋白白的的分分数数与与没没有有结结合合氧的肌红蛋白的分数之比。氧的肌红蛋白的分数之比。 两边取对数得两边取对数得 Hill作图 以以 对对 作作图图称称为为Hill作作图图，肌肌红红蛋蛋白白的的Hill图图是是一一条条直直线线。当当 时时（50%的的肌肌红红蛋蛋白白结结合合了了氧氧）， ，这这时时 ，这这一一点点的的斜斜率率称称为为Hill系系数数，肌肌红红蛋蛋白白的的Hill系系数数等等于于1，说明，说明O2分子彼此独立地与肌红蛋白结合分子彼此独立地与肌红蛋白结合。 氧与肌红蛋白结合的Hill图肌红蛋白的贮氧和输氧作用 线线粒粒体体中中氧氧浓浓度度为为010 torr，静静脉脉血血氧氧浓浓度度为为15 torr或或更更高高些些。肌肌红红蛋蛋白白的的P 50为为2 torr，所所以以在在大大多多数数情情况况下下，肌肌红红蛋蛋白白是是高高度度氧氧合合的的，是是氧氧的的贮贮存存库库。如如果果由由于于肌肌肉肉收收缩缩使使线线粒粒体体中中氧氧含含量量下下降降，它就可以立即供应氧。它就可以立即供应氧。肌红蛋白的贮氧和输氧作用 肌肌红红蛋蛋白白也也有有利利于于细细胞胞内内氧氧从从细细胞胞的的内内表表面面向向线线粒粒体体转转运运，因因为为这这种种运运转转是是顺顺浓浓度度梯梯度度的的，细细胞胞内内表表面面的的氧氧浓浓度度约约为为10 torr（肌肌红红蛋蛋白白的的氧氧饱饱和和度度约约为为80%），而而线线粒粒体体内内的的氧氧浓浓度度约约为为1 torr（肌肌红红蛋蛋白白的的氧氧饱饱和和度度约约为为25%），肌肌红红蛋蛋白白可可以以从从细细胞胞内表面结合氧，而运到线粒体内表面结合氧，而运到线粒体中释放氧。中释放氧。 二、血红蛋白的结构与功能血红蛋白 血血红红蛋蛋白白（hemoglobin，Hb）存存在在于于红红细细胞胞中中，它它的的主主要要功功能能是是在在血血液液中中结结合合并并转转运运氧氧气气，它它在在肺肺中中与与氧氧气气结结合合，运运输输到到全全身身各处组织中，再释放出氧气。各处组织中，再释放出氧气。 人体内有正常功能的血红蛋白 发育阶段血红蛋白名称链或样链链或样链亚基组成胚胎胚胎2 22 2胎儿胎儿HbF2 22 2出生到死亡出生到死亡HbA2 22 2出生到死亡出生到死亡HbA22 22 2血红蛋白的氨基酸组成 链链或或样样链链由由141个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，链链或或样样链链由由146个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，而而肌肌红红蛋蛋白白的的肽肽链链由由153个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，它它们们都都叫叫珠珠蛋蛋白白。同同一一类类型型不不同同希希腊腊字字母母代代表表的的链链有有个个别别氨基酸残基不同。氨基酸残基不同。 血红蛋白的三维结构11221122Hb的链、链和Mb链构象的相似性 血血红红蛋蛋白白链链、链链及及肌肌红红蛋蛋白白链链的的三三级级结结构构非非常常相相似似，但但这这三三种种肽肽链链的的氨氨基基酸酸序序列列有有很很大大不不同同，141个个氨氨基基酸酸残残基基位位置置中中只只有有27个个位位置置的的残残基在这三种肽链中是相同的。基在这三种肽链中是相同的。 Mb Hb Hb不同物种血红蛋白氨基酸序列的比较 比比较较了了多多种种（从从七七腮腮鳗鳗到到人人）不不同同的的血血红红蛋蛋白白的的氨氨基基酸酸序序列列，证证明明序序列列中中有有9个个位位置置的的残残基基是是所所有有研研究究过过的的血血红红蛋蛋白白所所共共有有的的，这这些些称称为为高高度保守的残基。度保守的残基。 血血红红蛋蛋白白内内部部的的非非极极性性残残基基可可以以换换成成另另一一种种非极性残基而功能不变。非极性残基而功能不变。 血红蛋白氧合时亚基的移动 血血红红蛋蛋白白分分子子中中，亚亚基基的的接接触触有有两两类类，一一类类是是1 11 1接接触触和和2 22 2接接触触，这这类类接接触触称称为为装装配配接接触触；另另一一类类是是1 12 2接接触触和和2 21 1接接触触，这这类类接接触触称称为为滑滑动动接接触触。氧氧合合时时，每每个个二二聚聚体体半半分分子子作作为为一一个个刚刚体体移移动动，这这两两个个二二聚聚体体彼彼此此滑滑动动。我我们们将将其其中中一一个个二二聚聚体体看看作作不不动动，另另一一个个二二聚聚体体将将绕绕一一个设想的偏心轴个设想的偏心轴旋转旋转15，并平移，并平移0.08nm。 血红蛋白氧合时亚基的移动 去氧血红蛋白去氧血红蛋白 1111的移动过程的移动过程 氧合血红蛋白氧合血红蛋白血红蛋白氧合时铁原子的移动 在在去去氧氧血血红红蛋蛋白白中中，铁铁原原子子向向近近侧侧His方方向向凸凸起起约约0.06nm。氧氧合合时时，铁铁原原子子的的体体积积缩缩小小，向向卟卟啉啉环环平平面面靠靠近近约约0.039nm，并并牵牵拉拉近近侧侧His往往血血红红素素平平面面移移动动，这这些些移移动动，传传递递到到亚亚基基的的界界面面，使使得亚基间的相互得亚基间的相互位置发生变化。位置发生变化。 血红蛋白氧合时铁原子的移动 血红蛋白的两种构象态 血血红红蛋蛋白白有有两两种种主主要要构构象象态态，一一种种是是T态态即即紧紧张张态态（tense state），另另一一种种是是R态态即即松松弛弛态态（relaxed state）。O2对对R态态的的亲亲和和力力明明显显地地高高于于对对T态态的的亲亲和和力力，并并且且O2的的结结合合更更稳稳定定了了R态态。缺缺氧氧时时T态态更更加加稳稳定定，因因此此T态态是是去去氧氧血血红红蛋蛋白白的的主主要要构构象象，R态态是是氧氧合合血血红红蛋蛋白白的的主主要要构构象象。T态态血血红红蛋蛋白白结结合合O2后后转转变变成成R态态，并使得分子内一些盐桥断裂。，并使得分子内一些盐桥断裂。 去氧血红蛋白中各亚基间的盐桥血红蛋白的别构效应 血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋白血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧合具相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧合具有正协同同促效应，即一个有正协同同促效应，即一个O2的结合促进同一分的结合促进同一分子其它亚基与子其它亚基与O2的结合。具有这种性质的蛋白质的结合。具有这种性质的蛋白质称为别构蛋白（其它蛋白质也有负协同效应的）。称为别构蛋白（其它蛋白质也有负协同效应的）。 血红蛋白的协同性氧结合 假假设设O2与与Hb的的结结合合是是一一种种“全全或或无无”的的方方式式，其结合反应式为其结合反应式为则解离常数则解离常数K 为为 按按照照前前面面肌肌红红蛋蛋白白结结合合O2的的定定量量分分析析的的推推导导方法，方法，Hb的氧饱和分数的氧饱和分数Y 的表达式为的表达式为血红蛋白与肌红蛋白氧合曲线的比较血红蛋白的实际氧合曲线推导氧合曲线推导氧合曲线实际氧合曲线实际氧合曲线图中的图中的n为为Hill系数系数血红蛋白推导氧合曲线误差的原因 血血红红蛋蛋白白结结合合O2并并不不是是“全全或或无无”的的，各各个个亚亚基基结结合合O2是是依依次次进进行行的的，并并且且前前面面亚亚基基结结合合了了O2对对后后面面亚亚基基与与O2的的结结合合有有促促进进作作用用。实实际际测测定定的的n=2.8，若若n=1，则则无无协协同同作作用用，若若n 1则则有有正正协协同同作作用用。对对于于血血红红蛋蛋白白来来说说，当当 n=4 时时正正协协同同作作用用最最大大，即即当当1个个O2与与1个个亚亚基基结结合合后后，另另外外3个个亚亚基基也也同同时时与与O2结结合合。实实际际情情况况是是n=2.8。这这样样，Hb对对第第4个个O2的的亲和力约为与第亲和力约为与第1个个O2亲和力的亲和力的300倍。倍。 血红蛋白运输氧的效率 在在肺肺泡泡中中，氧氧分分压压为为100 torr，工工作作肌肌肉肉的的毛毛细细血血管管中中约约为为20 torr，血血红红蛋蛋白白在在肺肺泡泡中中Y是是0.97，在在肌肌肉肉毛毛细细血血管管中中Y是是0.25，释释放放的的O2是是两两个个Y值值之之差差，即即Y=0.72。这这个个差差值值越越大大，运运输输O2的的效效率就越高。肌红蛋白不能担当此项工作。率就越高。肌红蛋白不能担当此项工作。 血红蛋白别构的异种效应 血血红红蛋蛋白白与与O2的的结结合合受受其其它它分分子子的的调调节节，如如 H+、 CO2和和 2,3-二二 磷磷 酸酸 甘甘 油油 酸酸 （ 2,3-bisphosphate glycerate，BPG）等等。虽虽然然它它们们在在蛋蛋白白质质分分子子上上的的结结合合部部位位离离血血红红素素很很远远，但但这这些些分分子子极极大大地地影影响响Hb的的氧氧合合性性质质，这这是是别别构构效应中的异种效应。效应中的异种效应。 2,3-二磷酸甘油酸2,3-bisphosphate glycerate，BPGBohr效应 组组织织中中代代谢谢作作用用产产生生H+和和CO2，代代谢谢越越旺旺盛盛的的组组织织，需需要要的的O2越越多多，产产生生的的H+和和CO2也也越多。越多。CO2在体内被水合成碳酸。在体内被水合成碳酸。 CO2水水合合的的结结果果，使使组组织织中中pH下下降降，即即H+上上升升。 O2与与血血红红蛋蛋白白的的结结合合受受pH和和CO2浓浓度度的的影影响响。去去氧氧血血红红蛋蛋白白对对H+的的亲亲和和力力比比氧氧合合血血红红蛋蛋白白大大。因因此此，增增加加H+浓浓度度将将促促进进O2的的释释放。放。 HbO2 H+ HbH+O2Bohr效应 氧氧合合血血红红蛋蛋白白在在组组织织中中释释放放的的O2量量除除了了受受到到组组织织中中低低O2浓浓度度的的作作用用外外，还还受受组组织织中中低低pH的的影影响响。后后者者叫叫做做Bohr效效应应，因因1904年年发发现现此此现现象象的丹麦生理学家的丹麦生理学家C. Bohr而得名。而得名。 产产生生Bohr效效应应的的原原因因是是血血红红蛋蛋白白中中一一些些pK值值处处于于7附附近近的的可可解解离离基基团团的的作作用用，主主要要是是His，它它们们解解离离与与否否会会影影响响到到血血红红蛋蛋白白的的构构象象，从从而而影影响血红蛋白对响血红蛋白对O2的亲和力。的亲和力。Mb和在不同pH下Hb的氧合曲线CO2与Hb的结合 血红蛋白还能结合血红蛋白还能结合CO2 ，结合部位是结合部位是4个亚个亚基基N末端的末端的NH2，这些氨基在这些氨基在T态时都处于态时都处于盐桥中，但盐桥中，但R态时都以游离状态存在。态时都以游离状态存在。CO2的结的结合也能促进合也能促进O2的释放。的释放。 BPG与Hb的结合 2,3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸（BPG）是是血血红红蛋蛋白白一一个个重重要要的的别别构构效效应应剂剂（别别构构抑抑制制剂剂）。正正常常人人红红细细胞胞中中约约含含有有4.5mmol/L的的BPG，约约与与血血红红蛋蛋白白等等摩摩尔尔数数。每每个个Hb分分子子（四四聚聚体体）只只有有一一个个BPG结结合合位位点点，位位于于由由4个个亚亚基基缔缔合合形形成成的的中中央央孔孔穴穴内内。高高负负电电荷荷的的BPG分分子子与与每每个个链链的的若若干干个个残残基基的的带带正正电电荷荷基基团团通通过过静静电电结结合合于于Hb分分子子上上，BPG把把两两个个链链交交联联在在一一起起。O2的的结结合合使使中中央央孔孔穴穴变变小小，使使BPG结结合合变变得得困困难难。在在没没有有BPG存存在在时时，O2的的结结合合容容易易，而而在在有有BPG存在时，存在时，O2的结合变得困难。的结合变得困难。 BPG分子结构及其与Hb两个链的离子结合BPG对Hb氧合曲线的影响 BPG对对R态态Hb的的亲亲和和力力至至少少比比对对T态态Hb低低一一个个数数量量级级，BPG对对R态态Hb的的亲亲和和力力大大小小顺顺序序为为：HbO2 Hb(O2)2 Hb(O2)3 ，而对而对Hb(O2)4则完全不结合。则完全不结合。 BPG浓浓度度越越大大，Hb的的氧氧合合曲曲线线就就越越往往右右偏偏移移，说说明明BPG抑抑制制O2的的结结合合，并并增增加加了了正正协协同同效效应应。BPG的的存存在在可可以以增增加加Hb在在组组织织中中的的卸卸氧氧量量。正正常常情情况况下下供供给给组组织织的的氧氧量量约约为为血血液液所所能能携携带带的的最最大大氧氧量量的的40%（即（即Y = 40%）。）。BPG对Hb氧合曲线的影响BPG的生理作用 人人的的某某些些生生理理性性或或病病理理性性缺缺氧氧可可以以通通过过红红细细胞胞中中BPG浓浓度度的的升升高高而而代代偿偿。当当正正常常人人在在短短时时间间内内由由海海平平面面上上升升到到4500m高高的的高高山山上上时时，红红细细胞胞中中的的BPG浓浓度度几几个个小小时时后后就就开开始始上上升升，两两天天内内可可由由4.5mmol/L增增加加到到7.5mmol/L，使使氧氧的的释释放放量量增增大大。值值得得注注意意的的是是，BPG浓浓度度增增加加对对肺肺中中Hb与与O2的的结结合影响不大。合影响不大。三、血红蛋白分子病镰刀状细胞贫血病 镰镰刀刀状状细细胞胞贫贫血血病病（sickle-cell anemia）是是最最早早被被认认识识的的一一种种分分子子病病。这这种种病病在在非非洲洲某某些些地地区区十十分分流流行行（高高达达40%），它它是是由由于于遗遗传传基基因因的的突突变变导导致致血血红红蛋蛋白白分分子子中中氨氨基基酸酸残残基基被被改改变变造造成成的的。镰镰刀刀状状细细胞胞贫贫血血病病人人血血红红蛋蛋白白含含量量仅仅为为正正常常人人（1516g/100ml）的的一一半半，红红细细胞胞数数目目也也是是正正常常人人（4.66.2106个个/ml）的的一一半半左左右右，而而且且红红细细胞胞的的形形态态也也不不正正常常，除除了了有有非非常常大大量量的的未未成成熟熟红红细细胞胞外外，还还有有很很多多成成镰镰刀刀状状的的红红细细胞胞。当当红红细细胞胞脱脱氧氧时时，镰镰刀刀状状红红细细胞胞的的数数量量明明显增加。这种病人的血红蛋白称为显增加。这种病人的血红蛋白称为HbS。 正常红细胞与镰刀状红细胞贫血病人的红细胞比较镰刀状细胞贫血病 镰镰刀刀状状细细胞胞贫贫血血病病是是一一种种致致死死性性疾疾病病，它它的的纯纯合合子子患患者者有有的的在在童童年年就就死死亡亡。杂杂合合子子患患者者的的寿寿命命也也不不长长，但但它它能能抵抵抗抗一一种种流流行行于于非非洲洲的的疟疟疾疾。这这种种疟疟疾疾也也是是一一种种致致死死性性疾疾病病，甚甚至至具具有有正正常常血血红红蛋蛋白白的的人人死死于于这这种种疟疟疾疾的的比比例例也也很很高高，常常常常在在还还没没有有繁繁殖殖后后代代就就已已死死去去。Hbs杂杂合合子子患患者者对对这这种种疟疟疾疾有有一一定定的的抵抵抗抗能能力力，尚尚能能繁繁殖殖后后代代，这这是是因因为为杂杂合合子子患患者者加加速速被被感感染染红红细细胞胞的的破破坏坏而而中中断断疟疟原原虫虫的的生生活活周周期期的缘故。的缘故。HbA和HbS的胰蛋白酶消化液的指纹图谱（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳）（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳）HbAHbSHbA和HbS氨基酸序列的比较HbA H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys C端端HbS H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val -Glu-Lys C端端 （链）链） 1 2 3 4 5 6 7 8（示差异处）（示差异处）HbS聚集成纤维状沉淀 6残残基基位位于于分分子子表表面面，当当Val取取代代了了Glu后后，在在分分子子的的表表面面多多了了一一个个疏疏水水基基团团。血血红红蛋蛋白白的的氧氧合合性性质质和和别别构构性性质质不不受受此此变变化化的的影影响响，但但这这一一变变化化显显著著影影响响了了血血红红蛋蛋白白的的溶溶解解度度。在在去去氧氧血血红红蛋蛋白白分分子子表表面面的的另另一一处处有有一一个个疏疏水水性性口口袋袋，正正好好能能与与这这个个Val侧侧链链结结合合，它它们们可可以以互互相相聚聚集集成成纤纤维维状状沉沉淀淀。氧氧合合血血红红蛋蛋白白表表面面没没有有这这个个疏疏水水性性口口袋袋，所所以以只只有有在在缺缺氧氧时，红细胞才会成为镰刀状。时，红细胞才会成为镰刀状。 HbS聚集成纤维状 两股两股HbS链连锁在一起链连锁在一起 14 14股链纤维股链纤维地中海贫血 地地中中海海贫贫血血可可以以由由几几条条途途径径产产生生：缺缺失失一一个个或或多多个个编编码码血血红红蛋蛋白白链链的的基基因因；所所有有基基因因都都存存在在，但但 一一 个个 或或 多多 个个 基基 因因 发发 生生 无无 义义 突突 变变 （ nonsense mutation），结结果果产产生生缩缩短短了了的的肽肽链链，或或发发生生移移码码突突变变，产产生生无无功功能能的的肽肽链链。所所有有基基因因都都可可能能存存在在，但但突突变变发发生生在在编编码码区区之之外外，导导致致不不能能转转录录，或或转转录录后的加工不正确。后的加工不正确。 广广东东省省是是我我国国地地中中海海贫贫血血症症发发病病率率最最高高的的地地区区，约约有有11.07%11.07%的的人人（800800万万人人）携携带带地地中中海海贫贫血血症症的的基基因因（20052005年年5 5月月1111日日中中央央电电视视台台报道）。报道）。 四、免疫系统和免疫球蛋白（免疫球蛋白部分）（免疫球蛋白部分）免疫球蛋白，免疫球蛋白，Immunoglobulin, Ig免疫球蛋白G（Ig G）的结构免疫球蛋白G的空间填充模型鸡卵清溶菌酶与其抗体的结合抗体上的抗体上的抗原结合抗原结合结构域结构域鸡卵清溶菌鸡卵清溶菌酶（抗原）酶（抗原）鸡卵清溶菌鸡卵清溶菌酶上突出的酶上突出的Gln121鸡卵清溶菌酶与其抗体的结合抗体上的抗体上的抗原结合抗原结合结构域结构域鸡卵清溶鸡卵清溶菌酶上突菌酶上突出的出的Gln121免疫沉淀的交联晶格交联晶格交联晶格抗原决定簇抗原决定簇抗原抗原（含（含4 4个决定簇）个决定簇）抗体抗体人免疫球蛋白的各种类型 人人的的免免疫疫球球蛋蛋白白除除了了IgG外外，还还有有IgA、IgM、IgD 和和 IgE，共共有有5种种类类型型，它它们们各各自自存存在在于于人人体体的的不不同同部部位位，起起着着不不同同的的作作用用。Ig 分分子子轻轻链链恒恒定定区区（CL）的的氨氨基基酸酸序序列列可可分分为为两两种种基基本本类类型型：和和，一一个个 Ig 分分子子只只能能含含有有其其中中的的一一种种。重重链链恒恒定定区区（包包括括CH1、CH2和和CH3）的的序序列列分分为为5种种基基本本类类型型：（IgG）、（IgA）、（IgM）、（IgD）和和（IgE）。）。 各种各种Ig的结构IgD的结构与的结构与IgG类似类似IgGIgEIgAIgMIgM的结构二硫键二硫键酶联免疫吸附测定enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA血样中单纯疱疹病毒抗体的ELISA检测 An ELISA to test for the presence of herpes simplex virus (HSV) antibodies in blood samples. Wells were coated with an HSV antigen, to which antibodies against HSV will bind. The second antibody is antihuman IgG linked to horseradish peroxidase. Blood samples with greater amounts of HSV antibody turn brighter yellow.血清样品中单纯疱疹病毒抗体的ELISA检测酶酶标标板板或或微微孔孔板板尿激酶的免疫印迹测定(1,4),(2,5),(3,6)-(1,4),(2,5),(3,6)-纯化程度逐步增高的尿激酶样品纯化程度逐步增高的尿激酶样品免疫印迹免疫印迹这种检测这种检测某种蛋白某种蛋白的方法称的方法称为为Western blotting尿激酶单尿激酶单抗检测抗检测 单克隆抗体的制备方法用用目目的的抗抗原原免免疫疫小小鼠鼠，取取小小鼠鼠脾脾脏脏制制成成B淋淋巴巴细细胞胞悬液；悬液；繁殖小鼠骨髓瘤细胞；繁殖小鼠骨髓瘤细胞；将将制制得得的的B淋淋巴巴细细胞胞与与骨骨髓髓瘤瘤细细胞胞融融合合，产产生生杂杂交交瘤细胞；瘤细胞；转转移移到到只只有有杂杂交交瘤瘤细细胞胞才才能能生生长长的的培培养养基基中中进进行行选择性培养；选择性培养； 用用ELISA法法筛筛选选出出能能分分泌泌目目的的抗抗体体的的单单克克隆隆杂杂交交瘤细胞株；瘤细胞株；扩大培养，从培养液中提取纯化单克隆抗体。扩大培养，从培养液中提取纯化单克隆抗体。五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 ( (肌纤维的结构肌纤维的结构) ) 脊脊椎椎动动物物的的骨骨骼骼肌肌又又称称横横纹纹肌肌或或随随意意肌肌。肌肌肉肉由由许许多多平平行行的的肌肌纤纤维维束束或或称称肌肌束束组组成成。肌肌束束中中的的每每个个肌肌纤纤维维就就是是一一个个骨骨骼骼肌肌细细胞胞，它它是是长长柱柱形形的的多多核核细细胞胞，直直径径约约在在20100m之之间间，长长可可达达5cm以以上上，人人体体的的一一些些肌肌纤纤维维甚甚至至可可达达50cm。肌肌细细胞胞间间有有少少量量结缔组织，并有毛细血管和神经纤维等。结缔组织，并有毛细血管和神经纤维等。 骨骼肌的组织水平肌纤维的细胞水平 肌肌纤纤维维（肌肌细细胞胞）是是由由多多个个称称为为成成肌肌细细胞胞的的肌肌肉肉前前体体细细胞胞融融合合而而成成的的。每每个个肌肌纤纤维维含含有有约约1000个个肌肌原原纤纤维维，肌肌原原纤纤维维直直径径2m。这这些些肌肌原原纤纤维维处处于于肌肌浆浆中中。核核一一般般处处在在细细胞胞的的周周边边，质质膜膜的的内内表表面面。肌肌纤纤维维中中含含有有许许多多线线粒粒体体，在在肌肌肉肉收收缩缩时时提提供供能能源源物物质质ATP，肌肌纤纤维维中中的的内内质质网网称称为为肌肌质质网网，分分布布在在各各肌肌原原纤纤维维的的周周围围，肌肌肉肉收收缩缩时时由由它它提提供供所所需需的的Ca2+。 肌原纤维的结构 肌肌原原纤纤维维呈呈现现一一个个很很有有规规则则的的周周期期性性结结构构，暗暗带带和和明明带带交交替替排排列列。明明带带折折射射率率是是各各向向同同性性的的，因因此此又又称称各各向向同同性性带带（isotropic band），简简称称 I 带带；暗暗 带带 是是 各各 向向 异异 性性 的的 ， 所所 以以 又又 称称 各各 向向 异异 性性 带带（anisotropic band），简简称称A带带。I 带带被被一一条条称称为为Z线线或或Z盘盘的的细细线线分分成成相相等等的的两两半半。在在A带带中中央央有有一一个个较较明明亮亮的的区区域域称称为为H区区，H区区正正中中间间有有一一个个致致密密的的横横线，称为线，称为M线或线或M盘，它将盘，它将H区分区分成相等的两半。成相等的两半。 骨骼肌肌原纤维的电镜图肌 节 一一个个肌肌原原纤纤维维可可以以看看成成是是由由许许多多称称为为肌肌节节（sarcomere）的的重重复复单单位位构构成成的的，重重复复单单位位是是一一个个A带带加加上上前前后后各各半半个个I带带，即即从从Z线线到到下下一一个个Z线线。一一个个肌肌节节在在松松驰驰状状态态下下长长度度为为2.5m。上上述述肌肌纤纤维结构在光学显微镜下就能观察维结构在光学显微镜下就能观察到。到。 肌肉收缩的显微观察 在在一一个个完完全全的的收收缩缩中中，每每个个肌肌节节缩缩短短约约1.0m（原原长长2.5 m）。收收缩缩时时I带带和和H区区几几乎乎消消失失，Z盘盘向向A带带靠靠拢拢，也也即即缩缩短短是是由由I带带和和H区区两两者者的的宽宽度度减减少少造造成成的的，但但A带带宽宽度度（即即粗粗丝丝长长度度）和和Z盘盘到到H区区边边缘缘的的距距离离（即即细细丝丝长长度度）并并不不改改变。变。 肌原纤维由粗丝和细丝构成 粗粗丝丝是是由由250360个个肌肌球球蛋蛋白白分分子子通通过过它它们们的的尾尾部部缔缔合合而而成成的的分分子子束束，直直径径约约为为16nm；它它们们的的尾尾都都朝朝向向A带带的的中中央央（H区区），长长度度约约为为1.5m。结结构构中中肌肌球球蛋蛋白白的的头头部部有有规规则则地地每每间间隔隔约约14nm在在两两端端伸伸出出。粗粗丝丝上上伸伸出出的的头头部部与与相相邻邻的细丝接触。的细丝接触。 （粗丝的结构粗丝的结构）粗丝和细丝中的分子装配肌原纤维由粗丝和细丝构成（细丝的结构细丝的结构） 细细丝丝由由肌肌动动蛋蛋白白（actin）、原原肌肌球球蛋蛋白白和和肌肌钙钙蛋蛋白白复复合合体体组组成成，在在低低离离子子强强度度下下，肌肌动动蛋蛋白白以以单单体体的的形形式式存存在在，称称为为G肌肌动动蛋蛋白白。在在生生理理条条件件（高高离离子子强强度度）下下，G肌肌动动蛋蛋白白聚聚合合成成纤纤维维状状的的F肌肌动动蛋蛋白白。F肌肌动动蛋蛋白白外外观观上上像像是是右右手手双双螺螺旋旋结结构构，螺螺距距约约72nm。每每7个个肌肌动动蛋蛋白白分分子子表表面面有有一一条条原原肌肌球球蛋蛋白白分分子子索索，它它遮遮盖盖着着肌肌动动蛋蛋白白上上能能与与肌肌球球蛋蛋白白结结合合的的位位点点。肌肌钙钙蛋蛋白白复复合合体体由由3个个蛋蛋白白组组成成，肌肌钙钙蛋蛋白白T、I、C。其其中中T能能与与原原肌肌球球蛋蛋白白结结合合，C能与钙离子结合，能与钙离子结合，I 阻抑肌动蛋白与肌球蛋白结合。阻抑肌动蛋白与肌球蛋白结合。 骨骼肌的相关蛋白质 除除骨骨骼骼肌肌的的主主要要蛋蛋白白质质外外，还还有有多多种种蛋蛋白白质质在在维维持持肌肌肉肉结结构构和和调调节节肌肌肉肉收收缩缩方方面面起起着着重重要要的的作作用用。肌肌球球蛋蛋白白和和肌肌动动蛋蛋白白共共占占总总肌肌丝丝蛋蛋白白质质的的65%，原原肌肌球球蛋蛋白白和和肌肌钙钙蛋蛋白白各各占占5%，其其它它的的调调节和结构蛋白约占肌丝蛋白质的节和结构蛋白约占肌丝蛋白质的25%。 两两个个细细胞胞骨骨架架蛋蛋白白，肌肌连连蛋蛋白白和和伴伴肌肌动动蛋蛋白白，它们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网。它们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网。 骨骼肌收缩的肌丝滑动模型肌肉收缩的分子机制 当当信信号号通通过过神神经经传传至至肌肌细细胞胞时时，肌肌细细胞胞膜膜去去极极化化，兴兴奋奋传传至至横横小小管管系系（横横小小管管系系是是肌肌膜膜向向内内凹凹入入形形成成的的细细管管，它它围围绕绕在在每每条条肌肌原原纤纤维维的的明明带带与与暗暗带带交交界界处处的的表表面面，直直径径约约2040nm），引引起起肌肌质质网网释释放放钙钙离离子子至至肌肌浆浆，钙钙离离子子与与细细丝丝上上的的肌肌钙钙蛋蛋白白C结结合合，肌肌钙钙蛋蛋白白复复合合体体发发生生构构象象变变化化，通通过过肌肌钙钙蛋蛋白白I使使原原肌肌球球蛋蛋白白发发生生位位移移，阻阻抑抑作作用用解解除除，暴暴露露出出肌肌动动蛋蛋白白上上与与肌肌球蛋白的结合位点，肌肉收缩得以进行。球蛋白的结合位点，肌肉收缩得以进行。 肌肉收缩的分子机制肌球蛋白的头部与肌动蛋白丝的结合肌肉松弛 肌肌肉肉收收缩缩完完成成后后，钙钙离离子子被被钙钙泵泵从从肌肌浆浆中中回回收收到到肌肌质质网网，另另一一ATP与与肌肌球球蛋蛋白白的的头头部部结结合合时时，肌肌球球蛋蛋白白头头部部与与肌肌动动蛋蛋白白脱脱离离，肌肌球球蛋蛋白白头头部部又又回回至至原原位位，肌肌纤纤维维松松弛弛。ATP由由线线粒粒体体供供给给，当当机机体体死死亡亡后后，线线粒粒体体停停止止产产生生ATP，无无新新的的ATP与与肌肌球球蛋蛋白白结结合合，因因而而肌肌球球蛋蛋白白头头部部不不能能脱脱离离肌肌动蛋白，使肌肉长期处于收缩状态，称为尸僵。动蛋白，使肌肉长期处于收缩状态，称为尸僵。 肌连蛋白 肌肌连连蛋蛋白白是是一一种种弹弹性性蛋蛋白白质质。它它是是现现在在已已知知最最大大的的单单链链蛋蛋白白质质，人人的的心心肌肌肌肌连连蛋蛋白白由由26926个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，分分子子量量为为2993103。在在肌肌连连蛋蛋白白分分子子中中央央是是一一个个新新的的结结构构花花式式，由由PEVK的的重重复复单单位位组组成成。PEVK花花式式可可能能起起弹弹簧簧装装置置的的作作用用，在在肌肌肉肉伸伸展展之之后后可可拉拉动动肌肌肉肉恢恢复复原原状状，并并且且也也可可能能在在调调节节肌肌纤纤维维的的强强度度和和弹弹性性方方面面起起作作用用。在在强强度度特特殊殊的的肌肌肉肉中中，如如心心肌肌，PEVK区区的的长长度度只只有有163个个残残基基，而而在在弹弹性性大大的骨骼肌中的骨骼肌中PEVK区超过区超过2000个残个残基。基。 肌连蛋白的功能 在在肌肌纤纤维维中中肌肌连连蛋蛋白白形形成成长长而而柔柔软软的的细细丝丝，一一个个这这样样的的细细丝丝，在在松松弛弛状状态态下下长长1000nm，在在张张力力下下它它能能伸伸长长到到3000nm以以上上。在在肌肌肉肉中中肌肌连连蛋蛋白白从从M线线的的边边缘缘开开始始，沿沿肌肌球球蛋蛋白白丝丝全全长长伸伸展展至至Z盘盘。在在这这里里肌肌连连蛋蛋白白的的作作用用可可能能是是把把肌肌球球蛋蛋白白连连接接到到Z盘盘上上，以以及及作作为为“分分子子尺尺”调调节节肌肌节节的的长长度度，防防止止肌肌肉肉过过分分伸伸张张。当当肌肌原原纤纤维维伸伸张张超超过过粗粗、细细丝丝的的重重叠叠部部分分，肌肌连连蛋蛋白白则则被被动动产产生生张张力力，使使肌肌原原纤维复原。纤维复原。 细胞器沿微管的运动Kinesin驱动蛋白驱动蛋白Dynein动力蛋白动力蛋白六、蛋白质的结构与功能的进化 蛋蛋白白质质的的结结构构和和功功能能的的进进化化是是基基因因突突变变造造成成的的。有有利利的的突突变变和和中中性性的的突突变变被被保保留留下下来来，不不利利的的突突变变造造成成疾疾病病或或残残疾疾，致致死死突突变变被淘汰。被淘汰。