第第6章章 蛋白蛋白质分子分子结构构 与功能的关系与功能的关系一、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、免疫系统和免疫球蛋白四、免疫系统和免疫球蛋白五、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、六、纤维状蛋白状蛋白质的的结构与功能构与功能一、肌红蛋白的结构与功能一、肌红蛋白的结构与功能（一）肌红蛋白（一）肌红蛋白(myoglobin，Mb)的三级结构的三级结构（二）辅基血红素（二）辅基血红素(heme)（三）（三）O2与肌红蛋白的结合与肌红蛋白的结合（四）（四） O2的结合改变肌红蛋白的构象的结合改变肌红蛋白的构象(一)肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构 共有共有8段段-螺旋，螺旋，占全部序列的占全部序列的75%。整条肽链折叠成。整条肽链折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个链则在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋深的疏水口袋，血，血红素通过与周围氨基酸残基的次级键以及血红素铁与近端红素通过与周围氨基酸残基的次级键以及血红素铁与近端的的His形成的配位键而形成的配位键而“藏藏”在洞中。在洞中。 该口袋允许该口袋允许O2进入进入。 CO也能与血红素结合也能与血红素结合，CO的毒性是因为它与血红素的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止的亲和力更大，从而阻止O2与血红素的结合。与血红素的结合。（二）辅基血红素结构（二）辅基血红素结构 二价二价态的血的血红素素铁结合氧气合氧气 三价三价态的血的血红素素铁不能不能结合氧气合氧气NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+（三）（三）O O2 2与与肌肌红红蛋蛋白白的的结结合合肌红蛋白的三维结构肌红蛋白的三维结构血血红红素素在在蛋蛋白白中中的的位位置置O2 及及 CO 与肌红蛋白血红素与肌红蛋白血红素Fe的结合的结合氧合肌红蛋白氧合肌红蛋白结合咪唑和结合咪唑和CO的游的游离血红素离血红素肌红蛋白：肌红蛋白：CO复合物复合物（四）（四） O2的结合改变肌红蛋白的构象的结合改变肌红蛋白的构象 未结合氧时，未结合氧时，5 5个配位键，个配位键，FeFe位于卟啉环上方；结合氧时，位于卟啉环上方；结合氧时， FeFe被拉进卟啉环，被拉进卟啉环， Fe Fe位于卟啉环上方；位于卟啉环上方； His His同时被拉动引起构同时被拉动引起构象改变。象改变。 FeFe的这一微小移动对血红蛋白有显著的影响。的这一微小移动对血红蛋白有显著的影响。 见见P255图图6-5二、血红蛋白二、血红蛋白 (hemoglobin, Hb) 的结构与功能的结构与功能(一一)血红蛋白的结构血红蛋白的结构(二二)氧结合引起的血红蛋白构象变化氧结合引起的血红蛋白构象变化(三三)血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合(Hb氧结合曲线）氧结合曲线）(四四)H+、CO2和和BPG对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响( (一一) )血红蛋白的结构血红蛋白的结构 血红蛋白是由四个亚基组成，2个-亚基，2个-亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组成。个亚基以正四面体的方式排列，彼此之间以非共价键相连 血血红红蛋蛋白白血血红红蛋蛋白白 血红蛋白（血红蛋白（22），有稳定的四级结构，与氧的亲和），有稳定的四级结构，与氧的亲和力很弱。但当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基力很弱。但当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基的铁结合后，的铁结合后，Fe2+被拉回卟啉环，铁卟啉环由圆顶状变成被拉回卟啉环，铁卟啉环由圆顶状变成平面，与配位键连接得平面，与配位键连接得His发生位移，并引起该亚基构象发生位移，并引起该亚基构象改变，一个亚基构象的改变又引起其余亚基的构象相继发改变，一个亚基构象的改变又引起其余亚基的构象相继发生改变，生改变，亚基间的次级键被破坏，结果整个分子从紧密的亚基间的次级键被破坏，结果整个分子从紧密的构象变成比较松散的构象，易于与氧结合，使血红蛋白与构象变成比较松散的构象，易于与氧结合，使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。氧结合的速度大大加快。 血红蛋白上有血红蛋白上有CO2结合部位，因此，血红蛋白还能运结合部位，因此，血红蛋白还能运输输CO2(二二)氧结合引起的血红蛋白构象变化氧结合引起的血红蛋白构象变化(三三)血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合(Hb氧结合曲线）氧结合曲线）Hb和和Mb氧氧结结合合曲曲线线的的比比较较 血红蛋白四个亚基之间具有正协同效应，血红蛋白四个亚基之间具有正协同效应，氧合曲线是氧合曲线是S型曲线型曲线 刚开始时，氧的结合要比肌红蛋白对氧的结合慢（在脱氧血红蛋白中，亚基之间的连接比较紧密），这种构象不利于O2的结合，而当第一亚基与氧结合后， 增加了其余亚基对氧的亲和力。 反之，当氧分压降低时，从氧合血红蛋白失去一个氧分子，将引起其余的氧分子更易解离，说明各亚基间存在一种协同效应。 (四四) H+、CO2和和BPG 对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响1、H+ 、CO2促进促进O2的释放（的释放（Bohr效应效应 ）2、BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低二磷酸甘油酸）降低Hb对对O2的亲和的亲和力力波波尔尔效效应 H+和和CO2降低降低Hb与氧气与氧气亲和力，和力，即即H+和和CO2促促进Hb释放放O2，这样的效的效应被称被称为波波尔尔效效应。 质子子浓度度对血血红蛋白与蛋白与O2亲和力的影响和力的影响 不同不同PHPH下下MbMb和和HbHb的氧分数饱和度曲线的氧分数饱和度曲线hemoglobin代谢越快，代谢越快，H+或或CO2越多，需要越多，需要的氧越多，越有的氧越多，越有利于利于Hb释放释放O2。Bohr效应效应 当当H H+ +增加，增加，pHpH下下降氧分数饱和度降氧分数饱和度曲线向右移动。曲线向右移动。BPG的别构效应的别构效应 二磷酸甘油酸（二磷酸甘油酸（BPG ）降）降 低血红蛋白对氧低血红蛋白对氧的亲和力，的亲和力，BPG是血红蛋白的异促效应物（负效是血红蛋白的异促效应物（负效应物）。应物）。 BPG通过与两个通过与两个亚基形成盐键亚基形成盐键稳定了血红蛋稳定了血红蛋白的脱氧态的构象白的脱氧态的构象，因而降低脱氧血红蛋白的氧，因而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。亲和力。 胎儿血胎儿血红蛋白蛋白 胎儿血红蛋白HbF（22）与O2的亲和力明显高于成人的HbA，这显然有利于它们从母体的胎盘中获取O2。类别类别肌红蛋白（肌红蛋白（MbMb）血红蛋白（血红蛋白（HbHb）来源来源肌肉组织肌肉组织红细胞红细胞种类种类一种一种三三种种：HbAHbA1 1（成成人人9898）、HbAHbA2 2（成成人人2 2）和和HbFHbF（胎儿）（胎儿）一级结构一级结构单单条条肽肽链链，153153个个aaaa，其其中中的的8383个个aaaa为为保守序列保守序列四四条条肽肽链链,-,-亚亚基基约约141aa,141aa,亚亚基基约约146aa146aa；HbAHbA1 1：2 22 2；HbAHbA2 2:2 22 2；HbFHbF：2 22 2二级结构二级结构7575-螺旋螺旋每条链同每条链同MbMb三级结构三级结构典典型型的的球球蛋蛋白白，分分子子表表面面形形成成一一个个疏疏水口袋，血红素即藏在其中水口袋，血红素即藏在其中每条链同每条链同MbMb四级结构四级结构无无4 4个个亚亚基基占占据据着着4 4面面体体的的4 4个个角角，链链间间以以离离子子键键结结合合， ()()2 2，在在二二聚聚体体内内结结合合紧紧密密，在二聚体之间结合疏松。在二聚体之间结合疏松。辅基辅基血红素（血红素（FeFe2 2），结合氧气），结合氧气每每个个亚亚基基结结合合一一分分子子血血红红素素（FeFe2 2），一一分分子血红蛋白可结合四分子氧气子血红蛋白可结合四分子氧气协同效应协同效应无无正协同效应正协同效应功能功能肌肌肉肉组组织织中中储储存存氧氧气气；运运输输氧氧气气到到线线粒体粒体在血液中运输氧气在血液中运输氧气肌肌红蛋白和血蛋白和血红蛋白的比蛋白的比较三、血红蛋白分子病三、血红蛋白分子病(一)分子病是遗传的(二)镰刀状细胞贫血病(三)其他血红蛋白病(四)地中海贫血(二二)镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病 这种病在非洲的某些地这种病在非洲的某些地区发展率较高。这种病人区发展率较高。这种病人最显著的特点是相当一部最显著的特点是相当一部分红血球呈镰刀形。分红血球呈镰刀形。镰状镰状细胞贫血症患者的细胞贫血症患者的Hb简简称为称为HbS。HbS造成红细造成红细胞溶血，致使病人体内的胞溶血，致使病人体内的红细胞减少，只有正常人红细胞减少，只有正常人的的1/2。 这种病人的病因在哪里呢？这种病人的病因在哪里呢？Hemoglobin A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Hemoglobin S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys- 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8 血红蛋白分子中血红蛋白分子中-链上一个氨基酸的差异，即链上一个氨基酸的差异，即-链第链第6 6位原来是位原来是GluGlu，现在被，现在被ValVal取代。由于这个取代。由于这个aaaa的差别，使血红蛋白溶解度下降至的差别，使血红蛋白溶解度下降至1/251/25，输氧功，输氧功能降低。能降低。 镰刀状贫血病镰刀状贫血病 的分子机理的分子机理 Glu Val 由于由于ValVal取代了取代了GluGlu，使，使HbsHbs链表面链表面具有密集的疏水支链具有密集的疏水支链这些疏水支链使这些疏水支链使HbsHbs分子集成长链分子集成长链HbS之之间的自的自组装反装反应 镰型镰型细胞贫血细胞贫血症的血红症的血红蛋白不适蛋白不适当的结合当的结合导致形成导致形成长长链链，很，很多长链聚多长链聚集成多股集成多股螺旋，将螺旋，将红血球挤红血球挤扭成镰刀扭成镰刀状。状。四、免疫系统和免疫球蛋白四、免疫系统和免疫球蛋白（一）免疫系统 (二) 免疫系统能识别自我和非我 (三) 在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应（四）免疫球蛋白的结构和类型（五）基于抗体抗原相互作用的生化分析方法（一）免疫系统（一）免疫系统 免疫反应主要涉及淋巴细胞（免疫反应主要涉及淋巴细胞（lymphocyte）和巨）和巨噬细胞（噬细胞（microphage），淋巴细胞又分为两个细胞群，），淋巴细胞又分为两个细胞群，B淋巴细胞和淋巴细胞和 T淋巴细胞。淋巴细胞。 B淋巴细胞：淋巴细胞：又称又称B细胞，它在骨髓中发育完成。细胞，它在骨髓中发育完成。 T淋巴细胞：淋巴细胞：又称又称T细胞，它虽在骨髓中分泌但最细胞，它虽在骨髓中分泌但最终迁移到胸腺中完成它们的后期发育。终迁移到胸腺中完成它们的后期发育。 B（T）细胞受体：）细胞受体：B（T）细胞表达的抗原特异性）细胞表达的抗原特异性膜受体。膜受体。抗原与抗体抗原与抗体 抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、抗体，并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、核酸及其核酸及其 它高分子化合物）。它高分子化合物）。 抗原性包括：抗原性包括： 免疫原性免疫原性是指诱导特异免疫反应的能力。是指诱导特异免疫反应的能力。 抗原特异性抗原特异性（反应原性）是指与抗体特异结合的能力。（反应原性）是指与抗体特异结合的能力。 抗原决定簇：抗原性由抗原分子表面特殊的化学基团抗原决定簇：抗原性由抗原分子表面特殊的化学基团决定决定 （一级结构或空间结构），这种决定或控制抗原性（一级结构或空间结构），这种决定或控制抗原性的化学基的化学基 团称团称抗原决定簇抗原决定簇。 （四）免疫球蛋白的结构和类型（四）免疫球蛋白的结构和类型 免疫球蛋白免疫球蛋白（Ig）：）： 是抗体的一种，由四条是抗体的一种，由四条多肽链组成，两条大的链称重链或多肽链组成，两条大的链称重链或 H 链，两条小链，两条小的链称轻链或的链称轻链或 L 链，它们通过非共价键和二硫键链，它们通过非共价键和二硫键连接成的复合体。连接成的复合体。 免疫球蛋白共有免疫球蛋白共有5个类别：个类别： IgG、IgA、IgM、IgD和和IgE抗原抗体反应抗原抗体反应 抗体是抗体是2 2价的，抗原是多价的：价的，抗原是多价的： 抗体极度过剩，抗原分子所有价被抗体的饱和，可溶。抗体极度过剩，抗原分子所有价被抗体的饱和，可溶。 抗原一抗体比例适中，形成网状的抗原抗原一抗体比例适中，形成网状的抗原抗体复合物，抗体复合物，不可溶。不可溶。 抗原极度过剩，抗体被饱和，可溶。抗原极度过剩，抗体被饱和，可溶。 抗原抗体反应的条件：抗原抗体反应的条件： 抗原决定簇与抗体结合部位构象互补。抗原决定簇与抗体结合部位构象互补。 二者各有对应的化学基团，通过作用力使二者结合二者各有对应的化学基团，通过作用力使二者结合（离子键、氢键（离子键、氢键 等）等） 糖链糖链VH结构域结构域VH结构域结构域CL结结构构域域VL结构域结构域VL结构域结构域重链重链五、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(一一)肌纤维的结构肌纤维的结构(二二)肌原纤维由粗丝和细丝构成肌原纤维由粗丝和细丝构成(三三)骨骼肌的相关蛋白质骨骼肌的相关蛋白质(四四)肌肉收缩的机制：肌丝滑动模型肌肉收缩的机制：肌丝滑动模型 肌肉收缩主要有两种蛋白完成：肌球蛋白是肌肉收缩主要有两种蛋白完成：肌球蛋白是一种一种ATP酶，水解酶，水解ATP，将其中化学能转变为机，将其中化学能转变为机械能，机械能控制肌动蛋白（也称微丝或微管等）械能，机械能控制肌动蛋白（也称微丝或微管等）的构象变化。的构象变化。六、六、纤维状蛋白质的结构与功能纤维状蛋白质的结构与功能 1. -1. -角蛋白角蛋白 2. -2. -角蛋白角蛋白 3. 3. 胶原蛋白胶原蛋白-角蛋白角蛋白一级结构：由311个314个氨基酸残基组成。二级结构：每一个-角蛋白分子在其中央形成典型的-螺旋，两端为非螺旋区。模体：由于螺旋区由（a-b-c-d-e-f-g）n重复序列组成，其中a和d为非极性氨基酸组成，这使得两个-角蛋白分子能够通过a和d残基上的疏水R基团结合，相互缠绕形成双股的卷曲螺旋。双股卷曲螺旋大大地提高了-螺旋的稳定性。链间还形成多个二硫键，这种共价交联可进一步提高-角蛋白的强度。指甲的强度比毛发高是因为组成指甲的-角蛋白含有更多的Cys残基，能形成更多的二硫键。（烫发或直发的原理）-角蛋白角蛋白 一级结构：富含一级结构：富含AlaAla和和GlyGly，具有重复序列，具有重复序列Gly-Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/SerAla/Ser-Gly-Ala/Ser； 二级结构：主要是有序的反平行二级结构：主要是有序的反平行-折叠，还有一折叠，还有一些无序的些无序的-螺旋和螺旋和-转角环绕在转角环绕在-折叠的周围。折叠的周围。GlyGly和和Ala/SerAla/Ser分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的-折叠折叠更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的抗张性更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的抗张性能。同时能。同时-螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与-角蛋角蛋白不同的是，相邻的白不同的是，相邻的-角蛋白之间没有共价交联。角蛋白之间没有共价交联。-角蛋白中的角蛋白中的-折叠折叠蜘蛛蜘蛛丝中的中的丝心蛋白的心蛋白的结构构层次次卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础 永久性卷发永久性卷发( (烫发烫发) )是一项生物化学工程是一项生物化学工程(biochemical engineering),(biochemical engineering), - -角蛋白在湿热条件角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为下可以伸展转变为 - -构象，但在冷却干燥时又可自发构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。地恢复原状。 这是因为这是因为 - -角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基一般都比较大，不基一般都比较大，不适于处在适于处在 - -构象状态，此外构象状态，此外 - -角蛋白中的螺旋多肽链角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状除后使肽链恢复原状( ( - -螺旋构象螺旋构象) )的重要力量。这的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。就是卷发行业的生化基础。胶原蛋白胶原蛋白 胶原蛋白的基本组成单位是由胶原蛋白的基本组成单位是由3 3条条链组成的原胶原分子。链组成的原胶原分子。3 3条条链可以相同，也可以不同。链可以相同，也可以不同。 原胶原的一级结构：约原胶原的一级结构：约1/31/3是是GlyGly，ProPro含量也很高（含量也很高（12%12%），），具有三种修饰的氨基酸，即具有三种修饰的氨基酸，即4-4-羟脯氨酸、羟脯氨酸、3-3-羟脯氨酸（羟脯氨酸（ 9% 9%）和）和5-5-羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的Gly-X-YGly-X-Y三联体序列。三联体序列。X X和和Y Y通通常是常是ProPro，但也可能是，但也可能是LysLys。 胶原蛋白富含胶原蛋白富含GlyGly和和ProPro的性质使得它难以形成的性质使得它难以形成-螺旋，但螺旋，但有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。旋。胶原蛋白的结构问题问题 从结构和功能角度考虑血红蛋白分子病有那几种类型？ 镰刀形贫血病的分子机制是什么？从结构和功能角度考虑血红蛋白分子病有那从结构和功能角度考虑血红蛋白分子病有那几种类型？几种类型？根本原因是基因突变引起的，有纯合体和杂合体之分根本原因是基因突变引起的，有纯合体和杂合体之分（1 1）血红蛋白分子表面发生突变）血红蛋白分子表面发生突变- - （镰刀状贫血病）（镰刀状贫血病）（2 2）血红素附近的氨基酸残疾突变，影响蛋白与血红素的结合或是铁失）血红素附近的氨基酸残疾突变，影响蛋白与血红素的结合或是铁失去氧和能力去氧和能力（3 3）血红蛋白内部的氨基酸残基突变，）血红蛋白内部的氨基酸残基突变，R R集团的小改变很大，使三级结集团的小改变很大，使三级结构发生变化构发生变化（4 4）氨基酸残基突变后，血红蛋白亚基间不能相互作用，失去氧合别构）氨基酸残基突变后，血红蛋白亚基间不能相互作用，失去氧合别构调节作用调节作用（5 5）血红蛋白基因缺失导致亚基缺失（地中海贫血病）血红蛋白基因缺失导致亚基缺失（地中海贫血病） 镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达镰刀状贫血病在非洲某些地区流行，高达40%40%40%40%；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？；地中海贫血病在疟疾高发区保存下来？