蛋白质结构与功能的 关系

肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化
血红蛋白的结构与功能
• • • • 血红蛋白的结构 氧结合引起的血红蛋白构象变化 血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧结合曲线） H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响
• Almost 500 genetic variants of hemoglobin are known to occur in the human population; all but a few are quite rare.
• 镰刀状贫血病—血液中大量出现镰刀红细胞， 患者因此缺氧窒息。 w 它是最早认识的一种分子病.死亡率极高。 w 由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构突变 • 血红蛋白病（hemoglobinopathy), 是由于α 或β链发生了变化，镰刀状红细胞贫血症。 • 地中海贫血（thalassemia),是由于缺少了α 或β链。
Bohr效应
在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放
CO2与Hb的结合
释放的H+有助于Bohr效应 氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态 促进氧的释放
H+和CO2降低血红蛋白对O2的亲和力
pH的降低使S曲线右移，即氧合能力降低，促使O2解离。
组织呼吸释放CO2， CO2 进入红细胞H2O+CO2----H2CO2+H++HCO H促使HbO2解离，因而有利于从肺向组织运送O2 H和CO2结合于Hb从组织运送到肺部，HCO2从血浆运送至肺 肺部的高氧分压使O2与Hb结合，促使H和CO2解离，H+与HCO2结合H2CO2，然后分解为H2O和CO2经肺排出。
H+是Hb氧合的别构抑制剂
BPG降低Hb对氧的亲和力
BPG—2,3-二磷酸甘油酸 2,3-bisphosphoglycerate Hb四聚体只 有一个BPG 结合部位 —4个亚基缔 合形成的中 央空穴内 2，3 - 二磷酸甘油酸—— Hb异促别构调节的效应物
PBG降低血红蛋白对氧的亲和力。
BPG
IgG Fc receptor
细菌、病毒 或大分子
识别侵染细 胞和寄生虫
刺激T细胞，B细胞.
吞噬抗体 结合的病毒
• 能引起免疫反应的任 何分子或病原体称为 抗原(antigen). • 一个单独的抗体或T细 胞受体只能结合抗原 内的一个特定分子结 构，称为它的抗原决 定簇(antigenic determinant)或表位 (epitope). • 相对分子质量小于 5000的分子一般没有 抗原性。这种本身无 抗原性，与载体蛋白 结合后有了抗原性的 物质称为半抗原 (hapten).
BPG的结合
BPG的结合
离子键稳定T态
PBG和血红蛋白的结结合位点远离氧结合 位点。 胎儿通过脐带从母体中获得氧，所以胎儿 的血红蛋白和氧的亲和力必须大于成年人。 a2r2,r亚基和PBG结合力下降。 PBG表面的负电荷和分子表面的正电荷相 互作用。R态，PBG不能和HB结合。
BPG的结合
组氨酸F8和F7与HEM形成配位键
组氨酸O2和HisF8与血红素形成配位键
肌红蛋白结合氧的定量分析 （氧结合曲线）
蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白
Mb + O2
去氧Mb
MbO2
氧合Mb
K =
[Mb][O2] [MbO2] [O2] K + [O2]
[MbO2] = Y 2 = O [Mb] + [MbO2] Y = O2 pO2
血红蛋白分子病
• • • • 分子病是遗传的 镰刀状细胞贫血病 其他血红蛋白病 地中海贫血
分子病：由于基因突变，导致蛋白质中氨 基酸种类发生变化，并引起功能降低或丧 失。 镰刀型贫血症（sickle-cell anemia）
分子病是遗传的
遗传病 分子突变
有害突变 消失
中立突变 无影响
有益突变 占优势
肌红蛋白和血 红蛋白的氧饱 和曲线的比较 血红蛋白对氧 的结合具有分 子开关效应。 血红蛋白中各 亚基之间存在 协同效应。
Hb的协同性氧合
• 然而实际观测到的氧结合曲线并不符合 n=4的曲线，而是n=2.8
血中氧分子的运送：
氧 分 子
(R) relaxed state
任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力
Hb的氧合与构象的 改变
氧结合引起的血红蛋白构象变化
• 当血红素氧合时分子的这两个αβ二聚体半 分子彼此滑移。如果一个αβ-二聚体固定不 动，则另一个αβ-二聚体将绕一个设想的通 过两个αβ-二聚体的偏心轴旋转15。并平移 0.08nm • 此时在两个αβ-二聚体之间的界面上某些原 子将移动多至0.6nm
Hb A: Hb S:
H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys COOH H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys COOH
Hb Sβ-亚基的 变化
Glu（极性）
Val（非极性）
• 镰刀形红细胞贫血症
• The amino acid residues at posiຫໍສະໝຸດ Baiduion 6 lie at the surface of the hemoglobin molecule • In Hb A, Glu的R侧链是带负电荷的 离子，而 Hb S 的Val侧链是非极性的疏水基团.此变化 降低了去氧蛋白的溶解度，Val侧链形成一个 突起，与另一个HbS上的互补口袋通过疏水作 用聚集沉淀
其他血红蛋白病
• • • • 突变发生在血红蛋白表面 突变发生在血红素基附近 突变发生在特异的部位 突变发生在亚基界面上
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地中海贫血
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免疫系统和免疫球蛋白
• • • • • 免疫系统 免疫系统能识别自我和非我 在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应 免疫球蛋白的结构和类别 基于抗体-抗原相互作用的生化分析方法
免疫系统
体液免疫
细胞免疫
B 淋巴细胞
T 淋巴细胞
辅助T细胞
巨噬细胞
抗体 Ig
T-cell 受体
分泌细胞因子 (interleukins)
双曲线型
pO2 K + pO2
p50 = K = 2.8 torr
肌红蛋白的氧饱和曲线。
Hill nH = 1
系 非协同 数 与 nH ＞1 配 正协同 体 的 结 nH =n 完全协同 合
蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白
肌红蛋白氧合曲线
静脉血中氧分压 线粒体中氧分压
2
• • • • • •
Lung 动脉
环境氧高时 Hb 快速吸收氧分子
环境氧低时 Hb 迅速释放氧分子
(T) tense state
静脉
Muscle
释放氧分子后 HemoglobinHb 变回 T state
Myoglobin
Hb结合氧的调节
1、 H+、CO2促进O2的释放
碳酸酐酶
H+—Hb氧合的拮抗物 pH降低时：促进氧的释放 缓冲血液pH
血红蛋白的四个亚基之间通过次级键结合在一起，其中不同的亚基之 间的结合紧密，在血红蛋白和氧结合的过程中，亚基之间的缔合会受 到影响。
• 血红蛋白可看 成是αβ-二聚体 的二聚体 • 每个αβ-二聚体 作为一个刚体 移动
• 人在不同的发育阶段血红蛋白亚基的种类是不同的。 • 至少有7种基因：α、β、Aγ 、Gγ 、δ 、ε 、δ • 成人血红蛋白主要是Hb A(Hb A1),其亚基组成为 α2β2; 次要组分是Hb A2，其亚基组成为α2 δ 2（约 占总Hb的2%） • 胎儿血红蛋白简称Hb F，亚基组成为α2γ2（Aγ和Gγ 均存在于Hb F中，其差别仅在于第136位上的Ala改 变为Gly）。 • Hb F的γ链和β链很相似，也由146个氨基酸组成 • 但是γ链中的H21（第143位）残基是Ser，而不是β链 中的His。 • 这样就减少了BPG（2，3-二磷酸甘油酸）分子结合 部位的正电荷，也即减低了对BPG的亲和力。 • Hb F对BPG的亲和力减低使得它对氧的亲和力增高。 因此独立循环系统的胎儿能有效地通过胎盘从母体的 血循环中吸收氧。
5、蛋白质结构与功能的关系
Relationship between structure and function of protein
生命学院 张林生
蛋白质功能PROTEIN FUNCTION 许多蛋白质的功能包括其他分子可逆的结合
1. Reversible Binding of a Protein to a Ligand: OxygenBinding Proteins （蛋白与配体的可逆结合） Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins （蛋白和配体的互补性相互作用） Protein Interactions Modulated by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors（化学能调控的蛋 白质相互作用）
血红蛋白亚基之 间可通过离子键 相互作用，从而 稳定其四级结构。 在与氧结合的过 程中，亚基间的 离子键发生变化。
Hb的氧合与构象的 改变
氧 合 作 用 改 变 H b 四 级 结 构
Hb的氧 合与构 象的 改 变
未结合氧的T态， T态时，形成盐桥，
Hb的氧 合与构 象的 改 变
与氧结合的R态， R态时，盐桥断裂
2.
3.
• • • • • •
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肌红蛋白的结构与功能
• • • • • 肌红蛋白的三级结构 辅基血红素 O2与肌红蛋白的结合 O2的结合改变肌红蛋白的构象 肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）
血红蛋白是由 α2β 2组成 的四聚体，每 个亚基都有一 个血红素辅基， 和一个氧结合 部位。每一个 亚基相当于一 个肌红蛋白。
血红蛋白的结构（四聚体）
卟啉铁
• 肌红蛋白
血红蛋白α
血红蛋白β
有9个位置的残基是所有研究过的血红 蛋白所共有的。这些高度保守的残基 对血红蛋白分子的功能有着特殊重要 的意义 近侧组氨酸F8 远侧组氨酸E7 Phe CD1和Leu F4与血红素接触。 Tyr HC2通过在H和F螺旋之间形成一个 链内氢键以稳定分子 Gly B6也是一个保守残基，这可能由 于它的体积小，因为大于氢原子的侧 链将不允许B和E螺旋彼此接近得如此 紧密 Pro C2也很重要，因为它能引起C螺旋 的终止，因而规定了C螺旋的一端
血红素结构
肌红蛋白与氧的结合主要通过其中的血红素辅基结合，其中央的Fe （II）形成6个配位键，可以与氧结合。
卟啉环也可以与Cu（I）结合最终形成血蓝蛋白
O2与肌红蛋白的结合
卟啉环
空间位阻
O2与肌红蛋白的结合
氧合改变MB的构象
0.026nm的位移
去氧肌红蛋白中由于His93的拉动，Fe（II）移出卟啉 环平面；O2的结合将Fe拉回原位
K + pO2
• 氧分数饱和度（fractional satuation ）
氧合肌红蛋白分子数
肌红蛋白分子总数
• Y=1 • Y=0.5
Mb被氧完全饱和 p(O2)=K=P50
P50 ：Mb被氧半饱和时的氧分压
蛋白质与配体的可逆结合——肌红蛋白与血红蛋白
肌红蛋白氧合曲线
Y = 0.5
YO = 2
氧合Hb中央空穴太小，容纳不了BPG,
BPG对R态Hb亲和力的大小顺序为: HbO2>Hb(O2)2>Hb(O2)3 BPG与Hb(O2)4不结合
hemoglobin fetal HbF (α 2γ2 ) 对氧的亲和力比成人高 ——Ser取代His 与BPG结合能力减弱
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肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化