第六章-蛋白质结构与功能关系

一、一级结构与功能的关系
（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化
❖ 蛋白质一级结构的种属差异十分明显， 但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决 定作用。根据蛋白质结构上的差异，可 以断定它们在亲缘关系上的远近。
1、同源蛋白质
不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白 质。
❖ 序列同源（sequence homology）：
Arg274— Thr275 Arg323— Ile324 Ⅹａ凝血酶原激酶
专业位点: Arg— Gly
N端
血纤蛋白原为糖蛋白、
分子量340kD，由6条多
C端
肽链组成，29对二硫键
交联成网状分子。
血纤蛋白原 凝血酶切点
血纤肽A、18AA 多净负电荷 血纤肽B、20AA
血纤蛋白
血纤蛋白分子长46nm, 血纤蛋白凝块重复周期 为23nm
Tyrα140 (HC2) 、Tyrβ145 (HC2) 与 Valα93 （FG5）、Valβ98（FG5）形成链 内氢键。
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。即引起该亚基构象的改变，一个亚基 构象的改变又会引起其余亚基的构象相继发生改 变，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， 使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。
（二）氨基酸序列的局部断裂与蛋白质的激活
❖ 蛋白质一级结构中也有一些特定的序列 能阻碍蛋白质表现出生物功能，只有将其 切除后才能形成有活性的蛋白质。
胰岛素原 蛋白酶原 血纤维蛋白原
胰岛素 蛋白酶 血纤维蛋白
胰岛素和它的前体
凝血系统
❖ 主要凝血因子 因子 I， 纤维蛋白原 因子 II, 凝血素 因子 III, 凝血酶原酶 因子 IV, 钙( Ca2+ ) 因子 因子 V, 促凝血球蛋白原，易变因子 因子 VII, 转变加速因子前体，促凝血酶原激
转谷氨酰胺酶催化
溶血系统
纤溶酶原：单链糖蛋白、92kDwk.baidu.com790AA。 纤溶酶原激活剂（PA）： t-PA和u-PA
（三）氨基酸序列的局部变异
HbA（ adult hemoglobin） HbS（sickle-cell hemoglobin） 1954年 指纹图谱（finger print）
❖ Y—在给定的氧压下肌红蛋白的氧分数饱和度。
Y =［Mb［O2］Mb+O2［］O2］
Y = ［O2］ ［O2］+ K
根据henry定律:
Y
=
р(O2) р(O2)+ K
K=P50或(P0.5):肌红蛋白的被氧半饱和 时的氧分压。
р(O2)
Y=
р(O2)+ K
Y
1–Y
=
р(KO2)
log﴾1–YY ﴿ = logр(O2)-logK
Hill 方程
肌红蛋白的K=P50或(P0.5)约为2torr。 1托＝1/760大气压＝1毫米汞柱
1托＝133.322帕（Pa）
（二）高级结构变化对功能的影响
蛋白质的变构现象——以血红蛋白的别构 效应为例说明蛋白质的空间结构与功能的 关系 。
血红蛋白
❖ 血红蛋白有4条多肽链，其中两条为α链（ 141AA），两条为β链（146AA），每个亚 基都有一个血红素分子，具有氧结合能力 。
O2与肌红蛋白的结合
❖ Fe的第六配位键在没有O2时，是空着的， O2与肌红蛋白中的Fe结合，结合以后O2轴 与Fe-O键形成60度的夹角，同时夹在远 侧组氨酸（HisE7）的中间。
❖ 除了O2与Fe结合外，CO也会与Fe结合， 导致CO中毒。
血红素辅基的结构
C C
肌红蛋白的微环境的作用
c
细 胞 色 素 的 进 化 树
同源蛋白质的起源共同性
同源序列38
同源序列64
肌红蛋白
153AA α-珠蛋白
141AA β -珠蛋白
146AA
丝氨酸蛋白酶类
❖ 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶以 及血液凝固和溶解系统的酶都属于丝氨酸 蛋白酶类，具有类似的活性中心，序列同 源性高，生理功能异化。
❖ 人在不同的发育阶段有不同的血红蛋白。
❖ HbA α2β2
H21（143）His
HbF α2γ2
H21（143）Ser
❖ β链和α链的三级结构与肌红蛋白相似。
❖ 四个亚基形成对称结构。
153AA
6.4nm×5.5nm×5.0nm 146AA
141AA 结构相似，141AA中27AA相同
氧结合引起的血红蛋白构象变化
二、蛋白质高级结构与功能的关系
（一）肌红蛋白的功能
肌红蛋白的三级结构组成：珠蛋白和 血红素。大小和形状：扁平状分子、 4.5nm×3.5nm×2.5nm
结构描述：153个AA, 8段α-螺旋组成， 分两层，单结构域。分子结构紧密，内 部只能容纳4个水分子的空间。疏水基团 在分子的内部，亲水基团在分子表面， 介于疏水和亲水之间的基团在分子内部 和外部都可以找到。
肌红蛋白
由多肽的折叠形成的 疏水空隙内是血红素 辅基，通过肽链上的 His残基与肌红蛋白分 子内部相连，它对肌 红蛋白的生物活性是 必需的（与O2结合）。
辅基血红素
❖ 由4个吡咯环通过甲基桥连接成原卟啉IX， 另外有4个甲基，2个乙烯基和2个丙酸基。 原卟啉IX与Fe形成络合物，即是血红素。 Fe有6个配位键，其中4个键与卟啉环的4个 N原子相连，第5配位键与HisF8相连，第6 配位键与O2相连。
Y=
рn(O2)+ K
Y
1–Y
=
рn(KO2)
log﴾1–YY﴿ = nlog р(O2)—logK Hill 方程一般表达式
80%
75%
95 %
10%
Figure 7-28 The oxygen-binding curves of myoglobin (Mb) and hemoglobin (Hb). Myoglobin has a much greater affinity for oxygen than does hemoglobin. It is 50% saturated at oxygen partial pressures (pO2) of only 0.15 to 0.30 kPa, whereas hemoglobin requires a pO2 of about 3.5 kPa for 50% saturation. Note that although both hemoglobin and myoglobin are more than 95 % saturated at the pO2 in arterial blood leaving the lungs (~13 kPa), hemoglobin is only about 75% saturated in resting muscle, where the pO2 is about 5 kPa, and only10% saturated in working muscle, where the pO2 is only about 1.5 kPa. Thus hemoglobin can release its oxygen very effectively in muscle and other peripheral tissues. Myoglobin, on the other hand, is still about 80% saturated at a pO2 of 1.5 kPa, and therefore unloads very little oxygen even at very low pO2. Thus the sigmoid O2-saturation curve of hemoglobin is a molecular adaptation for its transport function in erythrocytes, assuring the binding and release of oxygen in the appropriate tissues.
❖ 不变残基（invariant residue）：
❖ 可变残基（variable residue） ：
细胞色素c（cytochrome c）
2、细胞色素c 的进化 真核生物细胞色素c 有100个左右氨基
酸残基。其中有28个位置的氨基酸是不变 的，其中17位和14位上的Cys和70-80位的 氨基酸是不变的。
1.固定血红素； 2.保护血红素Fe不被氧化；
3.为分子氧提供一个合适的结合部位。
❖ O2与血红素Fe结合后，会改变肌红蛋白 的构象。没有结合氧时，铁卟啉是圆顶 状，并且Fe处于凸出位置，结合氧后铁 卟啉收回形成平面状。
0.055nm 0.026nm
氧结合曲线
❖ MbO2 Mb ＋ O2 K = ［Mb］×［O2］ ［MbO2］ ［MbO2］=［O2］ ［Mb］ K
酶原，辅助促凝血酶原激酶 因子 VIII, 抗血友病球蛋白A (AHG A), 抗血
友病因子A （AHFA),血小板辅助因子 I, 血友病
因子 VIII 或 A,
❖ 因子 IX, 抗血友病球蛋白B (AHG B)，抗血友病 因子B (AHF B)，血友病因子 IX 或 B 因子 X, STUART(-PROWER)-F, 自体凝血酶原C 因子 XI, ROSENTHAL因子，抗血友病球蛋白C 因子 XII, HAGEMAN因子， 表面因子 因子 XIII, 血纤维稳定因子 辅助凝血因子 FITZGERALD因子 FLETCHER因子 (激肽释放酶原) von-Willebrand-因子
❖ 如果血红素含Fe2+，为亚铁血红素，Fe3+， 为高铁血红素。相应的蛋白分别为亚铁肌 红蛋白和高铁肌红蛋白。
Figure 7-18 The heme group, present in myoglobin, hemoglobin, cytochrome b, and many other heme proteins, consists of a complex organic ring structure, protoporphyrin, to which is bound an iron atom in its ferrous (Fe2+ ) state. Tvvo representations are shown in (a) and (b). (c) The iron atom has six coordination bonds, four in the plane of, and bonded to, the flat porphyrin molecule and two perpendicular to it. (d) In myoglobin and hemoglobin, one of the perpendicular coordination bonds is bound to a nitrogen atom of a His residue. The other is "open" and serves as the binding site for an O2 molecule, as shown here in the edge view.
❖ 别构效应是指含亚基的蛋白质分子 由于一个亚基构象的改变而引起其余 亚基以至整个分子构象、性质和功能 发生变化。
血红蛋白的协同性氧结合
р4(O2)
Y=
р4(O2)+ K
Y
1–Y
=
р4(KO2)
log﴾1–YY﴿ = 4log р(O2)—logK Hill 方程表达式
血红蛋白的协同性氧结合
рn(O2)
0.08nm
0.06nm 0.021nm
血红蛋白的别构效应(变构效应) （allosteric effect）
氧合作用显著改变Hb的四级结构，血红素 铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换 （从T态→R态） 血红蛋白存在：T态（tense state）
R态（relaxed state） 亲和性不同： T态去氧Hb的主要构象，氢 键和盐键起稳定作用； R态氧合Hb的主要 构象。
粘性疏水斑点
O2 脱氧HbS
O2 疏水位点
血红蛋白分子凝集
镰刀状细胞Hb的治疗性矫正
❖ 研究发现在体外用氰酸钾(KCNO)处理镰刀 状贫血病患者的红细胞，可以防止它在脱 氧状态下形成镰刀状。这种细胞生存时间 比处理前要长，输氧能力也有好转。HbS 分子的一个氨基用KCNO修饰后就能抑制红 细胞成镰刀状，这一反应同CO2与HbA结合 类似，CO2也能结合到N端NH2上，只是反应 可逆，而KCNO的修饰是不可逆的。
H b A 胰 蛋 白 酶 2 8 肽 段 双 向 电 泳 层 析 HbS 2 8 肽 段
HbA β-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys… HbS β-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…
含氧-HbA
含氧HbS
Val 取代Glu
NA1
肌红蛋白
存在于肌肉中，心肌含量 特别丰富。是分子量为16700 的小分子球状蛋白质，由153 个氨基酸残基及一个血红素组 成。鲸肌红蛋白的三级结构研 究获得成功 ，是第一个获得 完整构象的蛋白质。它有8段 α螺旋结构,A、B、C、D、E、 F、G、H。整条肽链折叠成紧 密球状分子，疏水侧链大都在 分子内部，极性带电荷的则在 分子表面，因此水溶性好。