蛋白質結構與功能的關系,前言,蛋白質的三維結構是蛋白質行使其功能的基礎球狀蛋白質的構象不是剛性的，靜止的，而是柔性的，動態(tài)的蛋白質功能總是跟蛋白質與其他分子相互作用相聯(lián)系相互作用中蛋白質構象有時發(fā)生些微的改變，有時發(fā)生劇烈的變化正是這種結構的變化賦予了蛋白質強大的功能,一、肌紅蛋白的結構和功能,153個AA8段螺旋,（一）三級結構,myoglobin，Mb,哺乳動物肌細胞貯存和分配氧的蛋白質，由一條多肽鏈和一個輔基血紅素構成。脫輔基稱為珠蛋白。,兩套位置編號，93位His又編為F8,（二）輔基,原卟啉,血紅素,蛋白質自身不能與氧發(fā)生可逆結合，需要過渡金屬的低氧態(tài)來結合氧。肌紅蛋白由原卟啉IX來固定Fe2+。,亞鐵螯合酶,Fe原子有6個配位鍵Fe原子可以是亞鐵（Fe2+）或高鐵（Fe3+）氧化態(tài)，相應的血紅素稱為亞鐵血紅素和高鐵血紅素，相應的肌紅蛋白稱為亞鐵肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白。只有亞鐵態(tài)的蛋白質才能結合O2,（三）O2與Mb的結合,93位,空間位阻,Mb:CO復合物,游離血紅素：CO咪唑復合物,游離血紅素結合CO的能力是結合氧的25000倍，但肌紅蛋白中的血紅素對CO的親和力僅比氧大250倍。有效防止代謝過程中產生的少量CO占據(jù)它們的氧結合部位。雖如此，CO含量0.060.08%即有中毒危險，0.1%則窒息死亡。,空間位阻,肌紅蛋白和血紅蛋白多肽微環(huán)境的作用,固定血紅素保護血紅素鐵免遭氧化為氧分子提供一個合適的結合部位。,（四）Mb的氧結合曲線,MbO2,Mb+O2,氧合Mb,去氧Mb,氧合Mb與去氧Mb的濃度比與氧濃度成正比,O2（肺或腮）,血紅蛋白,O2（組織）,肌紅蛋白,O2（線粒體）,Mb,氧分數(shù)飽和度（fractional satuation ）,給定氧壓下的氧分數(shù)飽和度,根據(jù)henry定律，溶于液體的任一氣體的濃度與液面上的該氣體分壓成正比。,Y值可用分光光度計法測定,Y=1 Mb被氧完全飽和Y=0.5 p(O2)=K=P50,P50 ：Mb被氧半飽和時的氧分壓,Y,Mb氧結合/解離曲線,K值,方程的實際曲線是雙曲線形氧結合曲線，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)制作的的氧結合曲線如下：,由于該雙曲線方程作圖求K值不方便，通常把方程線性化，步驟如下：,氧和血紅蛋白結合的Hill圖直線斜率是Hill系數(shù)（nH = 1.0),在log(Y/(1-Y)=0, log(O2)=logP50=-pK；也就是K=P50,二、血紅蛋白的結構和功能( hemoglobin， Hb ),1、結構：1 、2、1、2亞基,血紅蛋白在血液中結合并轉運氧氣。存在血液的紅細胞中（3億Hb/紅細胞），,脊椎動物的Hb由4個多肽亞基組成，兩個是一種亞基，兩個是另外一種亞基。每個亞基都有一個血紅素基和一個氧結合部位。,不同發(fā)育階段，亞基的種類不同。,各階段間有相當多的重疊,卟啉鐵,2.血紅蛋白的三維結構,Hb分子近似球形，所有脊椎動物的Hb都顯示基本相同的三維結構（如圖），四個亞基占據(jù)4個頂角，四個血紅素基分別位于每個多肽鏈的裂隙處。并暴露在分子表面。,肌紅蛋白 血紅蛋白 血紅蛋白,血紅蛋白的a鏈和b鏈的三級結構和肌紅蛋白鏈的三級結構非常相似。然而，事實上141個氨基酸殘基中只有27個位置的殘基對于人的這3種多肽鏈是共有的。這表明，十分不同的氨基酸序列也能夠規(guī)定出十分相似的三級結構,血紅蛋白的b鏈和肌紅蛋白鏈的三級結構十分相似,人的三種多肽鏈氨基酸序列比對結果,粉紅色表示高度保守的殘基，灰色表示在人血紅蛋白和肌紅蛋白中的保守殘基。,與血紅素的Fe2+離子相互作用的兩個His殘基是所有蛋白功能所必須的，因此是最保守的殘基。,肌紅蛋白 / 血紅蛋白 / 血紅蛋白AA序列大不相同，結構相似結構決定功能（載氧）,（二）氧結合引起的Hb的構象變化 變構脫氧血紅蛋白 氧合血紅蛋白對氧的親和力低 對氧的親和力高 1、氧合作用改變Hb四級結構,裝配接觸,滑動接觸,2211,接觸面積大,2112,可變,2.血紅素鐵的微小位移導致血紅蛋白構象的轉換,這一微小的移動具有很深的生物學后果。移動的結果導致維系去氧血紅蛋白四級結構的鏈間鹽鍵斷裂以及b-亞基之間的空隙變窄。,3、Hb的兩種不同構象態(tài),緊張態(tài) 松弛態(tài),O2和兩種構象態(tài)都能結合，但是對R態(tài)的親和力明顯高于T態(tài)，并且氧的結合更穩(wěn)定了R態(tài)。,穩(wěn)定T態(tài)的鹽鍵和氫鍵,T 型血紅蛋白肽鏈之間的8個鹽橋鏈C末端有Tyr-OH可與C=O形成氫鍵,氧的結合使穩(wěn)定T態(tài)的鹽鍵和氫鍵發(fā)生斷裂,（三）Hb氧結合曲線,對于具有n個結合L位點的蛋白P：,因此Hb的氧分數(shù)飽和度方程為：,紅色是理論曲線，藍色是實驗觀察到的曲線，紫色的是一個結合部位,S曲線是氧與Hb協(xié)同性結合的標志,Hill 方程,nH = 1非協(xié)同,nH 1正協(xié)同,nH =n完全協(xié)同,Hill系數(shù)與配體的結合,2.8,Hill方程的斜率為nH,在log(Y/1-Y)=0的附近接近一直線。因為O2與Hb的結合是協(xié)同的。在p(O2)極高或極低時都只能結合一個氧分子，因此可預測Hill曲線兩端的斜率應為1。實際上，實驗的數(shù)據(jù)確實如此。,在中間的氧分壓區(qū)域協(xié)同性最大為2.8，但不能達到亞基數(shù)目4這個值，因為完全的協(xié)同是不存在的。K4約為0.5torr而K1約為148torr，因此Hb對第4個氧的親和力約為第1個的300倍。,協(xié)同性使得血紅蛋白更能有效地輸送氧氣，協(xié)同效應，就是增加血紅蛋白在肌肉中的卸氧效率。,(R)relaxed state,(T) tense state,血中氧分子的運送：,靜脈,動脈,環(huán)境氧高時Hb 快速吸收氧分子,環(huán)境氧低時Hb 迅速釋放氧分子,釋放氧分子后Hb 變回 T state,（四）Hb結合氧的調節(jié),1、 H+、CO2促進O2的釋放,碳酸酐酶,H+Hb氧合的拮抗物pH降低時：促進氧的釋放 緩沖血液pH,組織中的代謝作用即產生H+，也產生CO2。,在氧分壓不變時，低pH能促進更多的氧釋放因此，H+可看作是Hb氧合的拮抗物。,Bohr效應,CO2與Hb的結合,氨甲酸血紅蛋白,釋放的H+有助于Bohr效應氨甲酸可形成額外的鹽橋：穩(wěn)定T態(tài) 促進氧的釋放,血紅蛋白除從肺到組織轉運全部的氧外，還轉運組織中形成的約20%總H+和CO2到肺和腎，以排出體外。,2、BPG降低Hb對氧的親和力,2，3 - 二磷酸甘油酸 Hb異促別構調節(jié)的效應物,Hb四聚體只有一個BPG結合部位4個亞基締合形成的中央空穴內,BPG,Hb高負電荷的BPG分子通過與每個b鏈的Lys b82、His b2、His b143和N-末端Val b1等殘基的荷正電基團的靜電相互作用結合于Hb分子上。,離子鍵穩(wěn)定T態(tài),4,（ ）,4,BPG對R態(tài)Hb的親和力至少比對T態(tài)Hb低一個數(shù)量級。對R態(tài)Hb的親和力順序為：HbO2Hb(O2)2 Hb(O2)3,BPG對Hb氧合曲線的影響,hemoglobin fetal Hb F ( 22 ) 對氧的親和力比成人高Ser取代His 與BPG結合能力減弱,氧合Hb中央空穴太小，容納不了BPG,BPG與Hb(O2)4不結合,酸性檸檬酸貯存血液會使BPG濃度下降，加入肌苷即可防止BPG水平的下降，因此，肌苷已廣泛用于血液的保存。,分子病：由于基因突變，導致蛋白質中氨基酸種類發(fā)生變化，并引起功能降低或喪失。鐮刀型貧血癥（sickle-cell anemia）,三、血紅蛋白分子病,鐮刀狀貧血病血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細胞，患者因此缺氧窒息,正常細胞 鐮刀形細胞,它是最早認識的一種分子病，在非洲某些地區(qū)十分流行死亡率極高由于遺傳基因突變導致血紅蛋白分子結構突變,鐮刀狀細胞貧血病的雜合子患者的壽命雖也不長，但是它能抵抗一種流行于非洲的瘧疾。自然選擇的結果使雜合狀態(tài)處于更有利的位置。,正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys -鏈 谷氨酸鐮刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys -鏈 纈氨酸,（極性） （非極性）,N,2. 鐮刀狀細胞血紅蛋白的氨基酸序列的細微變化,3. 鐮刀狀細胞血紅蛋白可形成纖維狀沉淀,纖維狀沉淀壓迫細胞膜，使之彎曲成鐮刀狀。如氧分壓低，鐮刀狀化的程度增加，某些細胞破裂后，在血管中形成凍膠狀而限制血流。從而使氧分壓進一步下降。,（三）其他血紅蛋白病,血紅蛋白突變影響下述關鍵區(qū)域之一者都可能造成嚴重后果突變發(fā)生在血紅蛋白分子表面突變發(fā)生在血紅素基的附近突變發(fā)生在特異的部位 突變發(fā)生在亞基界面上,（四）地中海貧血,地中海貧血癥可以由幾條途徑產生：缺失一個或多個編碼血紅蛋白鏈的基因；所有基因都可能存在，但一個或多個基因發(fā)生無義突變，結果產生縮短了的蛋白鏈，或產生移碼突變，致使合成的鏈含不正確的氨基酸序列所以基因都可能存在，但突變發(fā)生在編碼區(qū)之外，導致轉錄或被阻斷或前體mRNA的不正確加工,人類基因組含若干個珠蛋白基因，因此有許多種地中海貧血，其中成人血紅蛋白a和b鏈的缺失或功能錯誤能產生兩種類型的地中海貧血,b-地中海貧血b-珠蛋白基因丟失或不能被表達， 一般在幼年就死亡，雜合子癥狀較輕,2. a-地中海貧血人每個染色體上有兩個鄰接的a鏈拷貝，因此，人可以有4、3、2、1或0個a基因拷貝，僅含1個有輕微癥狀。0個則是致命性的。一般出生前或出生后不久死亡。,四、免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白,免疫（immunity）是人類和脊椎動物最重要的防御機制。免疫系統(tǒng)能在分子水平上識別“自我”和“非我”，然后破壞那些被鑒定為非我的實體。生理水平上：多種類型蛋白質，分子和細胞之間的一套復雜而協(xié)調的相互作用個別蛋白質水平上：配體與蛋白質可逆結合的一個生化系統(tǒng),（一）免疫系統(tǒng),細胞免疫系統(tǒng)：破壞被病毒感染的宿主細胞、某些寄生物和外來的移植組織。,體液免疫系統(tǒng)：針對細菌感染，胞外病毒及外來蛋白質。,骨髓,胸腺,T 淋巴細胞,巨噬細胞,B 淋巴細胞,抗體,骨髓,淋巴細胞,單核細胞,漿細胞,記憶細胞,TH細胞,TC細胞,特異抗原,MHC結合抗原,淋巴因子,胞毒活性,樹突狀細胞,與感染的宿主細胞相互作用,與巨噬細胞相互作用；分泌細胞因子,抗原特異的膜受體,在B細胞中為特異性抗體，可直接識別抗原并與之結合,在T細胞中為含有可變區(qū)和恒定區(qū)的受體，只能識別與主要組織相容性復合體（MHC）結合的抗原,人類能產生超過108種具有不同特異性的抗體，因此，任何病毒或入侵細胞表面上的化學結構都能被抗體結合,能引起免疫反應的任何分子或病原體稱為抗原,抗原決定簇；表位半抗原,（二）免疫系統(tǒng)能識別自我和非我,1、主要組織相容性復合體（major histocompatibility complex， MHC ) 膜蛋白、呈遞抗原給T細胞,免疫系統(tǒng)必須識別并破壞入侵者和異常者，也必須識別但不破壞生物體自身的正常蛋白和細胞。蛋白質抗原的檢測由MHC蛋白介導。,結合抗原肽的裂隙,MHC - I: 幾乎存在所以脊椎動物細胞表面，能結合并展示由細胞內隨機發(fā)生的蛋白質降解和更新衍生來的肽。該復合體是TC細胞的T細胞受體的識別靶。,95%以上正發(fā)育TC細胞(包括識別自身蛋白質的肽復合體細胞）都被消滅，最后只剩下能識別外來肽復合體的TC細胞群。（免疫自身耐受）,MHC II：主要存在巨噬細胞和B淋巴細胞表面，與該類細胞吞噬的外來抗原消化的肽段結合并展示在膜上。,和TC細胞一樣，TH細胞在胸腺中進行嚴格的選擇，最后只剩下能識別外來肽復合體的TH細胞群。,每個T細胞只有一個單一類型的T細胞受體。,輔受體,輔受體,TC細胞的細胞膜,幾乎所有的細胞,巨噬細胞或B細胞,TH細胞的細胞膜,存在于：幾乎所有的脊椎動物細胞表面結合并展示：細胞內隨機發(fā)生的蛋白降解 及更新衍生來的肽,(三) 在細胞表面的分子相互作用引發(fā)免疫反應,一個新的抗原經常是一個感染的先兆。少數(shù)具有能與該抗原結合的受體或抗體的淋巴細胞必須迅速而有選擇性地增殖以消滅感染。,所有的的免疫反應都涉及細胞表面分子的相互作用,TH細胞本身只間接地參與被感染細胞和病毒的破壞，但它們的作用對整個免疫反應是關鍵的。（如HIV感染的第一靶就是TH細胞）,（四）免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）的結構和類別 可溶性血清糖蛋白，1.高度的特異性；2.龐大的多樣性,（1）免疫球蛋白結構特點 兩條輕鏈（L）、兩條重鏈（H） 每條鏈都有可變區(qū)（V）、恒定區(qū)（C） 可變區(qū)都在N端 識別和結合抗原的地方,Fab：Fragment antigen binding,Fc： Fragment crystallizable,Ig G,（Fab）2和Fc,Fab（Fragment antigen binding）,Fab與抗原的結合,A、IgA：存在于身體的分泌物中,B、IgD：存在于B細胞表面,C、IgE：與過敏反應有關,D、IgM：初次免疫反應初期產生,E、IgG：體內最多的一類,（2）分類,IgM 五聚體，只存在于血液中,IgG是血液中參與免疫反應的最主要的抗體 IgG + 抗原 巨噬細胞結合、吞噬,（3）基于抗原-抗體反應的生化分析方法,多克隆抗體：是識別一個蛋白質（抗原）的不同部分（表位）的多種抗體的混合物。單克隆抗體：由同一B細胞的群體（一個克?。┖铣刹⒎置诘模R別同一表位。,抗原-抗體反應由于高度特異性已經成為許多分析和制備生化方法的核心。,如免疫擴散和免疫電泳ELISA (酶聯(lián)免疫吸附）Western blot (免疫印跡測定),ELISA,免疫印跡,樣品純化 前 后,單克隆抗體制備,五、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮,參與需能的收縮活動,肌肉組成,肌肉,肌纖維束,肌纖維,肌原纖維,（一）肌纖維的結構,肌原纖維：明帶和暗帶,肌節(jié),（二）肌原纖維由粗絲和細絲組成：粗絲（thick filament） 只分布于暗/A帶細絲（thick filament） I帶只有細絲,H區(qū)只有粗絲,肌球蛋白,肌動蛋白,粗絲和細絲均呈六角形排列,肌球蛋白,肌動蛋白的兩種形式：球狀 ( G actin)纖維狀 ( F actin),單體形式,聚合形式,K+ 、 Mg2+ 、 ATP存在時,原肌球蛋白,肌鈣蛋白 復合體,（三）骨骼肌的相關蛋白質,肌球蛋白相關蛋白質：,M盤：M蛋白、肌中蛋白和肌酸激酶,C蛋白F蛋白H蛋白,肌動蛋白相關蛋白,a-輔肌動蛋白，副原肌球蛋白,結蛋白，波形蛋白,肌連蛋白伴肌動蛋白,共同形成肌原纖維周圍的柔性絲狀網,（四）肌肉收縮的機制：肌絲滑動模型,肌肉收縮時，H區(qū)和I區(qū)寬度減小，但A帶寬度保持不變,收縮分子機制,六、 蛋白質結構和功能的進化,蛋白質的多樣性和專一化是在生物進化過程中實現(xiàn)的,原始生命原始原核生物（原始細菌，異養(yǎng)厭養(yǎng)）自養(yǎng)原核生物（藍藻，自養(yǎng)需氧）真核生物,比原核生物結構、功能復雜通過有絲分裂增殖真核細胞，有性生殖要進行減數(shù)分裂,生物進化的過程,生物的幾種進化趨勢,（1）無細胞結構 有細胞結構原核細胞結構 真核結構單細胞結構 多細胞結構（2）厭氧生物 需氧生物（3）異養(yǎng)生物 自養(yǎng)生物（4）無性生殖 有性生殖,生物的進化是從簡單到復雜的過程，那么執(zhí)行生命任務的蛋白質也同樣經歷了從簡單到多樣化和專一化的過程。,蛋白質進化的規(guī)律,新蛋白質是在舊蛋白質的基礎上，經過突變、遺傳和自然選擇的進化過程產生和發(fā)展起來的。,編碼舊蛋白基因,突變,新蛋白的基因,自然選擇,適合環(huán)境的新蛋白基因,遺傳,球蛋白的相對分子質量增加時，親水殘基和疏水殘基的相對比例會發(fā)生什么變化,答：隨著蛋白質相對