Chapter5

ProteinStructureandFunction

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

1.熟悉肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能2.掌握血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能3.熟悉血紅蛋白分子病TheRelationofStructureandFunctionofProtein蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)

蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，特定的空間構(gòu)象主要是由蛋白質(zhì)分子中肽鏈和側(cè)鏈R基團形成的次級鍵來維持，在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的多肽鏈一旦被合成后，即可根據(jù)一級結(jié)構(gòu)的特點自然折疊和盤曲，形成一定的空間構(gòu)象。一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系P252-P253例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。一級結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位按計算殘基的改變會引起蛋白質(zhì)功能的異常。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病

Myoglobin肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)目錄P257-P258

肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)哺乳動物肌肉中儲氧的蛋白質(zhì)。

由一條多肽鏈（珠蛋白）和一個血紅素輔基組成。球狀分子，單結(jié)構(gòu)域。

8段直的α-螺旋組成，分別命名為A、B、C…H，拐彎處是由1-8個氨基酸組成的松散肽段（無規(guī)卷曲）。血紅素輔基，扁平狀，結(jié)合在肌紅蛋白表面的一個洞穴內(nèi)。SchoolofLaboratoryMedicine季敬璋SchoolofLaboratoryMedicine季敬璋12P253輔基血紅素氧飽和度

血紅蛋白上結(jié)合了氧的位置數(shù)

氧飽和度（Y）=*100%

血紅蛋白可能結(jié)合氧的位置的總數(shù)肺部的氧分壓為100，氧的飽和度達97%工作肌肉的毛細血管的氧分壓為20，氧的飽和度為25%此時，ΔY=0.97-0.25=0.72；而同樣情況下肌紅蛋白的ΔY小于0.1。血紅蛋白的輸氧效率遠比肌紅蛋白高。2、

肌紅蛋白的氧合曲線解離平衡常數(shù)：氧飽和度：MbO2＝Mb+O2K={[Mb][O2]}/[MbO2]

(1)Y=[MbO2]/{[Mb]+[MbO2]}

(2)將(1)改寫為：[MbO2]={[Mb][O2]}/K，并代入(2)得：Y=[O2]/{[O2]+K}=p(O2)/{pO2}+K}YK=p(O2)?Yp(O2)=p(O2)(1?Y)Y/(1?Y)=p(O2)/Klog[Y/(1-Y)]=logp(O2)-logK3、

Hill曲線和Hill系數(shù)

P257圖6-7Hill曲線Log[Y/(1-Y)]=0時的斜率稱Hill系數(shù)（nH)表示配體結(jié)合部位之間在結(jié)合配體時的同促效應(yīng)。肌紅蛋白的nH=1Y=0.5時，肌紅蛋白的一半被飽和，PO2=K=P50=2torr解離常數(shù)K也稱為P50，即肌紅蛋白一半被飽和時的氧壓。

25P257-P258TheNobelPrizeinChemistry1962MaxFerdinandPerutz1/2oftheprizeUnitedKingdomMRCLaboratoryofMolecularBiology

Cambridge,UnitedKingdomb.1914

(inVienna,Austria)

d.2002X-rayAnalysisofHaemoglobin"fortheirstudiesofthestructuresofglobularproteins"JohnCowderyKendrew1/2oftheprizeUnitedKingdomMRCLaboratoryofMolecularBiology

Cambridge,UnitedKingdomb.1917

d.1997

MyoglobinandtheStructureofProteinsα和β都類似于肌紅蛋白，只是肽鏈稍短：α亞基為141aa；β亞基為146aa。α和β亞基隔著一個空腔彼此相向。每一血紅蛋白分子由一分子的珠蛋白和亞鐵血紅素組成，珠蛋白約占96％，血紅素占4％。輔基血紅素肽鏈在生理條件下會盤繞折疊成球形，把血紅素分子抱在里面。血紅素分子是一個具有卟啉結(jié)構(gòu)的小分子，在卟啉分子中心，由卟啉中四個吡咯環(huán)上的氮原子與一個亞鐵離子配位結(jié)合。分子量約67000，含有四條多肽鏈，血紅素中鐵為二價，與氧結(jié)合時，形成氧合血紅蛋白。呈鮮紅色，與氧解離后帶有淡藍色。

當Hb因氧合作用而發(fā)生構(gòu)象變化時，主要是第二類接觸（滑動接觸）發(fā)生改變。如果一個αβ-二聚體固定不動，則另一個αβ-二聚體將繞一個設(shè)想的通過兩個αβ-二聚體的偏心樞軸旋轉(zhuǎn)約15°并平移0.08nm。氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象變化

珠蛋白肽鏈中第8位的一個組氨酸殘基中的吲哚側(cè)鏈上的氮原子從卟啉分子平面的上方與亞鐵離子配位結(jié)合，當血紅蛋白不與氧結(jié)合的時候，有一個水分子從卟啉環(huán)下方與亞鐵離子配位結(jié)合，而當血紅蛋白載氧的時候，就由氧分子頂替水的位置。在

Hb中那一個亞基先與O2結(jié)合呢？在α亞基中，由于O2結(jié)合部位沒有空間位阻,而在β亞基中，由于E11Val對O2結(jié)合部位的空間位阻,所以α亞基首先與O2結(jié)合。Perutz等利用X-射線衍射分析，觀察到Hb與O2結(jié)合過程中一系列的變化：

當Hb中，一個α亞基和O2結(jié)合后，使Fe++原子直徑縮小，向血紅素平面移動0.75A而全部落入卟啉環(huán)的中央空穴中。O2血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。由于Fe++的位移，拖動了HisF8，拉斷了約束Hb分子構(gòu)象的某些鹽鍵，并擠出了BPG分子，使血紅蛋白分子的四級結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。鹽鍵的斷裂也使β亞基構(gòu)象發(fā)生了一定的改變，從而排除E11Val側(cè)鏈對O2的結(jié)合部位的空間障礙，使β亞基也能與O2結(jié)合。由于鹽鍵的作用，使Hb的構(gòu)象受到了約束，導(dǎo)致了對O2的低親和力。Hb中，血紅素中Fe++配位數(shù)為5，此時，F(xiàn)e++的直徑太大，不能落入卟啉環(huán)的中的空穴中，而與血紅素平面保持0.75A。Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線Hb在體內(nèi)的主要功能為運輸氧氣，而Hb的別構(gòu)效應(yīng)，極有利于它在肺部與O2結(jié)合及在周圍組織釋放O2。造成S形曲線的原因是：血紅蛋白的分子對氧的結(jié)合具有協(xié)同效應(yīng)，即1個亞基對氧的結(jié)合促進了其它亞基對氧的結(jié)合?；蛘哒f，血紅蛋白開始結(jié)合1個氧分子時，其親和力較低，但是一旦它發(fā)生了結(jié)合，就會顯著地促進隨后的氧分子的結(jié)合。從脫氧血紅蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)檠鹾涎t蛋白需要破壞涉及血紅蛋白4個亞基的羧基端殘基間的離子相互作用,破壞這種使血紅蛋白整個結(jié)構(gòu)處于跟氧結(jié)合的低親和狀態(tài)的相互作用。對后續(xù)氧分子親和力的增加反映了這樣一個事實,即結(jié)合第一個氧分子比結(jié)合后續(xù)的氧分子需要破壞更多的離子相互作用。48*協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)

(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(yīng)

(negativecooperativity)50別構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為別構(gòu)效應(yīng)。P263Hill系數(shù)nH是協(xié)同性程度的一種量度

nH＝1表示配體結(jié)合是非協(xié)同性的，如Mb，Ｈb的游離α和β鏈nH>1表示配體結(jié)合是正協(xié)同性的，如Hb，一般nH<n;nH<1表示負協(xié)同性，但確證的例子很少

血紅蛋白是一種別構(gòu)蛋白，O2對于其一個亞基的結(jié)合受到該亞基與其它亞基間相互作用的影響。T態(tài)的脫氧Hb有專一的氫鍵和鹽橋（6個）起著穩(wěn)定作用，4個亞基的C末端處于受束縛狀態(tài)。血紅蛋白的鏈和鏈之間有最強烈和緊密的接觸，氧與T態(tài)Hb結(jié)合后，T態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)，構(gòu)象重調(diào)導(dǎo)致維系脫氧Hb四級結(jié)構(gòu)的鏈間鹽橋斷裂以及亞基之間的空隙變窄，鏈旋轉(zhuǎn)并滑動，引起生物學(xué)活性變化。55H+、CO2促進O2的釋放（Bohr效應(yīng)）

血紅蛋白上有CO2和BPG結(jié)合部位，因此，血紅蛋白還能運輸CO2

。波爾效應(yīng)的分子機制是當H+濃度增高時，主要使β-亞基C-末端的β-146His側(cè)鏈咪唑基(占波爾效應(yīng)的40％)，α亞基N－末端氨基（占25％），和α122His(占10％)以及其他組氨酸或賴氨酸的質(zhì)子化，這樣加強了鹽橋,O2不易結(jié)合。

TheeffectofpHonoxygenbinding[H+]的增高，能降低Hb對O2的親和力，使HbO2的氧解離曲線右移。TheeffectofpH,Pco2onoxygenbinding[H+]、Pco2的增高，能降低Hb對O2的親和力，使HbO2的氧解離曲線右移?？捎孟率絹肀硎具@種現(xiàn)象(Bohreffect)：

在肌肉中pH7.2H+HbO2+H++CO2HbCO2+O2

在肺內(nèi)pH7.6

BohreffectCO2分壓對血紅蛋白的氧結(jié)合親和力有影響，Pco2升高，對氧的親和力下降；血紅蛋白的氧親和力因pH降低而降低；血紅蛋白結(jié)合氧，釋放出H+，改變了pH，降低了結(jié)合CO2的能力。血紅蛋白具有緩沖血液pH的功能。CO2效應(yīng)：

CO2與N－末端的纈氨酸的氨基發(fā)生氨甲?；?，形成負電荷，可以穩(wěn)定T態(tài)。TheeffectofBPG(DPG)onoxygenbindingBPG（2,3-二磷酸甘油酸）能降低Hb對O2的親和力，使HbO2的氧解離曲線右移。生理意義：當血液流過O2分壓較低的組織時，紅細胞中BPG能明顯增加O2的釋放，以滿足組織對O2的需要。通過與它的兩個