蛋白质的结构与功能

第6章蛋白质结构与功能的关系蛋白质的生物功能是以其化学组成和结构为基础的。蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境。蛋白质结构与功能关系的一般原则（1）每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。一旦结构（特别是高级结构）破坏，其功能随之丧失。（2）蛋白质的高级结构决定蛋白质的功能。（3）蛋白质的一级结构决定其高级结构，因此，最终决定了蛋白质的功能。（4）一级结构相似的蛋白质具有相似的功能。（5）功能相似的蛋白往往能显示它们在进化上的亲缘关系，这是研究分子进化的基础。（6）许多疾病是蛋白质三维结构异常引起，属于构象病。（例如囊性纤维变性，镰状红细胞贫血和疯牛病）1.血液凝固的生化机制血液中包含着对立的两个系统：凝血系统和溶血系统。这两个系统的相互制约既保证血液在血管中的畅通无阻，又保证血管破裂能及时堵上。凝血系统包括13个凝血因子，这些因子以前体形式存在。动物受伤而流血时，这些前体将在其他因子的作用下被激活，使血液迅速凝固而将伤口封闭。一级结构的局部断裂和蛋白质激活凝血过程的主要环节（1）血浆中的凝血酶原受到血浆和血小板中的一些因子的激活而形成凝血酶；（2）血浆中纤维蛋白原在凝血酶的激活下变为不溶性纤维蛋白网状结构，而使血液变成凝固。凝血酶原：是一种糖蛋白，分子量为66000，含有582个氨基酸残基。在凝血酶原致活物的催化下，凝血酶原分子中的二肽键发生断裂，释放出分子量为32000的氨基末端片断，形成有活性的凝血酶。断裂位点：Arg-Gly2.胰岛素的激活胰岛素是胰岛的β细胞内质网的核糖体上合成的。最初是比胰岛素分子大一倍的单链多肽，称胰岛素原。胰岛素原可以看成是由一条连接肽，简称C肽的一端通过两个碱性氨基酸残基与胰岛素A链的N末端相连。另一端通过另外两个碱性氨基酸残基与B链的N末端相连。前胰岛素原比胰岛素原在N末端上多一段肽链，称信号肽，含20个氨基酸残基。信号肽的主要作用是引导新生多肽链进入内质网腔。特异的肽酶将胰岛素原激活为胰岛素。（一）蛋白质一级结构与功能的关系1.种属差异不同有机体中执行同一功能的蛋白质的氨基酸排列顺序存在十分明显的种属差异。例1胰岛素来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结构都是由51个氨基酸组成，但排列顺序有差异。主要差异在A链小环的8、9、10和B链30位氨基酸残基。这4个氨基酸的改变不影响胰岛素的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位置是固定不变的，其对胰岛素的功能十分重要。不同哺乳动物的胰岛素分子中的氨基酸差异例2细胞色素C（cytC）广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中，是一种与血红素辅基相结合的单链蛋白质，在生物氧化中起重要作用。亲缘关系越近cytC组成和结构的相似性越大，从而为生物的进化提供了证据。与功能密切相关的氨基酸序列是不变的。表不同生物与人的细胞色素c相比较的氨基酸差异数目正常红细胞镰刀状红细胞血红蛋白分子病1、引起镰刀状红细胞贫血病的原因：HbAH2NVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysCOOHHbSH2NVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-LysCOOH链123456782、分子病：指某种蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常的有所不同引起的的遗传病。镰刀状细胞血红蛋白的构象变化研究表明，HbS和HbA在氧合状态下没有多大区别。但在脱氧情况下，HbS的溶解度剧烈下降（1/25HbA）。HbAH2NVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOHHbSH2NVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-COOH形成分子表面的疏水小区正常人的HbA的β链第六位是Glu，而病人（HbS)则被Val取代（遗传密码由CTT→CAT)。每种蛋白质分子都具有特定的结构来行使特定的功能，即使是一级结构个别AA的变化也能引起功能的改变或丧失。当Glu被Val取代后，由于Glu的侧链是带负电荷的羧基，Val的侧链是不带电荷的疏水基，因此这种改变显著降低了血红蛋白的溶解度，使患者的血红蛋白分子容易聚集成纤维状血红蛋白，导致红细胞收缩变形成镰刀状，输氧能力下降，细胞脆弱易破碎，引起头晕、胸闷等贫血症状。（二）蛋白质构象与功能的关系别构现象（allostericeffect）：蛋白质的构象并不是固定不变的，当有些蛋白质表现其生物活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象就称为别构现象（别构效应、变构效应）。具有这种现象的蛋白质叫别构蛋白。肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的三级结构1、肌红蛋白是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质2、肌红蛋白由一条多肽链（称为珠蛋白）和一个辅基血红素分子组成，多肽链主链由8段螺旋组成：A、B、C、D、E、F、G、H；共153个AAMb在肌肉中贮存氧气肌红蛋白三级结构图示X-射线结晶学的三个阶段：分辨率0.6nm多肽主链的折叠和走向分辨率0.2nm可以辨认分子的侧链基团分辨率0.14nm识别所有的氨基酸1963年，Kendrew（三）氧与肌红蛋白的结合一级结构：由一条肽链组成，含有153个氨基酸残基；非共价结合一分子血红素辅基。血红素由原卟啉和Fe2+组成。Fe2+可以形成6个配位键，其中4个是与原卟啉上的吡咯环的N原子形成的，1个是与肽链F螺旋上的His的咪唑基（HisF8）形成的。O2可以通过第六个配位键可逆地与Fe2+结合。二价态的血红素铁结合O2三价态的血红素铁不能结合O2NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+二级结构：共有8段α-螺旋，它们约占全部序列的75%，按照N-端到C-端的次序，被依次编号为A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之间是短的小环。有四个螺旋终止于Pro残基。某些螺旋为两亲螺旋。三级结构：整条肽链折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋，口袋的侧面由E螺旋和F螺旋组成，底部由G螺旋和H螺旋组成。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的HisF8形成的配位键而“藏”在洞中。该口袋允许O2进入而阻止H2O的进入，既保证了Fe2+结合O2又可防止Fe2+被氧化成Fe3+。如果Fe2+被氧化成Fe3+则氧气不能再与血红素结合。CO与O2差不多大，因此也能与血红素结合。CO的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止O2与血红素的结合。卟啉症F8His的咪唑基亚铁离子与氧结合不被氧化这由肌红蛋白内部疏水环境决定氧与肌红蛋白结合的整体结构氢键肌红蛋白多肽链形成的微环境有三个作用：固定血红素辅基；保护血红素铁免遭氧化；为O2提供一个合适的结合部位。血红素与CO结合肌红蛋白中血红素与CO亲和力比O2大250倍二、血红蛋白结构与功能的关系血红蛋白的主要功能：在血液中结合并转运氧气。研究血红蛋白结构与功能的关系：主要是研究血红蛋白如何与氧分子的结合作用。Hb在血液中运输氧气血红蛋白的结构（1）血红蛋白组成：1.4个多肽亚基，两个是亚基(141AA)，两个是亚基(146AA)；2.4个血红素基，每个亚基共价结合一个。每个亚基和亚基在三级结构上与肌红蛋白(153AA)极为相似。血红蛋白的结构（2）血红蛋白完整的三维结构图氧结合改变血红蛋白的构象*去氧血红蛋白每个亚基中Fe(‖)离子只有5个配体，并位于卟啉环上方，因此铁卟啉环呈圆顶状。HisF8与Fe(‖)配位，空间位阻迫使Fe-N键略倾斜于血红素卟啉环。*当与氧结合后，Fe(‖)将被拉回卟啉环平面，卟啉环变成平面，同时牵动HisF8，并进而引起F螺旋和拐弯EF和FG的位移。这些移动传到亚基界面，引发构象重调，从而使其它亚基易于和氧结合。血红蛋白的T态和R态T态=与氧气结合的亲和力低R态=与氧气结合的亲和力高T态R态亚基T态R态引起的结果*氧与一个处于T态的血红蛋白亚基结合将引发构象由T态转变为R态，此时稳定T态的那些相互作用被断裂，亚基C-末端处于完全自由旋转状态。链和链的倒数第二位都是TyrHC2。在去氧血红蛋白中这些Tyr残基的酚-OH与ValFG5提供的肽C=O形成氢键。氧合时由于F螺旋移动导致上述氢键断裂，进而连接亚基的8个盐键断裂。去氧血红蛋白中各亚基间盐键：8个去氧血红蛋白中亚基间盐键*8个盐键有6个处于不同亚基间。*6个中4个涉及C-末端或N-末端残基：链：两个;链：两个。另两个连接两链的Asp126和Arg141残基。*此外，每条链的AspFG1和HisHC3间有盐键。氧合和去氧血红蛋白不同构象态血红蛋白的协同性氧结合*血红蛋白与氧的结合具有正协同效应：即其一个亚基与氧结合后能使得其它亚基很容易与氧结合。从而其氧结合曲线呈现S形。而肌红蛋白与氧的结合则呈双曲线。肌红蛋白血红蛋白波尔效应1914年，C.Bohr发现，H+和CO2对Hb的氧合的影响是降低Hb与氧气亲和力，即H+和CO2促进Hb释放O2，这样的效应被称为波尔效应。产生波尔效应的原因是H+和CO2能够与Hb特定位点结合而促进Hb从R态转变为T态。与波尔效应相关的基团有亚基的N-端氨基、亚基的His122的咪唑基以及亚基的His146咪唑基。这三个基团在Hb处于T态的时候都是高度质子化的。当氧气与Hb结合以后，质子发生解离。如果溶液中的pH降低，将有利于这三个基团处于质子化状态，从而稳定T态，抑制氧气的结合。质子浓度对血红蛋白与O2亲和力的影响CO2能够与珠蛋白的N-端去质子化的氨基可逆地反应形成氨基甲酸血红蛋白也释放出质子，从而产生波尔效应。氨基甲酸的形成导致α链与β链之间形成盐桥，有利于稳定Hb处于T态，从而降低O2的亲和力。BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低血红蛋白对氧气的亲和力从而促进氧从血红蛋白释放，以供应机体组织需要BPG是血红蛋白的别构效应物与亚基的结合部位：Val1--NH3+Lys82--NH3+His143-咪唑基BPG的影响：BPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：BPG是红细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液流经O2分压较低的组织时，红细胞中的BPG可促进氧合血红蛋白释放O2，以满足组织对O2需要。BPG浓度越大，O2的释放量越多。红细胞中BPG浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要因素。实例：在高山上；肺气肿病人；储藏血液。BPG和O2对血红蛋白的结合是排斥的Bohr效应的生理意义及其机理生理意义：血液流经肌肉时利于O2的释放和CO2的结合；流经肺部时利于CO2的释放和O2的结合。机理：氢离子与血红蛋白结合利于构成T态的盐桥形成，从而使O2释放；在肺部由于O2分压较高，促进O2和血红蛋白的结合，打断盐桥，使得氢离子和CO2释放。与氧结合时血红蛋白的变构过程亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白HbF(α2γ2)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(氧分压大大低于肺)中获取O2。之所以HbF与O2亲和力高于HbA，是因为与α亚基结合的γ亚基不能结合BPG。卷发(烫发)的生物化学基础永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemicalengineering),-角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为-构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为-角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在-构象状态，此外-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除后使肽链恢复原状(-螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。