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Chapter 6 蛋白质的功能和进化 2010.09.07 蛋白质的主要功能和几个概念 • 多样性和特异性 • 配体（ligand):和蛋白质可逆结合的分子 • 结合部位(binding site):蛋白质上结合配体 的部位，在大小、形状、电荷、亲/疏水性 上与配体互补，体现了蛋白质-配体结合的 专一性 肌红蛋白和血红蛋白 • 肌红蛋白（myoglobin,Mb），存在于哺乳动物肌 肉中贮存和运送氧的蛋白质 • 血红蛋白（hemoglobin,Hb），存在于哺乳动物 血液里贮存和运送氧的蛋白质 • 肌红蛋白和血红蛋白结构、功能相似 （一）血红素 吡咯环 亚铁原卟啉 （二）珠蛋白的三级结构 Mb脱辅基蛋白质称为珠蛋白（globin) （三）Mb有一个氧分子结合位点 近端组氨酸和远端组氨酸的功能 空间位阻 Myoglobin 结合氧分子改变了肌红蛋白的构象 去氧肌红蛋白Fe离子在结合氧气后，被拉入卟啉环 平面 空间位阻的作用：降低CO对血红 素的亲和力 CO对血红素的亲和力/ O2对血红素的亲和力 游离血红素 25 000 和珠蛋白结合的血红素 250 （四）血红蛋白的四级结构 • 血红蛋白有四个亚基，2个a亚基，2个b亚基，是 杂四聚体 • a亚基有141个残基， b亚基有146个残基，完全一 致的氨基酸不超过50% • 在三维结构上，各亚基非常相似，而且和肌红蛋 白也十分相似 Human Hemoglobin Identity between Hba and Hbb: < 50% Number of identity AAs among Mb, Hba and Hbb: 27 Hemoglobin ——迥异的氨基酸序列能导致非常相似的三维结构 Hemoglobin 装配接触面 滑动接触面 BPG结合 部位 结合氧分子后，a1b1 (a2b2) 装配接触面保持不变，但 a1b2 (a2b1) 滑动接触面发生改变，Hb半分子以自身为 单位彼此旋转和滑移 血红蛋白质的功能：转运氧 • 氧进入线粒体的途径 1）静脉血中的红细胞从肺气泡中吸收O2 2）吸收了O2的红细胞随动脉血流到组中的毛细血 管中 3）O2从红细胞扩散到组织细胞中 4）进入细胞的O2扩散到线粒体中， 在肌细胞中肌红蛋白协助O2的扩散（O2和肌红蛋 白结合，肌红蛋白在细胞质里扩散） 肌红蛋白质是氧的贮库 Mb+O2 MbO2 K=[Mb][O2]/[MbO2] [MbO2]/ [Mb]= [O2]/K MbO2占肌红蛋白分子总数的分数（Y） Y=[MbO2]/ ([Mb]+[MbO2]) Y=[O2]/ (K+[O2]) Y=p(O2)/ (K+p(O2)) Y P50:肌红蛋白被氧半饱和时的氧分压 血红蛋白质氧和的协同性和别构效应 • 别构效应：一个配体和蛋白质上的一个结合部位的 结合影响同一个蛋白质上其他结合部位的亲和力 • 同促效应：发生相互作用部位是同种的 • 异促效应：发生作用的部位是不同种的，即正常配 体的结合行为受另一个配体（调解物）与另一结合 部位结合的影响 同促别构效应 异促别构效应 正协同 配体-结合 部位 效果 负协同 同种配体和同种结合部位 相结合 蛋白质对配 体的灵敏度 S型配体结合曲线 蛋白质对配 体的灵敏度 不同种配体和其相 应的不同种结合部 位相结合 血红蛋白的配体结合曲线 Hemoglobin R state and the T state • R state (松弛态, relaxed state)----oxyhemoglobin （氧合血红蛋白） • T state (紧张态, tense state)----deoxyhemoglobin （去氧血红蛋白） • R态对氧分子的亲和力明显高于T态, 氧的结合也 稳定了R态 稳定T态的部分盐桥 Hemoglobin Hill方程 q或Y值越高，说明蛋白质对配体的亲和力越高 肌红蛋白和血红蛋白的Hill图 血红蛋白从肺泡到组织中Y值的变化 • 肺泡里，氧气压力约为13.3 kPa，血红蛋白需要装载 氧气 • 在组织里，氧气压力约4 kPa，血红蛋白需要卸载氧气 Q：如果血红蛋白一直以很高的亲和力吸附氧气的话， 即Y值接近1,那么在组织中，氧气的卸载就很困难；如 果血红蛋白对氧气的亲和力很低，即Y值接近0，那么 在肺泡里，血红蛋白很难有效的装载氧气，血红蛋白 如何解决这个问题呢？ A：血红蛋白各亚基之间的正协同效应 Hemoglobin Hemoglobin 血红蛋白的几种调节物 （一）2,3-二磷酸甘油酸（BPG）——血红蛋白的 负异促效应物（别构抑制剂） 以高浓度存在于血红细胞中 Hemoglobin 每个血红蛋白分子结合一分子的BGP 结合氧分子后 BGP binding site Hemoglobin 4 ( )4 •BPG降低了血红蛋白对氧分子的亲和力 •BPG帮助人体对海拔高度改变的适应 Hemoglobin 当正常人从低海拔到高海拔时，红细胞内的BPG 浓度上升，使肺泡到组织的氧气释放量维持在40% 换严重阻塞性肺气肿的病人，红细胞内的BPG浓 度上升，也有利于氧气在组织中的释放 Hemoglobin （二）H+和CO2调节Hb对氧分子的亲和力：Bohr效应 carbon anhydrase Binding of O2 in lungs with release of H+ and CO2. Release of O2 in peripheral tissues Hemoglobin 血红蛋白对O2的结合和对CO2或（H+）的结合是相 拮抗的 Bohr效应：H+浓度增加（pH下降）时，Hb氧分子 的饱和曲线向右移动 Bohr效应的作用： 当血液流经组织时，pH较低，使组织能比单纯的 p(O2)降低获得更多的氧分子，而氧分子的释放又 利于CO2和H+对血红蛋白的结合，以补偿由于组织 呼吸导致的H+浓度升高，起到缓冲血液pH的作用； 当血液流经肺部时， p(O2)较高，有利于CO2和H+ 的释放，以及血红蛋白对O2的结合 小结 各亚基之间的正协同效应、BPG的异构效应和Bohr 效应使血红蛋白的输氧能力达到最高的效率；并且 使机体内pH值维持在一个较稳定的水平上 血红蛋白的别构效应充分反映了蛋白质结构和功能 上的高度统一 Hemoglobin CO: 悄无声息的杀手 • CO占据了O2的结合位点 • CO和血红蛋白的结合，增加了血红蛋白对O2的亲和力， 使O2在组织中很难释放 • CO和其他一些具有血红素的蛋白质结合，影响它们的正 常功能 Hemoglobin Biochemistry in Life 血红蛋白分子病 （一）镰刀状细胞贫血病（sickle-cell anemia) Hemoglobin 镰刀状细胞贫血病是由于编码血红蛋白b亚基的基因发生 突变引起的，该突变使b亚基的一个氨基酸残基改变了 （Glu→Val ） ① 具有该突变的血红蛋白（Hb S)比正常的血红蛋白(Hb A)的pI值要高 ② Hb S的溶解度比Hb A的要低 ③ Hb S容易和另一个Hb S借疏水作用聚集而形成纤维状 晶体沉淀，这种纤维状晶体沉淀压迫细胞膜，使细胞弯曲 成为镰刀状 Hemoglobin 这种集聚反应只发生在 去氧血红蛋白上 Hemoglobin 治疗镰刀状细胞贫血病 H Hb S链末端-NH3++ N=C-OHb S链末端-N-C-NH2 ║ O 减少血红蛋白分子对CO2和BPG的亲和力，而增加 对O2的亲和力，使去氧血红蛋白减少，分子间聚 集程度降低，从而减缓镰刀状细胞的症状 Hemoglobin • 仅有1%的携带Hb S突变基因的杂合子会在去氧情 况下，表现成镰刀状细胞的症状。这些患者如果避 免剧烈运动或者不对循环系统施加额外的压力，可 以正常生活。 • 携带有Hb S突变基因的杂合子，在非洲一些部落 中的比例较其他地区高，可能和该地区流行疟疾有 关（镰刀状细胞可能比正常形状的血细胞在遭到疟 原虫感染时，易破碎，防止了虐原虫在细胞内的繁 殖） Hemoglobin （二）a-和b-地中海贫血病（Thalassemias) • 地中海贫血主要是由于无法合成一个或多个血 红蛋白亚基所导致的 • 导致缺陷的几种原因 ①基因缺失 ②无义突变或移码突变 ③突变发生 在基因编码区之外，但影响了转录或mRNA的加工 a链缺陷，表现为a-地中海贫血症状：血红蛋白 为同聚体，无协同效应或别构效应 b链缺陷，表现为b-地中海贫血症状：幼年可由胎 儿g链代偿，但无法活到成年 Immunoglobulins 免疫球蛋白 体液免疫 (humoral immunity) 细胞免疫 (cellular immunity) 抗原 （antigen） 抗原决定簇（表位）（epitope） 半抗原 （hapten） 抗体 具有多样性和特异性 IgG 反平行b桶 基于抗体-抗原相互作用的生化分析方法 多克隆抗体(polyclonal antibody)：识别一个抗原的不 同抗原表位的多种抗体的混合物 用抗原免疫动物后获得的血清 单克隆抗体(monoclonal antibody)：识别一个抗原特 定抗原表位的一种抗体 酶联免疫吸附测定 ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) 蛋白质免疫印迹测定 Western blot (immunoblot assay) 氨基酸序列和进化 同源蛋白质 (homologous protein) 不变残基 (invariant residue) 可变残基 (variant residue) 同源蛋白质具有共同的进化起源 基因复制(duplication)