new第6章蛋白质结构与功能的关系s课件.ppt

1、YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系蛋白质的主要结构层次蛋白质的主要结构层次蛋白质多肽链中氨基蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序酸残基的排列顺序多肽链中主链原子多肽链中主链原子的局部空间排布的局部空间排布由二级结构元件构建由二级结构元件构建成的成的总三维结构总三维结构以独立折叠的球状三维实体以独立折叠的球状三维实体通过非共价键彼此缔合在一起通过非共价键彼此缔合在一起YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 二、蛋白质空间结构与功能的关系二、

2、蛋白质空间结构与功能的关系 YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 （一）一级结构是空间结构和功能的基础（一）一级结构是空间结构和功能的基础 （二）蛋白质一级结构与分子病（二）蛋白质一级结构与分子病YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系（一）一级结构（一）一级结构是空间结构和功能的基础是空间结构和功能的基础 一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能

3、能的的关关系系 天然状态，天然状态，有催化活有催化活性性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶序列规定构象序列规定构象一级结构是空间结构和功能的基础一级结构是空间结构和功能的基础YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系最早的序列分析：胰岛素蛋白质最早的序列分析：胰岛素蛋白质Insulin Chain A:8-10位存在着不同（牛，位存在着不同（牛，ASV；猪，猪，TSI；羊，；羊，AGV）(Brown et al.,1955)。一级结构相似的蛋白质功能相似一

4、级结构相似的蛋白质功能相似YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系表表-胰岛素的一级结构及种属差异胰岛素的一级结构及种属差异 位置来源氨基酸排列顺序的部分差异A8A9A10B30人苏丝异亮苏猪猪苏苏丝丝异亮异亮丙丙牛牛丙丙丝丝纈纈丙丙狗狗苏苏丝丝异亮异亮丙丙山羊山羊丙丙甘甘纈纈 丙丙马苏甘异亮丙象苏甘纈纈 苏抹香鲸苏丝异亮丙兔苏丝异亮丝YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系从细胞色素从细胞色素c c的一级结构看生物进化的一级结构看生物进化细胞色素细胞色素c c 是由是由104104个氨基酸组个氨基酸组

5、成的蛋白质。成的蛋白质。比较比较5050种不同的种不同的生物，凡与人类亲生物，凡与人类亲缘关系越远的生物，缘关系越远的生物，其氨基酸顺序与人其氨基酸顺序与人类的差异越大。类的差异越大。F 分子进化分子进化 YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系 促肾上促肾上腺皮腺皮质激质激素素39MSH 促黑激促黑激素素13一级结构不同的蛋白质功能不同一级结构不同的蛋白质功能不同YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系vMSHMSH主要作用于黑色素细胞。主要作用于黑色素细胞。v体内黑色素细胞分布于皮肤及毛发、眼球虹体

6、内黑色素细胞分布于皮肤及毛发、眼球虹膜色素层等。膜色素层等。v胞浆内的黑色素小体内含酪氨酸酶，可促进胞浆内的黑色素小体内含酪氨酸酶，可促进酪氨酸转变为黑色素、酪氨酸转变为黑色素、vMSHMSH作用主要为激活酪氨酸酶，并促进酪氨作用主要为激活酪氨酸酶，并促进酪氨酸酶合成，从而促进黑色素合成，使皮肤及酸酶合成，从而促进黑色素合成，使皮肤及毛发颜色加深。毛发颜色加深。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系Cys Tyr Ile Gln Asn Cys Pro Leu GlyCys Tyr Phe Gln Asn Cys Pro Arg GlySSSS牛

7、催产素牛加压素F 氨基酸组成变化改变其功能氨基酸组成变化改变其功能 YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系Patients symptoms:Cough,fever and headache,a tinge of yellow in whites of eyes,visible pale mucous membrane,enlarged heart,well developed physically,anemic,much less RD cells（二）蛋白质一级结构与分子病（二）蛋白质一级结构与分子病clinical test:The sha

8、pe of the red cells was very irregular,large number of thin,elongated,sickle-shaped and crescent-shaped forms.基因突变导致蛋白质基因突变导致蛋白质一级结构一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病（molecular diseasemolecular disease）。）。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系镰刀状红细胞贫血镰刀状红

9、细胞贫血Observed Normal range Red cell count 2.6106/ml 4.66.2106/ml Hemoglobin content 8g/100ml 1418g/100ml White cell count 15,250/ml 4,00010,000/ml YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系|pI of sickle-cell Hb was higher than normal one by 0.23,which is equivalent to 2 to 4 net positive charges per

10、 Hb molecule.(1949,Pauling)|2-D electrophoresis showed only one peptide of 28 digested Hb peptides is different(1954,Ingram).Identifying the causeYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系Identifying the cause正常人正常人患者患者YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系|Sequence analysis showed the differe

11、nce in AA sequence.|Hb A :Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-|Hb S :Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-Difference in primary structure of Hb S：CAT A：CTTFurther studies showed that the AA variation is due to the gene mutation.YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系正常人血红蛋白正常人血红蛋白链的第链的第6 6位氨基酸是位氨基酸是GluGl

12、u，而镰刀状细胞，而镰刀状细胞贫血病人的血红蛋白中，贫血病人的血红蛋白中，GluGlu变成了变成了ValVal，仅此一个氨基酸，仅此一个氨基酸之差，本是水溶性的血红蛋白，就聚集成不溶性的纤维束，之差，本是水溶性的血红蛋白，就聚集成不溶性的纤维束，并引起红细胞变形成镰刀状而极易破裂，产生贫血。并引起红细胞变形成镰刀状而极易破裂，产生贫血。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系蛋白质的一级结构与功能的关系蛋白质的一级结构与功能的关系|1.由较短肽链组成的蛋白由较短肽链组成的蛋白质一级结构，其结构不同，质一级结构，其结构不同，生物功能也不同生物功能也不

13、同.|2.由较长肽链组成的蛋由较长肽链组成的蛋白质一级结构中，其中白质一级结构中，其中“关键关键”部分结构相同，部分结构相同，其功能也相同；其功能也相同；“关键关键”部分改变，其功能也随之部分改变，其功能也随之改变改变。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系 （一）、肌红蛋白的结构与功能（一）、肌红蛋白的结构与功能（二）（二）、血红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系在蛋白质与其他分子的相互作用中能被它

14、可在蛋白质与其他分子的相互作用中能被它可逆结合的其他分子称为逆结合的其他分子称为配体配体。配体可以是任何一配体可以是任何一种分子，包括另一种分子，包括另一种蛋白质分子。种蛋白质分子。蛋白质上的配体蛋白质上的配体结结合部位和合部位和配体配体在大在大小、形状、电荷以小、形状、电荷以及疏水或亲水性质及疏水或亲水性质方面都是互补的方面都是互补的。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系辅基（非蛋白小分子）辅基（非蛋白小分子）+脱辅基蛋白质全蛋白质脱辅基蛋白质全蛋白质血红素血红素+珠蛋白珠蛋白肌红蛋白肌红蛋白(一一)肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能(

15、myoglobin，Mb)YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系|Mb是一个只有三级是一个只有三级结构的单链蛋白质，结构的单链蛋白质，有有8段段-螺旋结构。螺旋结构。|153 AAs|整条多肽链折叠成紧整条多肽链折叠成紧密球形分子，氨基酸密球形分子，氨基酸侧链上的疏水侧链大侧链上的疏水侧链大都在分子内部，富极都在分子内部，富极性及电荷的则在分子性及电荷的则在分子表面。表面。|Mb分子内部有一个分子内部有一个袋形空穴，血红素居袋形空穴，血红素居与其中。血红素辅基与其中。血红素辅基与蛋白质部分稳定结与蛋白质部分稳定结合。合。（16.6KD）珠蛋白珠蛋

16、白(globin)YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系某些过渡金属的低氧态（特别是Fe2+和Cu+）具很强的结合氧倾向。卟（卟（bubu）啉）啉类类(porphyrins)(porphyrins)，这，这类化合物在叶绿素、细胞色素以类化合物在叶绿素、细胞色素以及其他一些天然色素中还将遇到。及其他一些天然色素中还将遇到。血卟啉（血红素）使血液呈红色，血卟啉（血红素）使血液呈红色，叶绿蛋白中的镁卟啉（叶绿素）叶绿蛋白中的镁卟啉（叶绿素）是植物成绿色的原因。是植物成绿色的原因。卟啉是一类由四个吡咯类亚基的卟啉是一类由四个吡咯类亚基的-碳原子通过次甲基

17、桥（碳原子通过次甲基桥（=CH-=CH-）互联而形成的大分子杂环化合物，互联而形成的大分子杂环化合物，2626个个键，高度共轭体系，显色键，高度共轭体系，显色 YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系配位化合物的组成配位化合物的组成 配位键，又称配位共价键，是一配位键，又称配位共价键，是一种特殊的共价键。当共价键中共种特殊的共价键。当共价键中共用的电子对是由其中一原子独自用的电子对是由其中一原子独自供应时，就称配位键供应时，就称配位键 YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系六配位的配合物六配位的配合物

18、我（金属）提供空轨道，你提供我（金属）提供空轨道，你提供电子对电子对内轨型型外轨型型YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系肌红蛋白中血红素辅基的结构肌红蛋白中血红素辅基的结构 血红素血红素(亚铁原卟亚铁原卟啉啉)Fe()Fe()的的6 6个个配位键中配位键中4 4个与个与N N原子相连，第原子相连，第5 5个个与组氨酸结合与组氨酸结合FeFe的第的第6 6个配位键结合氧个配位键结合氧YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系肌红蛋白的功能肌红蛋白的功能肌细胞贮存和分配氧的蛋白质肌细胞贮存和分配氧的蛋白质

19、在在组织组织中肌红蛋白接纳自血红蛋白释放的氧，当中肌红蛋白接纳自血红蛋白释放的氧，当细胞中脱氧的细胞器（线粒体）大量需氧时，肌细胞中脱氧的细胞器（线粒体）大量需氧时，肌红蛋白便把贮存的红蛋白便把贮存的O O2 2分配给它们。分配给它们。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系O O2 2的结合改变肌红蛋白的构象的结合改变肌红蛋白的构象 铁原子的位置铁原子的位置与卟啉环平面与卟啉环平面的关系的关系结合氧结合氧后后发生改变发生改变His64(E7)YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系Upon oxyge

20、nation,the Fe atom is moved into the porphyrin plane,leading to the formation of a strong bond with O2.Local structural changeYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系MbO2Mb+O2解离平衡常数解离平衡常数KK=MbO2 Mb O2=MbO2 O2 或Mb KY=MbO2 Mb +MbO2 =O2 +K O2 Y=P(O2)+KP(O2)氧分数饱和度（氧分数饱和度（Y Y）：在给定氧分压下氧合肌红蛋）：在给定氧分压下氧合肌

21、红蛋白分子数占肌红蛋白分子总数的百分比白分子数占肌红蛋白分子总数的百分比YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系肌红蛋白的氧合曲线肌红蛋白的氧合曲线P(OP(O2 2)=K)=K时时Y=0.5Y=0.5，表示为表示为P P5050或或P P0.50.5P(O2)/torr氧饱和分数（氧饱和分数（Y）Y=P(O2)+KP(O2)P50定义为肌红蛋定义为肌红蛋白一半被饱和时所白一半被饱和时所需的氧分压需的氧分压YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系(二二)、血红蛋白的结构与功能、血红蛋白的结构与功能YOU

22、R SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系 Heme groupYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系Structural similarity of Mb and HbYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系 v 血红蛋白具有血红蛋白具有4 4个亚基组个亚基组成的四级结构，每个亚成的四级结构，每个亚基中间有一个疏水袋形基中间有一个疏水袋形空穴，可结合一个血红空穴，可结合一个血红素并携带素并携带1 1分子氧，分子氧，因因此此1 1分子分子HbHb共结合共结合4 4

23、分子分子氧。氧。v HbHb各亚基的三级结构与各亚基的三级结构与MbMb极为相似。极为相似。v HbHb各亚基之间通过各亚基之间通过8 8对盐对盐键键，紧密结合成亲水的，紧密结合成亲水的球状蛋白。球状蛋白。v 成人红细胞中成人红细胞中HbHb主要是主要是由两条由两条肽链和两条肽链和两条肽链组成（肽链组成（2 22 2）。）。Hemoglobin(Hb)The conserved hydrophobic core stabilizes the 3D structure.YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系4 subunits are mainta

24、ined together by 8 pairs of ionic interactions.YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系|四级结构所导致的两个特点：四级结构所导致的两个特点：|亚基的缔合出现一个空穴，它是另一配体亚基的缔合出现一个空穴，它是另一配体2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(BPG)的结合位点的结合位点|出现亚基的相互作用区域，特别是出现亚基的相互作用区域，特别是和和链之间链之间的接触界面。的接触界面。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系在从肺部经心脏到达外周组织的在从肺部经心脏

25、到达外周组织的动脉血中动脉血中HbHb约为约为9696氧饱和度氧饱和度。在。在回到心脏的静脉血中回到心脏的静脉血中HbHb仅为仅为6464氧饱和度氧饱和度。因此每。因此每100ml100ml血经过组织约释放血经过组织约释放HbHb携带的携带的1/31/3氧或相当于大气压和体温下氧或相当于大气压和体温下6.5ml6.5ml氧气氧气血红蛋白血红蛋白(HbHb)的功能的功能血细胞携带和分配氧的蛋白质血细胞携带和分配氧的蛋白质YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系Y=P(O2)+KP(O2)HbHb与与MbMb一样能可逆地与一样能可逆地与O O2 2结合

26、，结合，HbHb与与O O2 2结结合后称为合后称为氧合氧合HbHb。氧合。氧合HbHb占总占总HbHb的百分数（称的百分数（称百分饱和度百分饱和度）随）随O O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线哪个对氧的亲和能力强？哪个对氧的亲和能力强？通过亚基通过亚基-亚基相互作用亚基相互作用调节氧合能力调节氧合能力YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系一个配体一个配体与蛋白质上与蛋白质上一个一

27、个结合部位结合部位的的结合结合影响同一影响同一蛋白质上蛋白质上其他结合部分其他结合部分的的亲和力亲和力别构效应别构效应(allosteric(allosteric effect)effect)别构蛋白质别构蛋白质调节物的结合部分：调节物的结合部分：调节部位调节部位/别构部位别构部位同促：同促：O2异促：异促：BPGYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系共共8 8个盐桥，氧合时伴盐桥断裂个盐桥，氧合时伴盐桥断裂YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系1non-oxygenized Hb（T confor

28、mation）oxygenized Hb（R conformation）协同、有次序协同、有次序tense(T)relaxedYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系*别构效应具有协同性别构效应具有协同性(cooperativity)(cooperativity)促进作用促进作用称为正协同效应称为正协同效应 (positive cooperativity)抑制作用抑制作用称为负协同效应称为负协同效应(negative cooperativity)正协同同促效应正协同同促效应YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的

29、的关关系系血红蛋白的协同性氧结合（血红蛋白的协同性氧结合（HbHb氧结合曲线氧结合曲线）P(O2)/torr氧饱和分数（Y）肺泡中肺泡中P(OP(O2 2)工作肌肉毛细血管中工作肌肉毛细血管中P(OP(O2 2)血红蛋白氧合协同性具有使它血红蛋白氧合协同性具有使它更有效起运输更有效起运输氧气的作用氧气的作用S形形YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系|Hb has a lower affinity for O2 than Mb(lower P50).|The O2binding to the 1st subunit enhances the O2

30、binding to the 2nd and 3rd subunits.Such process further enhances the O2binding to the 4th subunit significantly.|Hb binds O2 in a positive cooperative manner,which enhances the O2 transport.Binding behavior of HbYOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系BPGBPG降低降低HbHb对对O O2 2的亲合力的亲合力|Hb四聚体分子中只有一个四聚体分子中只有一个BPG结合部位。位结合部位。位于四个亚基缔合形成的中央空穴内。而氧合血于四个亚基缔合形成的中央空穴内。而氧合血红蛋白（红蛋白（R态）中，中央空穴变得太小，容纳态）中，中央空穴变得太小，容纳不了不了BPG，因为，因为O2的结合引起构象变化，扰的结合引起构象变化，扰乱了乱了BPG的结合部位。的结合部位。|可表示如下：可表示如下：YOUR SITE HERE第第6 6章章蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系BPGBPG是血红蛋白的一个负异促效应物或别构抑制剂是血红蛋白的一个负异促效应物或别构抑制剂图图6-19 BPG6-19 BPG对对HbHb氧合曲线的影响氧合曲线的影响