1、第四節(jié)蛋白質結構與功能的關系一、肌紅蛋白的結構與功能二、血紅蛋白的結構與功能三、免疫系統(tǒng)與免疫球蛋白四、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮1一、肌紅蛋白的結構與功能（一）肌紅蛋白的三級結構肌紅蛋白（myoglobin，Mb）是哺育動物細胞主要是肌細胞貯存和分配氧的蛋白質。Mb由一條多肽鏈和一個輔基血紅素組成。除去血紅素輔基的肌紅蛋白稱為珠蛋白，與血紅蛋白的亞基在氨基酸序列上具有明顯的同源性。2Mb分子中多肽主鏈由長短不一的8段直的螺旋組成，8段螺旋分別命名為A、B、C、H，相應的非螺旋肽段稱為NA、AB、HC。8個螺旋段大體上組裝成兩層，構成肌紅蛋白的單結構域。拐彎處螺旋受到破壞。Mb的整個分子

2、致密結實，分子內部只有能容納4個水分子的空間。含親水側鏈基團的氨基酸殘基幾乎全部分布在分子表面，疏水側鏈的氨基酸殘基幾乎全部埋在分子內部。3（二）輔基血紅素某些過渡金屬的低氧態(tài)（Fe2+和Cu+）具很強的結合氧傾向。進化過程中肌紅蛋白血紅蛋白以Fe（）作為氧結合部位，血藍蛋白用Cu（）。肌紅蛋白血紅蛋白家族中Fe由原卟啉固定。原卟啉是四吡咯環(huán)系統(tǒng)。4ChlorophyllHemoglobin原卟啉屬于卟啉類，有很強的著色力。血紅蛋白中的鐵卟啉使血液呈紅色，葉綠蛋白中的鎂卟啉使植物呈綠色。原卟啉與鐵的絡合物鐵原卟啉稱血紅素（heme）。Fe有6個配位鍵，其中4個與四吡咯環(huán)的N原子相連，另兩個分布

3、于卟啉環(huán)面的上下。Fe原子可以是亞鐵或高鐵氧化態(tài)，其中只有亞鐵態(tài)的蛋白質才能結合氧。5（三）O2與Mb的結合Mb中血紅素鐵在第5配位鍵與珠蛋白第93位His的咪唑N結合，當Mb成為MbO2時，第6配位被O2占據(jù)，但去氧后第6配位位置空著。在高鐵Mb中氧結合部位失效，H2O代替O2填充該部位。6游離在溶液中的鐵卟啉結合CO比結合O2強25 000倍，但在肌紅蛋白中血紅素對CO的親和力僅比O2約大250倍。這里CO的直線結合受到阻礙主要是遠側His的空間位阻造成的。在血紅素基的氧結合部位一側，還有另一個His殘基（第64位），與氧分子能緊密接觸。被結合的氧分子夾在His咪唑環(huán)N和Fe原子之間。氧結

4、合部位是一個空間位阻區(qū)域。7肌紅蛋白和血紅蛋白在進化中形成的多肽微環(huán)境至少有3個作用：（1)固定血紅素基；（2)保護血紅素鐵免遭氧化；（3)為O2提供一個合適的結合部位。（四）O2的結合改變Mb的構象在去氧Mb中Fe離子只有5個配體，并位于離卟啉環(huán)平面上方0.055nm處，鐵卟啉呈圓頂狀。當與O2結合時，鐵離子被拉回到離卟啉環(huán)平面只有0.026nm處，鐵卟啉變成平面狀。這一微小的移動顯著影響血紅蛋白的性質，改變血紅蛋白四聚體內亞基亞基相互作用。亞基關系上的這些變化是血紅蛋白具有別構性質的基本原因。8（五）Mb的氧合曲線Mb+O2 MbO2 令: 氧飽和度（1）將（2）帶入（1）式，得：可推得：

5、則（2）9 Y 對 Po2 作圖得 氧合曲線肌紅蛋白的Hill曲線斜率=1-logKlogPO2logLogY/(1-Y)=0時的斜率稱Hill系數(shù)（nH)10二、血紅蛋白的結構與功能血紅蛋白（hemoglobin，Hb）的主要功能是在血液中結合并轉運氧氣。紅細胞成熟期間產生大量的Hb（含3億個Hb），Hb以高濃度（約34）溶于紅細胞溶膠中。動脈血中Hb約為96%氧飽和度，靜脈血中則為64%。向組織釋放6.5mlO2/100ml血液。11（一）Hb的結構1.Hb的亞基組成脊椎動物的Hb由4個多肽亞基組成，兩個亞基，兩個亞基。每個亞基都有一個血紅素基和一個氧結合部位。胎兒血紅蛋白（Hb F）對氧

6、的親和力增高，能有效地通過胎盤從母體的血循環(huán)中吸收氧。12成人： HbA： 22 98% ， HbA2： 22 2% 胎兒： HbF 22早期胚胎： 2213142.Hb的三維結構分子近似球形，整個分子形成C2點群對稱。4個血紅素輔基分別位于每個多肽鏈的E和F螺旋之間的裂隙處，并暴露在分子表面。15Hb的鏈和鏈的三級結構與Mb的三級結構非常相似，這表明似乎十分不同的氨基酸序列也能夠規(guī)定出非常相似的三級結構。不同種屬的Hb氨基酸序列中有9個位置的殘基是共有的，這些高度保守的殘基對Hb的功能有著特殊重要的意義。Hb內部非極性氨基酸殘基的位置變化較大，但只是一種疏水殘基被換成另一種疏水殘基，分子內部

7、的疏水特性總是被保留下來。16（二）氧結合引起的Hb構象變化1.氧結合顯著改變Hb的四級結構HbO2與Hb在四級結構上有顯著不同，特別是亞基的相互作用發(fā)生變化。接觸 裝配接觸(11 和22) 滑動接觸(12和21)172.血紅素鐵的微小移動導致Hb構象的轉換氧合過程中鐵原子位移引發(fā)的構象改變O2F8Histidine空間排斥Feme Fe2+移動時，拖動HisF8殘基,并進而引起螺旋F和拐彎EF和FG的位移。這些移動傳遞到亞基的界面，引發(fā)構象的重調，導致四級結構的改變。（TR）F HelixFemeFeF8HistidineO2EFFG18脫氧血紅蛋白亞 基間的交聯(lián)鍵193.HbO2與Hb代表

8、不同的構象態(tài)血紅蛋白存在兩種主要的構象：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)）。O2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R態(tài)。O2與一個處于T態(tài)的血紅蛋白亞基結合將引發(fā)構象由T態(tài)轉變?yōu)镽態(tài)。20（三）Hb的協(xié)同性氧結合Hb的氧合具有正協(xié)同性同促效應，一個O2的結合增加同一Hb分子中其余空的氧結合部位對O2的親和力。Mb和Hb的氧合曲線比較Hb氧合曲線為S形。Hb+O2 Hb(O2)4 令: 氧飽和度（1）將（2）帶入（1）式，得：可推得：則（2）21nH=1,無協(xié)同性nH1,正協(xié)同性nH1,負協(xié)同性22Hb的輸氧功能Mb的儲氧功能Hb氧合協(xié)同性使得它更有效地起著輸送氧氣的作用。23血紅蛋白P

9、50=26 torr，肺泡氧壓：Po2 =100 torr ， Y=0.97 肌肉毛細血管：Po2 =20 torr， Y=0.25釋放氧： Y=0.970.25=0.72肌紅蛋白（無協(xié)同效應）：Y不足0.124（四）H+、CO2和BPG對Hb結合氧的影響1. H+、CO2促進O2的釋放25Bohr效應：pH下降使得Hb的氧分數(shù)降低。Bohr效應具有重要的生理意義。26272.BPG降低Hb對O2的親和力DPG在脫氧Hb中的結合位點DBG binding siteBPG與Hb的相互作用屬于異促別構調節(jié)。BPG把兩個鏈交聯(lián)在一起，穩(wěn)定Hb的T態(tài)構象，促進氧的釋放。28BPG對Hb的變構效應物功能

10、BPG濃度的調節(jié)（濃度升高）對肺中O2的結合影響不大，但對組織中O2的釋放影響不小。29BPG的別構效應BPG是血紅蛋白的負效應物。BPG（2,3-二磷酸甘油酸）通過與它的兩個亞基形成鹽鍵穩(wěn)定了血紅蛋白的脫氧態(tài)的構象，因而降低脫氧血紅蛋白的氧親和力。無BPG時，P50=2 torr，BPG=4.5mM時，P50=26 torrBPG進一步提高了血紅蛋白的輸氧效率。在肺部，PO2超過100torr，因此，即使沒有BPG，血紅蛋白也能被飽和，在組織中，PO2低，BPG降低血紅蛋白的氧親和力，加大血紅蛋白的卸氧量。（1）高山適應和肺氣腫的生理補償變化：BPG升高。（2）血庫儲血時加入肌苷可防止BPG

11、水平的下降。30 氧的S形曲線結合，Bohr效應以及BPG效應物的調節(jié)使得血紅蛋白的輸氧能力達到最高效應。同時由于能在較窄的氧分壓范圍內完成輸氧功能，因此使肌體的氧水平不致有很大的起伏。此外血紅蛋白使肌體內的pH也維持在一個較穩(wěn)定的水平。 血紅蛋白的別構效應充分地反映了它的生物學適應性、結構與功能的高度統(tǒng)一性。31三、免疫系統(tǒng)與免疫球蛋白免疫(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。在生理水平上免疫系統(tǒng)對入侵的反應或應答（respone）是多種類型的蛋白質、分子和細胞之間的一套復雜而協(xié)同的相互作用，然而在

12、個別蛋白質水平上免疫反應是配體與蛋白質可逆結合的一個生化系統(tǒng)。32免疫系統(tǒng)體液免疫系統(tǒng)：針對細菌感染、胞外病毒以及進入生物體的外來蛋白質。細胞免疫系統(tǒng)：破壞被病毒感染的細胞、某些寄生物和外來的移殖組織。（一）抗原、抗體和免疫球蛋白的概念33免疫反應主要涉及淋巴細胞和巨噬細胞。淋巴細胞B細胞T細胞TH細胞TC細胞能引起免疫反應的任何分子或病原體稱為抗原（antigen）。一個復雜的抗原可以被若干個不同的抗體結合。34當外源物性物質，如蛋白質、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、顆粒（細菌、細胞、病毒）進入人或動物體內時，機體的免疫系統(tǒng)便產生相應的免疫球蛋白（immune globin），并以之結合

13、，以消除異物的毒害。此反應稱為免疫反應，此異物便是抗原(antigen) ，此球蛋白便是抗體(antibody) 。抗體的特點：高度特異性；多樣性353637 IgG IgA IgM IgD IgE重鏈類別輕鏈類別 或 或 或 或 或鏈的組成 （二）人免疫球蛋白的分類38（三）免疫球蛋白結構和免疫系統(tǒng)39404142IgM的一級結構43IgG的空間結構44IgG與抗原形成 的交聯(lián)晶格45H鏈蘭色，L鏈黃色，E綠色（分子中一個Glu為紅色）溶菌酶與抗體 Fab片段結合模型46B細胞和T細胞上抗原的膜受體B細胞TH細胞TC細胞CD4CD8T細胞受體T細胞受體受體 （膜結合抗體）細胞膜細胞膜47MH

14、C蛋白質分子圖解MHC-I蛋白內側1結合抗原肽的裂隙結合抗原肽的裂隙2 - 微球蛋白232112內側外側外側質膜質膜MHC-II蛋白48抗原呈遞細胞上的MHC蛋白-抗原肽復合物與T細胞上的T-細胞受體的相互作用MHC-II蛋白MHC-I蛋白抗原呈遞細胞CD8或CD4抗原肽T細胞受體（巨噬細胞、B細胞或靶細胞）CD3蛋白復合體T細胞4950（四）多克隆抗體和單克隆抗體如果給動物注射抗原,雖然抗原與各種抗體產生細胞的親和性有所不同,但是還是有大量抗體產生細胞將與之結合,結果血液中出現(xiàn)的抗體源于數(shù)種不同的細胞克隆，這些抗體就是多克隆抗體（polyclonal antibodies）。如果可以分離到抗

15、體產生細胞的單克隆，然后使所有的抗體均來自同樣的克隆，這樣制備的抗體稱為單克隆抗體（monoclonal antibodies）。由于單抗細胞的壽命有限，嚴重限制了單抗的常規(guī)制備。1975年，Milsetein和Kohler創(chuàng)建了不受限制地大量制備針對特異抗原的單抗技術，將可產生專一性抗體的B淋巴細胞與具有無限繁殖能力的惡性淋巴瘤細胞（骨髓瘤細胞）融合，融合體稱為雜交瘤，它既可以永久地培養(yǎng)，又可分泌大量的均一的抗體。由于用這個技術產生的抗體具有很高的專一性，現(xiàn)已成為研究的常用工具。51四、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮肌肉可看作一種特別富含細胞骨架的效力非常高的能量轉換器，它直接將化學能轉變?yōu)闄C械能。（一）肌纖維的結構52（二）肌原纖維的構成53（三）骨骼肌的相關蛋白1.肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都屬于該家族，其頭部具ATP酶活力,沿微絲從負極到正極進行運動。Myosin ：主要分布于肌細胞，有兩個球形頭部結構