蛋白质结构与功能的关系

一 .肌红蛋白的结构与功能

（1）肌红蛋白的功能：哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧的蛋白。

（2）肌红蛋白的结构特点： 1963年， Kendrew a .一条多肽链，153个氨基酸残基，一个血红素辅基，分子量1

6700。 b.肌红蛋白的整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共折叠成

8段较直的 -螺旋体（ A-H），最长的有23个氨基酸残基，最短的有7个氨基酸残基。

C. 拐弯处 -螺旋受到破坏，拐弯是由1—8个氨基酸残基组成的无规则卷曲，4个脯氨酸各自出现在一个拐弯处，此外拐弯处还有Ser、 Ile、 Asn、 Thr等残基。

d.具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，而带非极性侧链的氨基酸残基多分布于分子内部，使肌红蛋白成为可溶性蛋白。

HC

NA

煤气中毒的机制

一氧化碳（ CO）也能与血红素 Fe原子结合。由于 CO与血红素的结合能力是O2 的 200 倍，因此，人体吸入少量的 CO即可完全抑制肌红蛋白或血红蛋白与 O2

的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含 O2 的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的 CO 被 O2 置换出来。

（ 3）肌红蛋白的氧合曲线

（ 1 ）

（ 2 ）

（ 3 ）

（ 4 ）

(Y 代表在给定的氧压下肌红蛋白的氧饱和度 )Y=1时，表明所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白为氧饱和。

（ 3）肌红蛋白的氧合曲线

由（ 5）可见： Y=0.5时，肌红蛋白的一半被饱和， P （ O2 ） =K=P50 解离常数为肌红蛋白一半被饱和时的氧压。P （ O2 ）的单位是 torr,1 torr=1 mm Hg

（ 5 ）

Po2

Y

Y1-Y =

P(O2)K

logY

1-Y

=log P(O2) -logK

Hill系数 =1.0蛋白质或只含一个结合位点，或含有多个结合位点，而这些结合位点彼此完全独立并有相同的 K 值。Hill系数不等于1.0 ，表明蛋白质含有多个结合位点，而这些结合位点彼此有相互作用。

二 .血红蛋白 (Hb)的结构与功能（1）血红蛋白的功能：存在动物血液的红细胞中，主要功能是结合和运输 O2，还具有运输 CO2的功能；此外，血红蛋白还能和 H+结合，从而可以维持体内 pH。

（ 2）血红蛋白的结构特点：a.是四个亚基的寡聚蛋白，两个是一种亚基，两个是另一种亚基，含574 个 AA残基，分子量65000

b.成人的血红蛋白为 22（ HbA-96%）、 22 （ HbA2-2%）胎儿的血红蛋白为 22（ HbF）

c. 链由 141AA残基组成， 链由 146AA残基组成。 四种肽链的三级结构与肌红蛋白相似，各自内部有一个血红素辅基。

血红蛋白的三维结构

链由 141AA残基组成， 链由 146AA残基组成。 链和链的 H 螺旋缩短， 链还缺失一个很短的 D 螺旋。

每个亚基结合一个血红素基团，血红素位于 E 和 F 螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。

两个 链之间或两个链之间的相互作用很小，两个不同链之间的作用力最大。

不同的血红蛋白的氨基酸序列中有 9个保守氨基酸残基，对血红蛋白的功能很重要。

血红蛋白的三维结构

Hb 的氧合与构象改变

之间的接触有两类，一类是 1

1 和 22接触（主要涉及B 、 G 、 H 和 GH ），叫装配接触；另一类 12 和 21接触（主要涉及 C 、 G 和 FG ），叫滑动接触。氧合作用时，这些接触也发生变化。

血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换

与氧结合时血红蛋白的变构过程

血红素中铁原子的变化 高自旋状态 低自旋（非氧合，原子半径较大） （氧合，原子半径较小）

氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表两种不同的构象态

94 146

141 126 40

40 126 141

146 94

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

铁原子的位移 F8His 的位移 使 F 螺旋、 EF拐角及 FG 拐角发生位移 F 螺旋向 H 螺旋移动 挤出 HC2Tyr

导致四级结构的盐桥破坏 挤出DPG 分子。

（ Hb氧结合曲线）别构蛋白

蛋白质分子中不止有一个配基的结合部位（活

性部位），还有别的配基的结合部位（别构部

位）。别构蛋白都有别构效应。

血红蛋白的氧合曲线

Y—血红蛋白的氧饱和度，等于血红蛋白中被占的氧合部位除以血红蛋白中氧合部位总数。

（ Hb氧结合曲线）

H+ 、 CO2 和 BPG 对血红蛋白结合氧的影响

氧亲和力：指血红蛋白对于氧的结合牢固程度，表示为P50。（在一定氧分压下，氧亲和力越高，即氧结合越牢固。相反，氧亲和力越低，组织就能得到更多的氧供应）

H+ 、 CO2 的影响1914 年，丹麦生理学家 C.Bohr发现，高浓度的 H+ 和 CO2促使氧合血红蛋白分子释放 O2 ，而高浓度的 O2促使脱氧血红蛋白分子释放 H+

和 CO2 。——血红蛋白对 O2 、 H+ 和 CO2 结合的这种相互关系叫波耳效应 。

波耳效应 的生理意义

肌肉 pH7.2

肺泡 pH7.6

H+ 、 CO2 对血红蛋白氧合能力影响的解释

H+ 的结合部位

146-His

N-Val

122-His

使血红蛋白保持 T 态

CO2 的结合部位

四个亚基 N-末端氨基

Hb-NH2 + CO2Hb-NH-COO- + H+

氨甲酸衍生物

CO2 + H2O H2CO3HCO3 + H+-

（氧合态）

与亚基的结合部位：Val1--NH3

+

Lys82--NH3

+

His143- 咪唑基His2- 咪唑基

HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 Hb-BPG+4O2Hb(O2)4+BPG

BPG=4.5mmol/L

BPG=7.5mmol/L

BPG=0mmol/L

BPG的影响：

HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3

Hb-BPG+4O2Hb(O2)4+BPG

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氧，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

1.0

0.5

Po2

Y

有 BPG

E.胎儿血红蛋白的氧合能力大于HbA

胎儿血红蛋白（ HbF）为 22，而成人血红蛋白 (HbA)为 22，

与的区别为： 143— His

(BPG与亚基的结合部位：

Val1--NH3+

Lys82--NH3+

His143- 咪唑基 ) 143——Ser，使 HbF与 BPG的结合能力减弱，因而增加了 HbF对氧的亲和力。其意义在于胎儿血液流经

胎盘时 HbF可以从母体 HbA获得 O2。

分子病—指蛋白质分子中由于 AA排列顺序与正常蛋白质不同而发生的一种遗传病 (基因突变造成的 )。

镰刀状细胞贫血病：病人体内血红蛋白的含量乃至红细胞的量都较正常人少，且红细胞的形状为新月形，即镰刀状。此种细胞壁薄，而且脆性大，极易涨破而发生溶血；再者，发生镰变的细胞粘滞加大，易栓塞血管；由于流速较慢，输氧机能降低，使内脏器官供血出现障碍，从而引起头昏、胸闷而导致死亡。

病因：血红蛋白 AA顺序的细微变化 正常人 HbA—N6Glu

病人 HbS—N6Val

血红蛋白分子病

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（ 1/25 HbA ）。

目前发现有 300 多种不同的突变血红蛋白，并且绝大多数突变体中只有一个 AA残基被置换。

Glu侧链在pH7.4时是一个带负电的基团，而 Val侧链是一个非极性基团，在 HbS分子表面造成一个粘性突起，与另一个HbS上的互补口袋通过疏水作用形成聚集沉淀。

EF拐弯

镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正

CH3

CH3

CH-CH-C- + N C O-

N+H3

OCH3

CH3

CH-CH-C-NHCNH2

O

O

N-末端缬氨酸残基

氰酸钾（ KCNO ）治疗

免疫系统和免疫球蛋白

浆母细胞 浆细胞 可溶性抗体

记忆细胞 表达膜结合受体（不溶性抗体）

（一）免疫系统免疫系统包括两个互补的系统：体液免疫和细胞免疫。

体液免疫—是针对细菌感染，胞外病毒（存在于体液中）以及进入生物体的外来蛋白质等。

细胞免疫—是破坏被病毒感染的宿主细胞、某些寄生物和外来的移植组织。

免疫反应主要涉及淋巴细胞和巨噬细胞。

B 淋巴细胞—产生于骨髓（ bone marrow ）中的造血干细胞，在骨髓中完成发育。循环于血液和淋巴系统，通过其上特异的膜受体（抗体分子，糖蛋白）识别抗原。当 B 细胞遇到抗原时，发生分裂和分化。

B 细胞

T 淋巴细胞—产生于骨髓造血干细胞，成熟于胸腺（ thymus gland） , 表达膜结合受体（不溶性抗体），称 T 细胞受体，当T 细胞遇到与主要组织相容性复合体（ MHC ）膜蛋白结合的抗原时，发生增殖和分化。

T 细胞

记忆 T 细胞效应 T 细胞

T 细胞

TH 细胞（ T 助细胞）TC 细胞（ T 胞毒细胞）

分泌细胞因子（淋巴因子）激活

激活 不分泌细胞因子，但获得细胞毒性。

激活 B 细胞、 TC 细胞吞噬细胞和其他参与免疫反应的细胞

监视身体的 B 细胞和消灭显示不正常抗原的细胞如病毒感染细胞、肿瘤细胞和移植细胞

抗原与抗体的一般概念 抗体（ antibody）就是免疫球蛋白(immunoglobulin-Ig)，是一类血浆糖蛋白。脊椎动物在遭遇一类异己物质如：病毒、细菌细胞壁或大分子物质（如多糖、核酸和蛋白质等）被称为抗原（ antigen）的物质侵入时，自身便产生抗体，这即为免疫反应。能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原。抗体的特点：高度特异性和多样性半抗原：某些小分子物质可以与抗体结合，但本身并不能刺激抗体产生，当它们与大分子物质（如蛋白质）结合后也能刺激抗体产生，这些小分子物质被称为半抗原 (hapten)。

跨膜蛋白

MHC-I蛋白结合并展示由细胞内随机发生的蛋白质降解和更新衍生来的肽。这些肽和 MHC-I蛋白结合形成的复合体是细胞兔疫系统中 TC 细胞的细胞受体的识别靶。 每个 T 细胞只含一种 T 细胞受体但有多个拷贝．它对特定 MHC-I蛋白 -肽复合体是特异的。为避免产生大批能结合和破坏自身的正常细胞的 TC 细胞，在胸腺中 TC 细胞的成熟包括一个严格的选择过程，消灭 95％以上正在发育的 TC 细胞包擂那些能与展示生物体自身蛋白质的肽的 MHC-I蛋白结合的 TC 细胞。存活并成熟的 TC 细胞是那些具有不与生物体自身蛋白质结含的 T细胞受体的 TC 细胞。结果形成一个专门与连接在宿主细胞 MHC—I蛋白上的外来肽结合的细胞群。这就是所谓兔疫的自身耐受性。

MHC-Ⅱ 蛋白存在于少数几种特化细胞的表面。这些特化细胞包括巨噬细胞和 B 淋巴细胞，它们作为抗原呈递细胞通过吞噬作用或胞吞作用将外来的抗原内化，经消化使成小的肽段。肽段与 MHC-Ⅱ蛋白结合并被展示在抗原呈递细胞的膜上 。MHC-Ⅱ 蛋白结合并展示的肽不是来自细胞的蛋白质，而是被细胞摄入的外部蛋白质。形成的 MHC-Ⅱ蛋白 -肽复合体是各种 TH 细胞的结合靶。它们也和 TC 细胞一样，在胸腺中进行严格的选择，消灭那些能与宿主自身的细胞蛋白质结合的 TH 细胞。

一旦抗原耗尽，被激活免疫细胞大部分在几天内死亡，一部分 B 和 T细胞则成熟为记忆细胞，长期存在于血液中，可再次产生同样的免疫应答反应。

Y 形结构

抗体分子是二价的，而抗原分子可以是多价的

有色产物

底物

第一抗体

第二抗体

酶