生物化学第四章：蛋白质的生物学功能

主要内容包括：蛋白质的生物学功能多样性，氧结合蛋白，血红蛋白分子病，免疫系统和免疫球蛋白，肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达。

生物化学第四章

• 蛋白质的生物学功能
  • 蛋白质功能的多样性
    • 行使催化和转化功能
      • 催化——酶
    • 作为信号分子和信号转导器
      • 激素、生长因子
    • 转运专一的分子和物质
      • 转铁蛋白、血红蛋白
    • 作为结构和支撑成分
      • α-角蛋白、胶原蛋白、伸展蛋白
    • 起运动和动力作用
      • 肌球/肌动/动力蛋白
    • 具有防卫和保护功能
      • 免疫球蛋白
    • 作为养分的贮存
      • 鸟类胚胎中的卵清蛋白 哺乳动物乳中的酪蛋白
    • 起支架和衔接作用
      • SH2模块
  • 氧结合蛋白质
    • 肌红蛋白（Mb）：主-贮存氧，运输氧
      • 辅基血红素（氧与血红素辅机结合）
        • 血红素（ 铁原卟啉Ⅸ）
          • Fe 2+ 的六个配位键
          • 原卟啉IX与Fe的络合物
      • Mb的三级结构
        • 功能储存氧，潜水哺乳动物比陆生哺乳动物有高含量的肌红蛋白
        • Mb=1多肽链（153aa）+1辅基血红素
          • 多肽链脱辅基蛋白称珠蛋白
          • Pro导致4个转折；Ser，Thr，Asn，Ile的连续出现导致转折 血红素非共价地结合于空穴中 亲水残基几乎在外侧，疏水残基在内侧，半疏水残基部分暴露
      • O2与Mb结合
        • 近侧His F8（93） 远侧HisE7(64)，与02紧密接触
          • O2结合改变Mb构象
            • 去氧Mb，5个配位键，血红素呈圆顶状或凸形，铁位于卟啉环靠His F8一侧上0.055nm 氧合Mb，6个配位键，血红素平面状，HisF8牵拉F螺旋0.026nm
          • 肌红蛋白氧结合曲线（双曲线）
    • 血红蛋白（Hb）：转运氧（运输氧）
      • 血红蛋白是在血液中转运O2的
        • 100ml血有6.5mlO2
      • 血红蛋白的结构
        • 亚基组成
          • 成年人：HbA a2β2 HbA（次要） a2δ2胎儿期：HbF a2γ2 胚胎期： ζ2ε2
            • HbF的γ亚基与β亚基相似，氨基酸组成中H21残基为Ser，非His残基，↓BPG结合，↑氧的亲和力，利于从胎盘中获取氧
          • 由四个亚基组成；每一亚基缔合有一个血红素辅基
            • 即含有4个Fe2+
        • Hb 三维结构 （以Hb A为例）
          • 分子是一个球体，四个亚基占据四面体的四个角，血红素辅基位于分子表面E和F螺旋的空穴内，每个亚基一个，四个氧的结合部位彼此保持一定的距离，α1β2，α2β1亚基间血红素铁距离为2.5nm，两个不同亚基间即 α1β2，α2β1间作用力大而αα或ββ间作用力小。
          • 亚基的一级结构
            • α链141aa（H短，D缺），β链146aa(H短） 27aa三肽链，共有9aa高度保守
          • 亚基的三级结构
            • Hb亚基在结构上与Mb相似与其氧运输功能相适应。 内部为疏水残基，稳定蛋白质三维结构和保护二价铁。
      • 结合氧时血红蛋白发生构象变化
        • 氧结合显著改变Hb的四级结构
          • 装配接触
            • α1β1接触和相同的α2β2接触，接触面积大，对亚基装配很重要
          • 滑动接触
            • a1β2接触，α2β1接触，因氧合作用而发生变化时，这些接触也发生变化四聚体可以看作aβ二聚体的二聚体，去氧合状态到氧合状态两个aβ二聚体间滑动过程。
        • 血红素铁的微小移动
          • 去氧血红蛋白
            • 电子效应，血红素Fe2+的6个d电子占居 5轨道，四个单电子轨道体积大，同时 Fe2+与卟啉环Ⅱ电子静电排斥及 F8His 咪唑基N-Fe键作用使得卟啉环上凸；上凸受到限制，空间效应：咪唑环与卟啉环之间空间排斥，N-Fe键限制，造成卟啉环上凸0.06nm及N-Fe键略有倾斜。
          • 氧合血红蛋白
            • 电子效应，当结合氧时改变Fe2电子排布，四个单电子挤到两个轨道，体积变小，电子排斥力变小，Fe-N 键变短，远端E7 His 的空间位阻，使得卟啉平面能由圆顶状变成平面状Fe-N 变的垂直。
            • 由于卟啉平面的下移，牵引F8咪唑环下移，螺旋F、拐弯 EF 和FG产生位移，构象重调，链间盐桥断裂，β-亚基之间空隙变窄，挤出BPG分子
            • 0.06 → 0.021nm
        • 去氧型和氧合型代表两种不同的构象态
          • T态：紧张态
            • 8个离子键（盐桥）和每条链HC2和 FG5 间形成链内氢键， 共4个,维持其紧张态
            • 两β亚基间无盐桥，利于T态时与BPG结合
            • 去氧Hb的优势构象
          • R态：松弛态
            • 氧合 Hb的优势构象
            • 当与氧结合时，由于 F螺旋的移动， 导致链内氢键的断裂，进而带动链间和链内盐桥的断裂，形成松弛态。
        • 血红蛋白与氧结合是协同的
          • 血红蛋白氧合具有正协同性同促效应
            • 即一个O2的结合增加同一Hb分子中其余空的氧结合部位对O2的亲和力
          • Mb与O2亲和力>Hb
            • 四级结构寡聚蛋白决定亚基间具有协同效应，氧结合曲线呈形，如何解释这种形曲线为什么有利于氧的运输？
              • 在肺中（高氧分压），血红蛋白与氧气具有较高的亲和力，有利于二者的结合；在组织中（低氧分压），血红蛋白与氧气具有较低的亲和力，有利于二者的解离。这种形曲线更有利于血红蛋白对于氧气运输的功能。
            • 为什么Hb和Mb对氧亲和曲线不同？
              • 血红蛋白通过四级结构的变化实现协同效应，其氧合曲线呈S形的原因。 肌红蛋白只有三级结构，无协同效应。
          • CO中毒原理
            • 游离/结合血红素与CO的亲和力比O2高 原因：就是因为有空间位阻，CO同O2竞争血红蛋白结合部位→O2无法结合→缺氧中毒
          • CO与NO与血红素铁配位亲和力>O2
          • 别构效应
            • 分类
              • 同促效应（协同效应）
                • 在同促（别构）酶中活性部位和调节部位是相同的。调节部位与活性部位虽然在空间上是分开的，但这两个部位可互相影响，通过构象的变化，产生协同效应。
                • 分类
                  • 正/负 协同
                • 同一分子的配体与底物
              • 异促效应
                • 不同分子的配体与底物
        • 协同性结合机制的两个模型
          • ①协同模型（MWC模型）
          • ②序列模型（KNF 模型）
            • 取决于结合了配体的亚基对相邻亚基的影响
          • 协同模型 序列模型 正协同 √ √ 负协同 × √
        • H+、CO2和 BPG↑，抑制血红蛋白结合氧能力 [降低血红蛋白对O2的亲和力] 即促进氧的释放
          • 波尔（Bohr）效应 （H+和CO2）
            • pH↓（即CO2浓度↑），使S曲线右移（即亲和力降低），使氧合能力↓，促使氧的解离
            • 生理意义
              • ①当血液流经代谢迅速的肌肉时，CO2浓度较高，有利于血红蛋白释放O2，而氧的释放又促使血红蛋白与H+和CO2的结合，起着缓冲血液pH的作用。 ②当血液流经肺部时，由于肺p（O2）高，有利于血红蛋白与氧结合并因此促进了H+和CO2的释放
            • 去氧血红蛋白对H+的亲和力>氧合的血红蛋白
          • 2,3-二磷酸甘油酸（BPG）降低血红蛋白对O2的亲和力
            • BPG 是血红蛋白的别构效应物
              • BPG与Hb的结合有利于O2释放，肺部的氧合过程促使BPG离开Hb。
              • BPG 和血红蛋白亚基的离子链有助于 T 态构象，而血红蛋白的 R态构象孔穴变小无法容纳BPG。
                • BPG对于R态Hb亲和能力大小顺序
                  • lHbO2> Hb(O2)2> Hb(O2)3
                • Hb只有一个BPG结合位点
                  • β链 Lys EF6,His NA2, His H21和Val NA1 等残基的正电基团静电相互作用
            • BPG 调节的相关生理现象
              • 高空适应的代偿性变化
                • BPG浓度5mmol/L→8mmol/L
                  • 氧的S形曲线结合，Bohr 效应以及 BPG 效应物的调节使血红蛋白的输氧能力达到最高效率，充分反映结构与功能相适应。
                • 海拔↑，BPG↑，有利于组织中O2释放
              • 胎儿143His→Ser,BPG亲和力↓
        • 血红蛋白的结构和功能的关系
          • 功能是在血液中结合并转运O2
          • ①Hb的结构 I亚基组成 II三维结构（Hb A) ②氧合引起Hb构象变化 I 氧合显著改变Hb的四级结构 II 血红素铁的微小移动导致Hb构象的改变 III 氧合Hb和去氧Hb代表不同构象态 T R ③Hb的协同性氧结合（Hb氧合曲线）S形 别构效应 ④.H*，CO_和BPG对Hb结合O2的影响 I H+,CO2促进氧的释放 II BPG降低Hb对O2的亲和力 ⑤O2的S形曲线结合，Bohr效应以及BPG效应物的 调节使得Hb输O2能力达到最高效率 ⑥由于能在较窄O2分压范围内完成输O2功能，因此使机体内的O2水平不致有很大的起伏 ⑦Hb的pH也维持在一个较稳定的水平 ⑧Hb的别构效应充分地反映了它的生物学适应性， 结构与功能的高度统一性
  • 血红蛋白分子病
    • 分子病是遗传的
      • 分子病
        • 基因突变→aa残基遗传性替代→三维结构改变→功能部分或全部丧失
    • 分类
      • α或β亚基的aa残基更换
        • 镰状细胞贫血
          • 正常人血红蛋白β链Glu6→镰刀型β链NHVal 6 （一级结构改变）
          • 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀
            • 三级结构改变，加了非极性侧链 四级结构不改变（不影响氧亲和力和别构性质），但影响【去氧】血红蛋白溶解度
        • 胰岛素分子病
          • β链的Phe(24)→Leu
      • 缺少α或β亚基
        • 地中海贫血
          • 产生途径
            • ①缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因： ②所有基因都可能存在，但一个或多个基因发生无义突变，合成的链含有不正确的氨基酸序列； ③所有基因均存在，但突变发生在编码区之外导致转录受阻或前体mRNA的不正确加工
          • 分类
            • α-地中海贫血
              • 涉及α链，严重表现为a链缺失，形成同四聚体，无Bohr 效应、别构效应，氧运输能力差，胎儿不正常，出生前后死亡。
            • β-地中海贫血
              • β-珠蛋白基因缺失或不表达，不能或不能完全制造β链,依靠胎儿γ链的连续产生。
  • 免疫系统和免疫球蛋白
    • 免疫应答涉及一系列特化的细胞和特化的蛋白质 免疫系统能识别自我和非我 细胞表面上的分子相互作用触发免疫应答 抗体与抗原结合是专一而紧密的
    • 抗体具有两个相同的抗原结合部位
      • 免疫球蛋白（抗体、Ig）
        • 一种可溶性血清糖蛋白，由淋巴细胞产生
        • 特点
          • 高度特异性 多样性
        • 抗体都是免疫球蛋白 免疫球蛋白不一定是抗体
        • 沉淀反应
        • 结构
          • IgG
            • 最简单的免疫球蛋白
            • 构成
              • ①2条重链（H），2条轻链（L）[有4条肽链] 二硫键与次级键 连接成Y字形结构 ②2个抗原结合部位
            • 结构域
              • 可变区
                • 有高变区，负责抗体分子对抗原的识别，真正抗体结合部位，其余序列与特有免疫球蛋白结构域有关
              • 恒定区
              • 铰链区
                • 木瓜蛋白酶水解时铰链区发生断裂形成基部片段Fc和两个Fab.
        • 分类
          • IgA、IgM、IgD、IgE、IgG
      • 抗原
        • 异体蛋白具有强抗原性 半抗原 十蛋白质 具有抗原性
        • 蛋白质的抗原性
          • 分子大小 氨基酸组成和结构
    • 抗原一抗体的生化分析方法
      • 多克隆抗体 单克隆抗体
      • 免疫扩散 免疫电泳
      • ELISA 技术 （酶联免疫吸附测定）
        • 原理
          • 以待测抗原（抗体）和酶标抗体（抗原）的特异结合反应为基础，然后通过酶活力测定来确定抗原（抗体）含量。
        • 步骤
          • ①用样品抗原包被表面 ②用非特异的蛋白质封闭无抗原区表面 ③用第一抗体与待测抗原温育; ④用酶联的第二抗体温育; ⑤加酶底物 ⑥有色物质生成
      • 免疫印迹测定（Western印迹）
        • 原理
          • 蛋白质经凝胶电泳分离，通过转移电泳将蛋白质条带转移硝酸纤维素膜上,进行酶联免疫反应
        • 步骤
          • SDS 电泳→转移电泳→硝酸纤维膜→封闭→一抗→酶标二抗→显色
        • 蛋白质的分析
  • 肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达
    • 肌肉的主要蛋白质是肌球蛋白和肌动蛋白 细丝和粗丝被组织成有序的结构 肌球蛋白粗丝沿肌动蛋白细丝滑动