第二节蛋白质结构与功能的关系 - 图文(2)

稳定性也明显提高。这说明血红素辅基对肽链折叠也有影响。 3.2.3 血红蛋白的结构与功能

血红蛋白(hemoglobin, Hb)存在于脊椎动物红细胞中，是运输O2和CO2的工具。Hb是第一个得到X-射线衍射结构分析初步结果的蛋白质，还是第一个与生理功能相联系的蛋白质。从异常血红蛋白一级结构研究中提出了分子病的概念，从Hb与O2结合中发现了协同效应。从而成为迄今认识蛋白质结构与功能关系最好的范例。

3.2.3.1 血红蛋白分子结构

血红蛋白由四个亚基组成(α2β2)，每个亚基含一条多肽链和1个血红素辅基。α亚基多肽有141个氨基酸残基，β亚基多肽链有146个氨基酸残基，二者有60个相同，约占42％，其中有23个残基与Mb相同。Hb的亚基与Mb的氨基酸序列虽有明显不同，但血红素结合部却非常保守，而且它们的二、三级结构也十分相似，仔细对比也有一些差异(表3-5)。

表3-5 血红蛋白α-和β-链与肌红蛋白二、三级结构的异同

肽链区段 A螺旋 AB非螺旋 B螺旋 BC螺旋 C螺旋 CD螺旋 D螺旋 E螺旋 EF螺旋 F螺旋 FG螺旋 G螺旋 GH螺旋 H螺旋 HC螺旋 残基总数

肌红蛋白（Mb） α-螺旋 非螺旋 α-螺旋 非螺旋 α-螺旋 无规卷曲 α-螺旋 α-螺旋 无规卷曲 α-螺旋 无规卷曲 α-螺旋 无规卷曲

α-链（α） =Mb A16-B1不同 =Mb =Mb 有310螺旋 都不同于Mb 不存在 无规卷曲 EF2~5不同于Mb =Mb =Mb

G1~3为310螺旋 ≈Mb

β-链（β） =Mb 少2个残基 =Mb =Mb 有310螺旋 CD5~7不同于Mb =Mb

E18~20为无规卷曲 (α=β) =Mb =Mb (α=β)

GH1~3不同于Mb (α=β) (α=β) 146

α-螺旋基(24个残基) 含20个残基 含5个残基 153

含3个残基 141

血红蛋白的四个亚基按四面体排布，亚基间凹凸互补，构成一个6.5×5.5×5nm的四面体。两个α与两个β亚基按双重对称轴排布，沿X或Y轴旋转180°，外形相似；沿Y轴两个α与两个β亚基间均有空隙，形成中心空穴(图1.38)。

α1/β1或α2/β2之间接触面较大，包括G10~H9之间以及B、D螺旋的34个残基，由17~19个氢键将其缔合成稳定的二聚体(α1/β1和α2/β2)，不受血红素和O2结合的影响。α1/β1或α2/β2之间接触面较小，涉及α1的CD和β2的FG非螺区中19个残基，将两个二聚体缔合为四聚体，此种结合易受O2和血红素结合的影响。

脱氧血红蛋白中,亚基间的静电相互作用（图1.39），以及分子中心空穴周围两个β链的N-端-NH3+、Lys-82（EF6）、His-2和His143（HCl）共8个正电荷与空穴中的效应剂分子2，3-二磷酸甘油酸（BPG）之间静电相互作用（图1.40）对稳定脱氧血红蛋白的四级结构发挥着重要作用。这些静电相互作用在血红蛋白氧合后不复存在。

3.2.3.2 血红蛋白的变构效应

Mb和Hb均为储藏和运输O2的载体，Mb是单体，Hb为四聚体，在氧分压较低时Mb对O2的亲和力远大于Hb，如以P50表示一半结合部位被O2饱和时的氧分压，Hb的P50=26Torr，Mb的P50=1Torr。

Mb+O2 MbO2

设K为MbO2解离常数，则K?[Mb][O2]MbO2；若Y为Mb氧饱和度，则

Y?[O2][O2]?KY?；用pO2代替[O2]，P0代替K，上式改写为：

，是一个典型的双曲线方程

pO2pO2?P50

对Hb来说，Hb+nO2 Hb（O2）。

?pO2???，或Y??nn?P?1?Y[pO2]?(P50)?50?Y[pO2]nYn

取对数，olg

1?Y=nlogpO2-nlogP50

上式即Hill方程，是一个直线方程，Y=0.5时n(斜率)值即为Hill系数。Mb的n=l，Hb的n=2.8，表明Hb与O2结合存在协同效应(或变构效应)，即先结合的O2影响同一分子中空闲的O2结合部位对后续O2的亲和力(详见别构酶一节)。若以纵坐标表示Y，横坐标表示pO2，Mb的氧合曲线为双曲线，Hb的是S型曲线(图1.41)。

Hb的氧合曲线反映了HbO2的解离特征：即在氧分压较高的区间，只有很少HbO2解离，表现为S型曲线上段：在氧分压很低时，只剩下不多的HbO2缓慢地

解离，表现为S型曲线下段；只有在S型曲线中段相应的氧分压区间，HbO2随pO2下降快速解离。如果肺泡中pO2=100Torr，活动肌肉毛细血管中pO2=20Torr，P50=30Torr，n=2.8，在肺泡中Y=0.97，在活动肌肉毛细血管中Y=0.25，二者之差△Y=0.72，即在此条件下血液从肺泡流到活动肌肉中将释放所携带的72％的O2假如没有协同效应，即n=l，其他条件不变，那么Y肺泡=0.77，Y毛细血管=0.41，△Y=0.36，可见在同样条件下协同效应使Hb的O2释放量增加一倍。实际测算表明，pO2从100降至20Torr，MbO2只释放10％的O2。显然，血红蛋白适合于从肺泡到组织的O2运输，肌红蛋白则适合于通过组织间液从血液接受O2，

将它储藏在细胞内备用。

人体的血红蛋白除HbA(α2β2)外，还有HbA2(α2δ2)和HbF(α2γ2)。β、γ、δ链的一级结构仅有个别氨基酸不同，二、三级结构十分相似。成人血液中HbA2仅占2％，HbF不到1％，而胎儿血液中HbF是主要血红蛋白，在足月的新生儿血液中HbF占70—80％。在生理条件下，HbF对O2的亲和力大于HbA，使得胎儿通过胎盘循环从母体得到O2(图1.42)。

Hb对O2的亲和力对pH和[CO2]的变化敏感，pH值下降时，Hb对氧的亲和力降低，HbO2解离曲线右移，S型渐趋双曲线型。实际上血液pH变化很小，而[CO2]增大同样导致Hb对O2的亲和力下降。Hbα链N-端氨基可逆地与CO2结合。在代谢活跃的组织中，[CO2]增大或pH下降促进HbO2放O2，而O2的释放又促进Hb与CO2结合，这种现象称为Bohr效应(图1.43)。

1967年，Reinhold Benesch和Ruth Benesch发现2，3-二磷酸甘油酸(BPG)是血红蛋白的别构效应剂。在成熟的人红细胞中[Hb]≈[BPG]，每个Hb在其中央空穴结合一分子BPG，通过与周围正电荷集团的相互作用使Hb的四级结构更趋稳定(见图1.39)。如果没有BPG，Hb的氧合就不存在协同效应，在生理条件下，BPG的结合使Hb对O2的亲和力下降到1/26。在某些内外因素影响下净输氧量下降时，机体可通过调整BPG浓度进行补偿。例如肺气肿病人因支气管气流受阻，Hb不能充分氧合，动脉血pO2仅为50Torr，只有正常值的一半。由于BPG浓度从4.5升至8.0mmol/L，使P50从26升至31Torr，动脉O2饱和度从0.86变到0.82，静脉O2饱和度从0.60变为0.49，因此净输O2量△Y从0.26增至0.33。又如一个人从海拔0米到海拔4500米时，48小时内他的红细胞中[BPG]从4.0增至7.5mmol/L，净输O2量相应增大(图1.44)。由于γ亚基HCl是Ser而不是His，不能与BPG形成盐键，致使胎儿血红蛋白HbF(α2γ2)对BPG的结合力小于HbA(α2β2)，因此对O2亲和力较高。 3.2.3.3 血红蛋白别构效应的分子机制

Hbα-亚基的单体具有对O2的高亲和力，氧合曲线为双曲线，与Mb极为相似。孤立的β亚基易形成四聚体，β

4

被称为HbH，没有HbA的变构效应。因

此，血红蛋白的别构性质来源于亚基间的相互作用。

(1)氧合中血红素铁原子的变化：在脱氧血红蛋白中，由于连接血红素F8His咪唑环与血红素卟啉环间的位阻斥力，以及血红素铁外层电子处于高自旋状态，半径较大，不能进入卟啉环中央小孔，而离开卟啉平面约0.06nm：同时血红素向F8His方向稍微隆起，呈现圆顶形(图1.45)。在氧合过程中，铁外层电子变成低自旋状态，半径缩小了13％，移动0.06nm，进入卟啉平面中央小孔，血红素完全呈平面状态。血红素的状态既受O2结合的影响，又依赖于Hb整体的四级

结构。

(2)亚基三级结构的变化：在血红蛋白亚基中，血红素及F8His与邻近的15个侧链基团有紧密的联系。因此，氧合过程中铁原子的位移牵动F8His位移以及F螺旋、EF和FG片段等的位移(图1.46)。F螺旋向H螺旋移动二者之间的空隙变小，迫使HC2的Tyr侧链从隙中移开，导致链间盐键的断裂。这样，血红素上氧合引起的变化，触发亚基内部的构象改变，导致亚基交界面上的结构改变。 (3)四级结构的变化：氧合引发的构象变化传递到亚基界面上，促使两个原体(α1β1)与(α2β2)相对旋转15°，平移0.08nm(图1.47)。脱氧状态时α1亚基C7Tyr-42酚基与β2亚基G1Asp99羧基间的氢键，在氧合引起的亚基位移中被破坏，而在α1亚基G1Asp9的羧基与β2亚基G4Asn102酰胺基间产生一个新的氢键(图1.48)。

氧合过程中亚基的旋转和位移，使维持四级结构的盐键断裂，两个β亚基的铁原子间的距离从3.99减为3.31nm，分子中央空穴变小以致容纳不下BPG，盐键的断裂也引起β亚基的构象改变，如E11Val侧链移开，解除了O2结合的空间位阻。按照序变模型，上述血红蛋白氧合过程变构效应的机制概括于图1.49。

3.2.2.4 异常血红蛋白

编码血红蛋白多肽链的基因发生突变，导致个别氨基酸取代、缺失、肽段融合，延长甚至整个肽链的缺失，形成300种以上的异常血红蛋白。由于取代发生的位置、范围、性质各不相同，对血红蛋白结构和正常功能的影响也就有所不同，有的异常血红蛋白结构和功能均无重大改变，有些异常血红蛋白的结构发生显著变化而导致疾病，因此，对于阐明蛋白质结构与功能的联系极有参考价值。根据变异的性质，可将异常血红蛋白分为以上四类。

(1)分子表面发生变异的Hb：分子表面发生取代的异常Hb已发现一百多种，绝大多数不影响Hb的稳定性和功能，在临床上是无害的。但有少数可引起临床症状，尤其是镰刀状红细胞贫血症，患者红细胞含异常的HbS，红细胞呈镰刀形，易破碎，寿命短，从而导致严重的贫血，甚至危及生命。现已查明，镰刀状红细胞贫血患者编码珠蛋白β链的基因有一个碱基突变(T→A)结果β6(A3)的Glu被Val取代，致使HbS比HbA少2~4个负电荷，pI从6.68增至6.91，在脱氧状态下溶解度仅为HbA的1/25。Val取代Glu使HbS每个亚基外侧产生一个粘斑，而脱氧HbS还有与粘斑互的部位，互相粘结，形成细长的脱氧HbS聚合体(图1.50)。几股这样的聚合体盘旋缠绕，形成在电镜下可见的直径为17nm和21.5nm的两种纤维。直径21.5nm的螺旋纤维更常见，有14股螺旋纤维。这些纤维使红细胞变成易碎的镰刀形。红细胞破碎后释放出HbS纤维，使血液粘度增大，血流不畅，小血管阻塞，造成供O2不足又恶性循环地导致形成更多的镰刀形红细

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