19蛋白质结构与功能的关系:P252,第六章 从厌氧生物转化为好氧生物是生物进化中的一大进步。脊椎动物中血红蛋白 在血液中起到载氧和输氧的作用,肌红蛋白在肌肉中起贮氧和氧在肌肉中分配的 作用。 (一)肌红蛋白(Mb)的结构与功能 (1)三维结构:由一条多肽链和一个血红素辅基构成,相对分子量16700, 含153个氨基酸残基。分子中多肽链由8段α-螺旋组成,分子结构致密 结实,带亲水基团侧链的氨基酸分布在分子外表面,疏水氨基酸侧链几乎 全埋在分子内部,见P253图6-1。 (2)辅基血红素:由二价铁和原卟啉Ⅸ组成,原卟啉Ⅸ由4个吡咯环组 成,见P254图6-2。 铁原子只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。蛋白质提供疏水洞穴,固定 血红素基,保护血红素铁免遭氧化,为氧提供一个结合部位。结合氧只发 生暂时电子重排 (二)血红蛋白(Hb)的结构与功能 (1)血红蛋白由4个多肽链(亚基)组成,如a2B2(成人血红蛋白HbA) 每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位,a-链有141个残基,B 链有146个残基,且α链、β链和Mb的三级结构都非常相似(P259图 69)。实际上对于人的这三种多肽链分析发现只有27个的残基是共有的, 这表明蛋白质高级结构的保守性。只要功能相同(都与氧结合),高级结 构就相似,有时甚至是唯一的 血红蛋白与肌红蛋白结构上最大不同在于血红蛋白有四级结构,是四 聚体,,而肌红蛋白只有三级结构。因此血红蛋白运载氧能力增强,还能 运载H和CO2,在氧分压变化不大范围内完成载氧和卸氧工作。且Hb 为变构蛋白,可受环境中其他分子,如Ht,CO2和2,3-二磷酸甘油酸(BPG) 的调节。 (2)氧结合引起血红蛋白构象变化,氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级 结构上有显著不同,发生构象变化 氧与血红蛋白结合是协同进行的,具有正协同性同促效应,即一个氧 分子与Hb结合,使同一Hb分子中其余空的氧结合部位对氧亲和力增加, 再结合第二、三、四个氧分子则比较容易。 (3)Hb和Mb氧合曲线如P262图6-14所示。 PO2):氧分压,表示氧的浓度(氧浓度与氧分压成正比) Y:氧饱和百分数,为被占氧合部位与氧合部位总数之比 当Y=0,所有氧合部位空着;Y=1,所有氧合部位被氧占据;Y=0.5, 半载,此时所需氧分压大小为对氧亲和力指标。 Mb氧合曲线为双曲线;Hb氧合曲线为S型曲线。 S曲线分析: ①肺区氧分压较高,P(O2)约为100tor(空气中氧分压760× 21%=160tor),Y=0.97,近于1,载氧。 ②组织肌肉中需氧,P(O2)约为20tor,Y=0.25,卸氧 ③△Y:氧饱和百分数变化;△P(O2):氧分压变化 肺区和组织肌肉中氧分压变化:△P(O2)=100-20=80tor,Hb氧饱和 百分数变化为,△Y=0.97-025=0.72,表示有近3/4氧可从Hb上卸下
1.9 蛋白质结构与功能的关系： P252，第六章 从厌氧生物转化为好氧生物是生物进化中的一大进步。脊椎动物中血红蛋白 在血液中起到载氧和输氧的作用，肌红蛋白在肌肉中起贮氧和氧在肌肉中分配的 作用。 （一）肌红蛋白（Mb）的结构与功能 （1） 三维结构：由一条多肽链和一个血红素辅基构成，相对分子量 16700， 含 153 个氨基酸残基。分子中多肽链由 8 段α-螺旋组成，分子结构致密 结实，带亲水基团侧链的氨基酸分布在分子外表面，疏水氨基酸侧链几乎 全埋在分子内部，见 P253 图 6-1。 （2） 辅基血红素：由二价铁和原卟啉Ⅸ组成，原卟啉Ⅸ由 4 个吡咯环组 成，见 P254 图 6-2。 铁原子只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。蛋白质提供疏水洞穴，固定 血红素基，保护血红素铁免遭氧化，为氧提供一个结合部位。结合氧只发 生暂时电子重排。 （二）血红蛋白(Hb)的结构与功能 （1） 血红蛋白由 4 个多肽链（亚基）组成，如α2β2（成人血红蛋白 HbA）， 每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位，α-链有 141 个残基，β- 链有 146 个残基，且α链、β链和 Mb 的三级结构都非常相似（P259 图 6-9）。实际上对于人的这三种多肽链分析发现只有 27 个的残基是共有的， 这表明蛋白质高级结构的保守性。只要功能相同（都与氧结合），高级结 构就相似，有时甚至是唯一的。 血红蛋白与肌红蛋白结构上最大不同在于血红蛋白有四级结构，是四 聚体，，而肌红蛋白只有三级结构。因此血红蛋白运载氧能力增强，还能 运载 H+和 CO2，在氧分压变化不大范围内完成载氧和卸氧工作。且 Hb 为变构蛋白，可受环境中其他分子，如 H+，CO2和 2，3-二磷酸甘油酸（BPG） 的调节。 （2） 氧结合引起血红蛋白构象变化，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级 结构上有显著不同，发生构象变化。 氧与血红蛋白结合是协同进行的，具有正协同性同促效应，即一个氧 分子与 Hb 结合，使同一 Hb 分子中其余空的氧结合部位对氧亲和力增加， 再结合第二、三、四个氧分子则比较容易。 （3） Hb 和 Mb 氧合曲线如 P262 图 6-14 所示。 P(O2)：氧分压，表示氧的浓度（氧浓度与氧分压成正比）。 Y：氧饱和百分数，为被占氧合部位与氧合部位总数之比。 当 Y=0，所有氧合部位空着；Y=1，所有氧合部位被氧占据；Y=0.5， 半载，此时所需氧分压大小为对氧亲和力指标。 Mb 氧合曲线为双曲线；Hb 氧合曲线为 S 型曲线。 S 曲线分析： ① 肺区氧分压较高，P（O2）约为 100torr（空气中氧分压 760× 21%=160torr），Y=0.97，近于 1，载氧。 ② 组织肌肉中需氧，P（O2）约为 20torr，Y=0.25，卸氧。 ③ ΔY：氧饱和百分数变化；ΔP（O2）：氧分压变化。 肺区和组织肌肉中氧分压变化：ΔP（O2）=100―20=80torr，Hb 氧饱和 百分数变化为，ΔY=0.97―0.25=0.72，表示有近 3/4 氧可从 Hb 上卸下
由此可知在S曲线上,即使P(O2)变化不大(仅80tor),也有较多的 氧卸下,输氧效率较高,可完成输氧,ΔP(O2)在20-100or·范围变 化,为Hb工作区;相比Mb的双曲线,ΔP(O2)在20~100torr范围变 化,ΔY只有0.1,表示氧不易卸下,只能担负贮氧功能。 Hb与Mb功能差别只是因为Hb有四个亚基,有四级结构,可进行 协同载氧和卸氧工作,Mb只能贮氧。 (4)H,CO2和BPG(2,3-二磷酸甘油酸)对血红蛋白结合氧的影响 它们与Hb结合部位离血红素基甚远,是通过别构效应调节Hb与 氧的结合。 1.波尔效应(Bohr): pH降低(H增加),CO2压力增加均降低血红蛋白对氧亲和力,促 进血红蛋白释放氧;反之高浓度氧又促使脱氧血红蛋白释放H+和CO2。 P264图6-17:pH减少使S曲线右移,而H增加、CO2增加均使pH 减少。 生理意义:在组织区CO2产生,为高CO2区,pH约72,有利于 Hb释放氧,载COz;在肺区氧吸入,pH约76,有利于Hb与氧结合 放出CO2。 2.BPG降低Hb对氧亲和力 BPG可由糖代谢产生,正常人血液中约含45 mmol/L,约与血红蛋 白等摩尔数。 P265图6-19显示出在不同BPG浓度下血红蛋白的氧合曲线,BPG 浓度增加,Hb氧合曲线右移。 ①无BPG,Hb氧合曲线为双曲线,不易卸氧 ②当BPG=4.5 mmolL时(正常生理状况),为S型曲线,可卸氧, 此时P(O2)=26tor,Y=0.5 ③当BPG=7.5mmoL时(非正常生理状况如高山反应,及病理状况 如肺气肿),S曲线右移,更易卸氧,满足肌体对氧需求,此时P(O2) 为34tor,Y=0.5。 (三)血红蛋白分子病 人类已发现300多种不同突变的血红蛋白,许多突变是有害的,产生 遗传病,如镰刀状细胞贫血症 病状:贫血症 检查:血液中含大量镰刀形红细胞HbS,没有足够可承担输氧的正常 圆形细胞HbA。镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 研究:电泳发现HbS和HbA电泳速度和等电点均有差异。在pH8.6 下均向正极移动,但HbS比HbA稍慢,说明HbS比HbA少几个带负电 荷基团。 氨基酸测序发现HbA与HbS区别在于β-链上6-位Glu(HbA)变 为Val(HbS),结果由于疏水相互作用,β-链上6-Val与IVal接近,使 血红蛋白分子从扁平状压缩变形,形成细长聚集体红细胞,构成镰刀形, 与氧结合力降低 值得注意的是血红蛋白分子四条肽链共574个氨基酸残基,只两个 -链上的氨基酸被代替(2Glu→-2Va1),即引起如此严重疾病
由此可知在 S 曲线上，即使 P（O2）变化不大（仅 80torr）,也有较多的 氧卸下，输氧效率较高，可完成输氧，ΔP（O2）在 20~100torr 范围变 化，为 Hb 工作区；相比 Mb 的双曲线，ΔP（O2）在 20~100torr 范围变 化，ΔY 只有 0.1，表示氧不易卸下，只能担负贮氧功能。 Hb 与 Mb 功能差别只是因为 Hb 有四个亚基，有四级结构，可进行 协同载氧和卸氧工作，Mb 只能贮氧。 （4） H+，CO2 和 BPG（2，3-二磷酸甘油酸）对血红蛋白结合氧的影响 ： 它们与 Hb 结合部位离血红素基甚远，是通过别构效应调节 Hb 与 氧的结合。 1. 波尔效应（Bohr）： pH 降低（H+增加），CO2 压力增加均降低血红蛋白对氧亲和力，促 进血红蛋白释放氧；反之高浓度氧又促使脱氧血红蛋白释放 H+和 CO2。 P264 图 6-17：pH 减少使 S 曲线右移，而 H+增加、CO2 增加均使 pH 减少。 生理意义：在组织区 CO2 产生，为高 CO2 区，pH 约 7.2，有利于 Hb 释放氧，载 CO2；在肺区氧吸入，pH 约 7.6，有利于 Hb 与氧结合， 放出 CO2。 2. BPG 降低 Hb 对氧亲和力： BPG 可由糖代谢产生，正常人血液中约含 4.5mmol/L，约与血红蛋 白等摩尔数。 P265 图 6-19 显示出在不同 BPG 浓度下血红蛋白的氧合曲线，BPG 浓度增加，Hb 氧合曲线右移。 ① 无 BPG， Hb 氧合曲线为双曲线，不易卸氧； ② 当 BPG=4.5mmol/L 时（正常生理状况），为 S 型曲线，可卸氧， 此时 P（O2）=26torr，Y=0.5； ③ 当 BPG=7.5mmol/L 时（非正常生理状况如高山反应，及病理状况 如肺气肿），S 曲线右移，更易卸氧，满足肌体对氧需求，此时 P（O2） 为 34torr，Y=0.5。 （三）血红蛋白分子病 人类已发现 300 多种不同突变的血红蛋白，许多突变是有害的，产生 遗传病，如镰刀状细胞贫血症： 病状：贫血症； 检查：血液中含大量镰刀形红细胞 HbS，没有足够可承担输氧的正常 圆形细胞 HbA。镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。 研究：电泳发现 HbS 和 HbA 电泳速度和等电点均有差异。在 pH8.6 下均向正极移动，但 HbS 比 HbA 稍慢，说明 HbS 比 HbA 少几个带负电 荷基团。 氨基酸测序发现 HbA 与 HbS 区别在于β-链上 6-位 Glu（HbA）变 为 Val（HbS），结果由于疏水相互作用，β-链上 6-Val 与 1-Val 接近，使 血红蛋白分子从扁平状压缩变形，形成细长聚集体红细胞，构成镰刀形， 与氧结合力降低。 值得注意的是血红蛋白分子四条肽链共 574 个氨基酸残基，只两个 β-链上的氨基酸被代替（2Glu→2Val），即引起如此严重疾病