血紅蛋白與肌紅蛋白

1、血紅蛋白與肌紅蛋白一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能 （一）肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu) （二）輔基血紅素 （三） 02與肌紅蛋白的結(jié)合 （四） 02的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)象 （五）肌紅蛋白結(jié)合氧的定量分析（一）肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)肌紅蛋白由一條153個(gè)氨基酸組成的肽鏈和一個(gè)血紅素輔基組成。分子量為17800。肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)是由一簇八個(gè)a-螺旋組成的，螺旋之間通過一些片段連接。肌紅蛋白中的四分之三氨基酸殘基都處于a-螺旋中。盡管肌紅蛋白中的高螺旋含量不是球蛋白結(jié)構(gòu)中的普遍現(xiàn)象，但肌紅蛋白的一些結(jié)構(gòu)還是代表了球蛋白的典型結(jié)構(gòu)特征。肌紅蛋白的內(nèi)部幾乎都是由疏水氨基酸殘基組成的，特別是一些疏水性強(qiáng)的氨基酸，如纈氨酸、

2、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸。而表面既含有親水的氨基酸殘基，也含有疏水的氨基酸殘基，通常水分子被排除在球蛋白內(nèi)部，大多數(shù)可離子化的殘基都位于表面。血紅素輔基處于一個(gè)由蛋白部分形成的疏水的、象個(gè)籠子似的裂隙內(nèi)，血紅素中的鐵原子是氧結(jié)合部位。無氧的肌紅蛋白稱之脫氧肌紅蛋白，而載氧的分子稱之氧合肌紅蛋白，可逆結(jié)合氧的過程稱之氧合作用。 抹香鯨肌紅蛋白（Myoglobin）的三級(jí)結(jié)構(gòu)（二）輔基血紅素血紅素血紅素中的Fe可以是亞鐵，也可以是高鐵，相應(yīng)的血紅素稱為亞鐵血紅素和高鐵血紅素；相應(yīng)的蛋白稱為亞鐵和高鐵血紅蛋白。只有亞鐵態(tài)的蛋白質(zhì)才能結(jié)合氧。（三） 02與肌紅蛋白的結(jié)合卟啉鐵和F8（93）H

3、is（近側(cè)）的咪唑N結(jié)合。底6和配位鍵和O2 結(jié)合。O2 和四吡咯環(huán)呈60度傾斜。高鐵肌紅蛋白中水代替O2填充該部位。氧結(jié)合是一個(gè)空間位阻區(qū)域E7 His（遠(yuǎn)側(cè)）的咪唑環(huán)與Fe原子的距離遠(yuǎn)，不發(fā)生作用，但與分子O2 能緊密接觸，被結(jié)合的O2在His（近側(cè)）的咪唑N和Fe原子之間?？臻g位阻的意義游離在溶液中的鐵卟啉結(jié)合CO的能力比O2大25000倍，但在肌紅蛋白中，僅比O2大250倍。原因是由于空間位阻造成的。這樣可以防止代謝過程中產(chǎn)生的CO占據(jù)O2的結(jié)合部位。疏水環(huán)境的意義通常O2與Fe()接觸會(huì)使Fe()氧化為Fe()，血紅素也是一樣。但在肌紅蛋白內(nèi)部，由于疏水的環(huán)境， Fe()不易被氧化。

4、微環(huán)境的作用：固定血紅素基；保護(hù)血紅素鐵免遭氧化；為O2提供一個(gè)合適的結(jié)合部位（四） 02的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)象去氧血紅蛋白中的Fe()只有個(gè)配體，并位于卟啉環(huán)上方.nm。當(dāng)氧結(jié)合時(shí)， Fe()被拉回到卟啉環(huán)平面，離卟啉環(huán)平面僅為0.026 nm。這種結(jié)構(gòu)的改變對肌紅蛋白意義不大，但顯著的改變了血紅蛋白的性質(zhì)，改變了四聚體的亞基間的作用，是之具有別構(gòu)作用。（五）肌紅蛋白結(jié)合氧的定量分析1.氧分?jǐn)?shù)飽和度（Y），攜氧肌紅蛋白分子數(shù)和去氧肌紅蛋白以及攜氧肌紅蛋白分子數(shù)的比值。當(dāng)Y 為1時(shí)，所有的肌紅蛋白被氧飽和。2.P50 肌紅蛋白被半數(shù)飽和時(shí)的氧分壓。3.線粒體中的氧濃度為0-10torr，靜脈

5、血中為15torr，或更高一些。肌紅蛋白P50 為2torr，因此大多數(shù)情況下，肌紅蛋白是高度氧合的。如果由于肌肉收縮而使線粒體中氧含量下降，它可以立即供氧。4.肌紅蛋白有利于氧從細(xì)胞內(nèi)表面向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)胞內(nèi)表面10torr（Y為80%），線粒體1torr （Y為25%）。二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能（一）血紅蛋白的結(jié)構(gòu) （二）氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象的變化 （三）血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合（Hb氧結(jié)合曲線） （四）H+、CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響（一）血紅蛋白的結(jié)構(gòu)血紅蛋白的主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)氧。它存在于紅細(xì)胞中，每個(gè)成熟紅細(xì)胞約含3億個(gè)血紅蛋白分子。血紅蛋白從肺部經(jīng)心臟到達(dá)外

6、圍組織的動(dòng)脈血中有96%氧飽和度。在靜脈血中的飽和度為64%。因此，每100ml的血經(jīng)過組織約釋放1/3的氧或相當(dāng)于大氣壓和體溫下6.5ml氧氣血紅蛋白有兩種4個(gè)亞基組成人在不同發(fā)育階段血紅蛋白亞基的種類是不相同。 圖6-8 血紅蛋白中亞基的排列 A 正面觀 B 側(cè)面觀圖6-9 血紅蛋白鏈和鏈和肌紅蛋白構(gòu)象的相似性（二）氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象的變化 圖6-10 血紅蛋白半分子（二聚體的側(cè)面觀）裝配接觸 11和相同的22接觸。涉及螺旋B、G、H和非螺旋段GH拐彎的30多個(gè)殘基，接觸面大，對亞基的裝配很重要。當(dāng)血紅蛋白從去氧變?yōu)檠鹾闲问綍r(shí)它們不變?；瑒?dòng)接觸 12和相同的21接觸。涉及螺旋C、G、

7、H和非螺旋段FG拐彎的19個(gè)殘基，當(dāng)血紅蛋白因氧合作用而發(fā)生構(gòu)象變化時(shí)，這些接觸也發(fā)生改變。作為動(dòng)態(tài)構(gòu)象分子，血紅蛋白可以看作是-二聚體的二聚體，也可以看作是相同的二聚體半分子組成：11-亞基和22-亞基對。每個(gè)-二聚體作為鋼體移動(dòng)。當(dāng)血紅素基氧合時(shí)，分子的兩個(gè)二聚體半分子彼此滑動(dòng)。如果一個(gè)-二聚體固定不動(dòng)，則另一個(gè)-二聚體將繞一個(gè)設(shè)想的-二聚體的偏心樞軸旋轉(zhuǎn)約15并平移0.08nm。 去氧血紅蛋白 氧合血紅蛋白（1）T態(tài)（緊張態(tài)） 和氧的親和力高，是氧合血紅蛋白的形式。（2）R態(tài)（松弛態(tài)）和氧的親和力底，是去氧血紅蛋白的形式。氧與一個(gè)處于T態(tài)的亞基結(jié)合后，轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)。原因是穩(wěn)定T 態(tài)的作用力

8、被破壞。（三）血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合（Hb氧結(jié)合曲線）（四）H+、CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響+、和CO2促進(jìn)氧的釋放（Bohr效應(yīng)） .降低Hb 對氧的親和力+、和CO2促進(jìn)氧的釋放（Bohr效應(yīng)）Bohr效應(yīng)Bohr效應(yīng)的意義.降低Hb 對氧的親和力圖6-19 BPG對Hb氧合曲線的影響 圖6-18 BPG分子接及其與Hb 的兩個(gè)-鏈的離子結(jié)合三、血紅蛋白與分子病 （一）分子病是遺傳的 （二）鐮刀狀細(xì)胞貧血病 （三）其他血紅蛋白病 （四）地中海貧血（一）分子病是遺傳的血紅蛋白的異常由基因突變引起，并通過遺傳在群體中散布。這是血紅蛋白進(jìn)化的基礎(chǔ)。但是許多突變是有害的，將產(chǎn)生遺傳?。╣

9、enetic disease）。在自然選擇的條件下這些有害的突變最終將會(huì)消失。其他許多是無害的，經(jīng)常被稱為“中性”突變（neutral mutation)，其中一些突變可能具有今天尚未被認(rèn)識(shí)的優(yōu)點(diǎn)，有朝一日將在群體中占優(yōu)勢。至今已知存在人類群體中的血紅蛋白遺傳變體( variant)有300多種。（二）鐮刀狀細(xì)胞貧血病 1.鐮刀狀細(xì)胞貧血病是血紅蛋白分子突變引起的 在1904年，芝加哥的james Herrick發(fā)現(xiàn)在一個(gè)患有貧血病的病人的正常細(xì)胞之中存在著許多異常的鐮刀形細(xì)胞（右圖），Herrick將這種血液病稱之鐮刀形細(xì)胞貧血病。1.鐮刀狀細(xì)胞貧血病是血紅蛋白分子突變引起的它是由于遺傳基因

10、突變導(dǎo)致血紅蛋白分子中氨基酸殘基被更換所造成的。 鐮刀狀細(xì)胞貧血病是一種致死性疾病，它的純合子患者(50%紅細(xì)胞鐮刀狀化）有的在童年就死去。雜合子患者(1紅細(xì)胞鐮刀狀化）的壽命雖也不長，但它能抵抗一種流行于非洲的瘧疾(malaria )，它也是一種致死性疾病。甚至對于攜帶正常血紅蛋白基因的純合子個(gè)體死于這種瘧疾的概率也很高、常常來不及繁殖后代就已死去，而雜合子患者對瘧疾有一定的抗性，尚能繁衍下一代，這是因?yàn)殡s合子患者加速被感染紅細(xì)胞的破壞而中斷瘧原蟲的生活周期的緣故。自然選擇的結(jié)果是出現(xiàn)一個(gè)等位基因的群體，它使純合狀態(tài)的有害作用和雜合狀態(tài)的抗瘧疾作用處于平衡中。這是平衡多形現(xiàn)象的一個(gè)明顯實(shí)例。

11、 大約花費(fèi)了四十多年的時(shí)間才確定鐮刀形細(xì)胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。序列分析發(fā)現(xiàn)，貧血病人血紅蛋白（Hb S）分子中的鏈的第六個(gè)氨基酸殘基是一個(gè)非極性的纈氨酸，而正常的Hb A分子中的鏈的第六個(gè)氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼鏈的基因中的單個(gè)核苷酸取代引起的。3.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白可形成纖維狀沉淀在1亞基的第85和88氨基酸為Phe和Lue，形成一個(gè)疏水的口袋，而2上的Val形成一個(gè)凸起，他們相互締合使血紅蛋白分子結(jié)合在一起，溶解度降低。 在體外用氰酸鉀處理鐮刀狀貧血病患者的紅細(xì)胞，可以防止它在去氧狀態(tài)下形成鐮刀狀。這種細(xì)胞生存時(shí)間比處理前要長，輸氧能力也有好轉(zhuǎn)。Hb S分子的一

12、個(gè)氨基用KCNO修飾后就能抑制紅細(xì)胞成鐮刀狀，這一反應(yīng)同CO2,與Hb A結(jié)合類似，C02也能結(jié)合到N端NH2上，只是反應(yīng)可逆，而KCNO的修飾是不可逆的。 目前關(guān)于抗鐮刀狀化的藥物研究給出了某些希望。通過適當(dāng)?shù)纳锘瘜W(xué)工程手段，可望設(shè)i十出一種不僅能防止Hb S鐮刀狀化而且對體內(nèi)其他蛋白質(zhì)無毒害的、安全的藥物。（三）其他血紅蛋白病 1.突變發(fā)生在血紅蛋白表面(鐮刀狀貧血)這種突變影響血紅素與氧的結(jié)合，或影響亞基與血紅素的結(jié)合，因而失去氧合能力）。例如造成先天性青紫的幾種血紅蛋白M就是屬于這一類。它們大多數(shù)是由于其他氨基酸取代了血紅素附近的重要?dú)埢缃鼈?cè)組氨酸(F8)或遠(yuǎn)側(cè)組氨酸（E7)等而形

13、成。例如lHb M是His a58(F8)突變?yōu)槔野彼岬慕Y(jié)果，由于Tyr殘基的酚基與Fe結(jié)合穩(wěn)定Fe3十離子，因而血紅蛋白的異常的a鏈?zhǔn)パ鹾夏芰?。例如由一個(gè)具有大側(cè)鏈的殘基取代了一個(gè)小側(cè)鏈殘基，因而造成空間位阻，影響正確的三級(jí)結(jié)構(gòu)形成，例如Hb Riverdale-Bronx(a2 225Gly-Arg)由于。螺旋間的疏水作用，多膚鏈的一三級(jí)折疊變得緊密穩(wěn)定，使水在蛋白質(zhì)中無處容身。在此例中，鏈的Gly25(B7)為精氨酸所取代，原三級(jí)結(jié)構(gòu)沒有足夠的空間來安排這樣一個(gè)大的極性側(cè)鏈，因而三級(jí)結(jié)構(gòu)被扭曲而不穩(wěn)定。影響血紅素的必需環(huán)境，也影響四級(jí)結(jié)構(gòu)的形成。四級(jí)結(jié)構(gòu)中亞基的相互作用是血紅蛋白氧合的

14、別構(gòu)調(diào)節(jié)所必需的。例如HbKempsey(a2225Asp-Asn )，鏈的Asp99(G1)突變?yōu)樘於０贰Ｔ谡５难t蛋白中Asp99與a鏈的Tyr a42(C7）形成氫鍵，穩(wěn)定T態(tài)構(gòu)象（圖6一23）。但換成Asn則不能與Tyr a42形成氫鍵以建立T態(tài)。因此，HbKempsey對02的親和力特別高，以致在組織中不能釋放02 。Hb Kansas a22 102Asn-Thr 的情況恰好相反，Asn102(G4)為蘇氨酸所取代，不能再與a鏈的Asp a94(G1)形成氫鍵以建立R態(tài)。結(jié)果是對02的親和力異常低。（四）地中海貧血地中海貧血癥可以由幾條途徑產(chǎn)生：缺失一個(gè)或多個(gè)編碼血紅蛋白鏈的基

15、因；所有基因都可能存在，但一個(gè)或多個(gè)基因發(fā)生無義突變，結(jié)果產(chǎn)生縮短了的蛋白鏈，或發(fā)生移碼突變致使合成的鏈含不正確的氨基酸序列；所有基因都可能存在，但突變發(fā)生在編碼區(qū)之外，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄被阻斷或前體mRNA的不正確加工。 1. -地中海貧血如果-珠蛋白基因丟失或不能被表達(dá)，此缺損的純合子個(gè)體將產(chǎn)生最嚴(yán)重的癥狀。它們不能制造鏈，必需依賴胎兒鏈的連續(xù)產(chǎn)生以形成有功能的血紅蛋白，a22在染色體上占基因與基因挨得很近，因而經(jīng)常會(huì)同時(shí)失去和鏈。雖然在這樣的個(gè)體中鏈的產(chǎn)生可以繼續(xù)到童年，但多數(shù)不到成熟就夭折了。雜合子患者癥狀較輕，這種人有一個(gè)基因仍是正常的。在這些所謂地中海貧血（或稱地中海貧血性狀）中鏈的產(chǎn)生受到

16、限制，但不完全被關(guān)閉。2. a-地中海貧血 涉及a鏈的地中海貧血有著更加復(fù)雜的情況，因?yàn)樵诿總€(gè)染色體上有兩個(gè)鄰接的拷貝（a1和a2）。它們的蛋白質(zhì)產(chǎn)物只差一個(gè)氨基酸殘基，并且都是有功能的。因此一個(gè)人可以有4、3、2、1或0個(gè)a基因拷貝。含4個(gè)拷貝是正常的，3個(gè)或2個(gè)拷貝是不對稱的，僅含1個(gè)拷貝的可能表現(xiàn)出輕微的癥狀（a-地中海貧血性狀）。0個(gè)拷貝則是致命性的（a-地中海貧血）。A-珠蛋白鏈的水平低下時(shí)，將形成同四聚體：4血紅蛋白（Hb H），4血紅蛋白（Hb Barts）或4-它們能結(jié)合02：，但無血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)，總是處于R態(tài)，并且也不呈現(xiàn)Bohr效應(yīng)。因此向組織卸氧的效率差稱為胎兒水腫的情況，所有4個(gè)拷貝均丟失(0個(gè)拷貝），不能合成有功能的a鏈，因此不能形成Hb F和Hb A胎兒可能制造一種胎兒一胚胎血紅蛋白（22）而存活下來，但通常會(huì)在出生前死去或出生后不久死亡 。和一地中海貧血性狀（雜合子）一般對瘧疾也有防護(hù)作用，因此這種突變會(huì)在瘧疾高發(fā)區(qū)存在下來。四、免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白 （一）免疫系統(tǒng) （二）免疫系統(tǒng)能識(shí)別自我和非我 （三）在細(xì)胞表面的分子相互作用引發(fā)免疫反應(yīng)