血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

0抗氧化酶系統(tǒng)的特點隨著地球大氣的變化，生物也在不斷發(fā)展。光合作用產(chǎn)生的氧氣是大氣變化的主要因素,與之相應的是生物進化到以氧為基礎(chǔ)的代謝,這是一種具有高度適應性的代謝機制,例如在糖的有氧代謝過程中釋放的能量比相應的無氧代謝過程要多得多。而在這個過程中,出現(xiàn)了兩個重要的氧結(jié)合蛋白,肌紅蛋白和血紅蛋白,這樣在有氧代謝過程中就不再受O2在水中溶解度低的限制,為生物進一步進化奠定了堅實的基礎(chǔ)。生物體內(nèi)的許多反應,如輸氧,呼吸作用,光合作用等均離不開血紅蛋白。而肌紅蛋白和血紅蛋白也是目前為數(shù)不多的研究得較為透徹的兩個蛋白質(zhì),是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究的范例。1血紅蛋白及其同分異構(gòu)血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)測定是由佩魯茨及其同事于1963年完成的,在他的《真該早些惹怒你》一書中,簡要回顧了研究血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)的歷程。首先,創(chuàng)造性地提出了“同晶置換法”,即在所要分析的蛋白質(zhì)晶體中引入適當?shù)闹亟饘僭?得到同晶置換晶體,通過對同晶置換晶體的X射線衍射結(jié)構(gòu)分析,成功揭示了血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)。接著,在19世紀40年代法拉第對血液所作的相關(guān)磁性研究后,借鑒著名化學家鮑林及其學生科里爾對血紅蛋白磁化率的測定結(jié)果,通過對光譜學與磁性測定技術(shù)等的創(chuàng)造性應用,佩魯茨在1970年發(fā)現(xiàn)“鐵的自旋變化觸發(fā)血紅蛋白與氧的化學反應及同分異構(gòu)變化”,并從血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的變化闡述了其輸氧機制。血紅蛋白(Hemoglobin-Hb)存在于血液的紅細胞中。在紅細胞成熟期間產(chǎn)生大量的血紅蛋白,并失去胞內(nèi)的細胞器——細胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng),血紅蛋白以高濃度溶解于紅細胞溶膠中。脊椎動物的血紅蛋白分子由4個盤繞在一起的多肽鏈組成,其中兩個為α多肽鏈,另兩個是β多肽鏈,每個多肽鏈都含有一個血紅素亞基heme,每個血紅素亞基都有一個氧結(jié)合部位。Hb分子近似球形,4個亞基占據(jù)相當于四面體的四個角頂,整個分子呈C2點群對稱。所有研究過的脊椎動物的血紅蛋白都顯示與此基本相同的三維結(jié)構(gòu)。四個血紅素亞基(雙凹圓盤狀,直徑6～9μm)分別位于每個多肽鏈的E和F螺旋之間的裂隙處,并暴露在分子的表面(圖1)。四個氧接合部位彼此保持一定的距離,其中兩個最近的距離是2.5nm。X射線結(jié)構(gòu)分析表明,血紅蛋白主要存在兩種構(gòu)象:T態(tài)和R態(tài),T態(tài)是緊張態(tài)(tensestate),是去氧血紅蛋白的主要構(gòu)象,R態(tài)是松弛態(tài)(relaxedstate),R態(tài)血紅蛋白對氧氣的親和力明顯高于T態(tài),并且氧合后使R態(tài)更穩(wěn)定。2血液中的血氧2.1多肽鏈上的鐵離子血紅素是原卟啉Ⅸ與鐵的配合物,亦稱鐵原卟啉Ⅸ或亞鐵血紅素。其中原卟啉Ⅸ分子由4個吡咯環(huán)組成,4個吡咯環(huán)通過甲叉橋相連接,與四吡咯環(huán)系統(tǒng)相連的有四個甲基,兩個乙烯基和兩個丙酸基,Fe(Ⅱ)則位于卟啉Ⅸ的中心(圖2)。該鐵離子通常是八面體配位,有六個配位鍵,其中四個配位原子是四吡咯環(huán)的N原子,另兩個配位原子則沿著垂直于卟啉環(huán)面的軸分布在環(huán)的上下。兩個軸向配體其中一個為O2,另外一個為His殘基(即多肽鏈上第64位殘基)。His殘基的分子結(jié)構(gòu)見圖3,氧合血紅素亞鐵離子的結(jié)構(gòu)見圖4。由圖4可知:與鐵(Ⅱ)配位的吡咯環(huán)和His殘基都具有含氮的共軛體系,其中N作為配位原子既可以提供一個π單電子、也可以提供一對孤對電子。合理的結(jié)構(gòu)為:吡咯環(huán)中的每個N、His殘基上的亞氨基N(而不是亞氨基正離子N+)以及O2各提供1對孤對電子與Fe2+形成配鍵,這樣Fe2+的配位數(shù)為6、價電子總數(shù)為18。2.2氧氣和血紅素基的結(jié)合會導致血液紅棕色結(jié)構(gòu)的變化2.2.1血紅素亞鐵的結(jié)構(gòu)表征去氧血紅蛋白中Fe(Ⅱ)為5配位,其電子排布與孤立Fe2+的一樣,6個d電子以4個不成對電子和一個電子對的形式存在,即去氧血紅蛋白為電價配合物,呈順磁性,Fe(Ⅱ)處于高自旋態(tài),體積較大,加上卟啉環(huán)系統(tǒng)π電子之間的靜電排斥作用及其與HisF8之間的空間排斥作用,迫使Fe(Ⅱ)向HisF8(組氨酸)靠近而突出卟啉環(huán)面約0.06nm,結(jié)果血紅素基也在同一方向突起呈圓頂狀(圖5)。血紅蛋白氧合時,O2成為Fe(Ⅱ)的第6個配體,Fe(Ⅱ)的6個d電子重排成3個電子對,原來的4個不成對電子擠在了兩個軌道上,Fe(Ⅱ)變成了反磁性和低自旋態(tài),自旋態(tài)的變化使得Fe(Ⅱ)離子與HisF8之間的鍵縮短,此化學鍵變成垂直于血紅素平面,卟啉環(huán)系統(tǒng)的N原子和Fe(Ⅱ)之間的相互作用也被加強。低自旋Fe(Ⅱ)的體積比去氧時縮小,加之其他空間因素和靜電作用因素的影響,Fe(Ⅱ)向卟啉環(huán)平面的中央空穴靠攏約0.039nm,此時的Fe(Ⅱ)處于平面上方僅0.021nm,血紅素基也由圓頂狀變?yōu)槠矫鏍?。仿佛像O2分子牽引Fe(Ⅱ)接近卟啉環(huán)平面。接受了O2的一對電子,Fe(Ⅱ)為八面體配位,而且其價電子總數(shù)為18,所以氧合血紅素亞鐵是比較穩(wěn)定的構(gòu)型。Fe(Ⅲ)之所以不能行使載氧功能,可能的原因有Fe(Ⅲ)在與氧配位后,僅能形成不太穩(wěn)定的17電子配合物,以及Fe3+—O2-之間結(jié)合得不穩(wěn)定,不能完成從肺部經(jīng)動脈到靜脈再到肺的比較漫長的運載O2的過程。2.2.2heme氧合me氧合反應呈T態(tài)的去氧血紅蛋白有專一的氫鍵和鹽橋起穩(wěn)定作用,當Fe(Ⅱ)移動時,它同時拖動HisF8殘基,并進而引起螺旋F和拐彎EF和FG的位移,這些移動傳遞到亞基的界面,在這里引發(fā)構(gòu)象重調(diào),導致維系去氧血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)的鏈間鹽橋斷裂以及亞基之間的空隙變窄,同時降低2,3—二磷酸甘油酸(BPG)的濃度。BPG是血紅蛋白的一個重要的別構(gòu)效應物,它可以降低血紅蛋白對O2的親和力。于是,heme氧合時,Fe2+發(fā)生微小移動,并產(chǎn)生多級放大效應,從而通過降低BPG的濃度而大大增加血紅蛋白對氧的親和力,使之高效地完成載氧功能?？梢?配合物中心離子的電子結(jié)構(gòu)和自旋狀態(tài)的變化對其性能的影響很大。3參與氧體電子過程的檢測過去,人們一直認為氧分子是直接與亞鐵血紅素相作用。最近,越來越多的實驗事實證明,氧分子并不是直接與亞鐵血紅素直接結(jié)合。原因很簡單,O2很容易將Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ),溶液中亞鐵血紅素很容易被氧化成高鐵血紅素,生物體為了避免這種災難性后果的發(fā)生,在進化的過程中產(chǎn)生了一種中介體來完成傳遞電子的過程即形成電子隧道一血紅素系統(tǒng)(electron-tunnel-hemeETH),這樣血紅蛋白分子內(nèi)的Fe2+不是直接與O2作用,因而不易被氧化。研究發(fā)現(xiàn),馬脾鐵蛋白(Horsespleenferrite,HSF)不能從汞電極上得到電子而被還原,而棕色固氮菌鐵蛋白(BacterialferriteofAzotobactervinelandiiAVBF)則可以直接從鉑金電極上獲得電子,這是由于重金屬汞電極破壞了中介體的結(jié)構(gòu)使之失去了傳遞電子的功能,同時證明了中介體在傳遞電子過程中的重要作用。已經(jīng)有相關(guān)晶體X射線衍射的試驗發(fā)現(xiàn),在人體Ypsilanti血球蛋白中有一未知結(jié)構(gòu)物質(zhì)“quaternaryY”在傳遞電子過程中起重要的作用。血紅蛋白在肺泡內(nèi)與氧結(jié)合,在體內(nèi)工作肌肉的毛細血管中卸氧。在肌肉的毛細血管中,組織的代謝作用既產(chǎn)生H也產(chǎn)生CO2,還有BPG。H、CO2、BPG都對血紅蛋白卸氧的過程起重要作用——主要是使在氧合過程中破壞的氫鍵和鹽橋重新恢復,即重新恢復到T態(tài)。氧與血紅蛋白的結(jié)合促使血紅蛋白中的cisternsβ93與NO結(jié)合形成S-nitrosohemoglobin。與血紅蛋白在卸氧時R態(tài)向T態(tài)轉(zhuǎn)化的過程類似,S-nitrosohemoglobin在R態(tài)時結(jié)合NO,而在T態(tài)時釋放NO。NO作為體內(nèi)的信號分子,促進血管舒張,調(diào)節(jié)血壓。目前有很多研究致力于將這種血紅蛋白開發(fā)成一類有效的穩(wěn)定血壓的藥物。其中,電化學方法已經(jīng)成為重要的研究手段之一。如李清水等將血紅蛋白吸附于納米氧化鈦涂層電極上,檢測血紅蛋白在該電極上吸附NO的行為,并通過電化學方法從“鈍化”了的血紅蛋白除去NO以恢復其結(jié)構(gòu),這可為使用血紅蛋白探針檢測NO的電極再生提供參考。鐮刀型貧血癥是由于編碼血紅蛋白基因發(fā)生突變,致使血紅蛋白中的一個氨基酸分子被取代,結(jié)構(gòu)上的微小改變,生成了不正常的血紅蛋白,引起非常嚴重的疾病。目前,對取代氨基酸殘基后對功能影響的細節(jié)還知道得很少?？茖W家們希望通過定點突變錯誤基因,重新生成正確的血紅蛋白來治療鐮刀型貧血癥,這種設(shè)想已經(jīng)在小鼠上初步得以實現(xiàn)。人們通過化學修飾手段或基因工程的方法,人工模擬功能四聚體或多聚體作為血紅蛋白替代