血紅蛋白與肌紅蛋白

血紅蛋白與肌紅蛋白第1頁/共57頁一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

（一）肌紅蛋白的三級結(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)合氧的定量分析第2頁/共57頁（一）肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)肌紅蛋白由一條153個氨基酸組成的肽鏈和一個血紅素輔基組成。分子量為17800。肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)是由一簇八個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。第3頁/共57頁肌紅蛋白的內(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、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由蛋白部分形成的疏水的、象個籠子似的裂隙內(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。第4頁/共57頁抹香鯨肌紅蛋白（Myoglobin）的三級結(jié)構(gòu)第5頁/共57頁（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。第6頁/共57頁（三）02與肌紅蛋白的結(jié)合卟啉鐵和F8（93）His（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)合是一個空間位阻區(qū)域E7His（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。第7頁/共57頁第8頁/共57頁空間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(Ⅱ)接觸會使Fe(Ⅱ)氧化為Fe(Ⅲ)，血紅素也是一樣。但在肌紅蛋白內(nèi)部，由于疏水的環(huán)境，F(xiàn)e(Ⅱ)不易被氧化。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提供一個合適的結(jié)合部位．第9頁/共57頁（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(Ⅱ)只有５個配體，并位于卟啉環(huán)上方０.０５５nm。當(dāng)氧結(jié)合時，F(xiàn)e(Ⅱ)被拉回到卟啉環(huán)平面，離卟啉環(huán)平面僅為0.026nm。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。第10頁/共57頁（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，所有的肌紅蛋白被氧飽和。2.P50肌紅蛋白被半數(shù)飽和時的氧分壓。3.線粒體中的氧濃度為0-10torr，靜脈血中為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。細(xì)胞內(nèi)表面10torr（Y為80%），線粒體1torr（Y為25%）。第11頁/共57頁二、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)合氧的影響第12頁/共57頁（一）血紅蛋白的結(jié)構(gòu)

1.血紅蛋白的亞基組成

2.血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)

血紅蛋白的主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運氧。它存在于紅細(xì)胞中，每個成熟紅細(xì)胞約含3億個血紅蛋白分子。血紅蛋白從肺部經(jīng)心臟到達(dá)外圍組織的動脈血中有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．第13頁/共57頁1.血紅蛋白的亞基組成血紅蛋白有兩種4個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。第14頁/共57頁2.血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)

圖6-8血紅蛋白中亞基的排列

A正面觀B側(cè)面觀第15頁/共57頁圖6-9血紅蛋白α鏈和β鏈和肌紅蛋白構(gòu)象的相似性第16頁/共57頁（二）氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象的變化

1.氧合血紅蛋白顯著改變Hb的四級結(jié)構(gòu)

2.血紅素鐵的微小移動導(dǎo)致血紅蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)換

3.氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白代表不同的構(gòu)象態(tài)第17頁/共57頁1.氧合血紅蛋白顯著改變Hb的四級結(jié)構(gòu)圖6-10血紅蛋白半分子（αβ二聚體的側(cè)面觀）裝配接觸

α1β1和相同的α2β2接觸。涉及螺旋B、G、H和非螺旋段GH拐彎的30多個殘基，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它們不變?；瑒咏佑|

α1β2和相同的α2β1接觸。涉及螺旋C、G、H和非螺旋段FG拐彎的19個殘基，當(dāng)血紅蛋白因氧合作用而發(fā)生構(gòu)象變化時，這些接觸也發(fā)生改變。第18頁/共57頁作為動態(tài)構(gòu)象分子，血紅蛋白可以看作是αβ-二聚體的二聚體，也可以看作是相同的二聚體半分子組成：α1β1-亞基和α2β2-亞基對。每個αβ-二聚體作為鋼體移動。當(dāng)血紅素基氧合時，分子的兩個二聚體半分子彼此滑動。如果一個αβ-二聚體固定不動，則另一個αβ-二聚體將繞一個設(shè)想的αβ-二聚體的偏心樞軸旋轉(zhuǎn)約15°并平移0.08nm。

去氧血紅蛋白

氧合血紅蛋白第19頁/共57頁2.血紅素鐵的微小移動導(dǎo)致血紅蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)換第20頁/共57頁3.氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白代表不同的構(gòu)象態(tài)（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)的作用力被破壞。第21頁/共57頁第22頁/共57頁（三）血紅蛋白的協(xié)同性氧結(jié)合（Hb氧結(jié)合曲線）第23頁/共57頁第24頁/共57頁第25頁/共57頁（四）H+、CO2和BPG對血紅蛋白結(jié)合氧的影響1.H+、和CO2促進(jìn)氧的釋放（Bohr效應(yīng)）２.ＢＰＧ降低Hb對氧的親和力第26頁/共57頁1.H+、和CO2促進(jìn)氧的釋放（Bohr效應(yīng)）Bohr效應(yīng)Bohr效應(yīng)的意義第27頁/共57頁２.ＢＰＧ降低Hb對氧的親和力圖6-19

BPG對Hb氧合曲線的影響第28頁/共57頁

圖6-18BPG分子接及其與Hb的兩個β-鏈的離子結(jié)合第29頁/共57頁三、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）地中海貧血第30頁/共57頁（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)生遺傳病（geneticdisease）。在自然選擇的條件下這些有害的突變最終將會消失。其他許多是無害的，經(jīng)常被稱為“中性”突變（neutralmutation)，其中一些突變可能具有今天尚未被認(rèn)識的優(yōu)點，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。第31頁/共57頁（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

2.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白的氨基酸序列的細(xì)微變化

3.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白可形成纖維狀沉淀

4.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白的治療性矯正

在1904年，芝加哥的jamesHerrick發(fā)現(xiàn)在一個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。第32頁/共57頁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，這是因為雜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)象的一個明顯實例。第33頁/共57頁2.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白的氨基酸序列的細(xì)微變化

大約花費了四十多年的時間才確定鐮刀形細(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（HbS）分子中的β鏈的第六個氨基酸殘基是一個非極性的纈氨酸，而正常的HbA分子中的β鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼β鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的。

第34頁/共57頁3.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白可形成

纖維狀沉淀在β1亞基的第85和88氨基酸為Phe和Lue，形成一個疏水的口袋，而β2上的Val形成一個凸起，他們相互締合使血紅蛋白分子結(jié)合在一起，溶解度降低。第35頁/共57頁4.鐮刀狀細(xì)胞血紅蛋白的治療性矯正

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)胞生存時間比處理前要長，輸氧能力也有好轉(zhuǎn)。HbS分子的一個氨基用KCNO修飾后就能抑制紅細(xì)胞成鐮刀狀，這一反應(yīng)同CO2,與HbA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HbS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。第36頁/共57頁（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)

2.突變發(fā)生在血紅素輔基附近

3.突變發(fā)生在特異的部位

4.突變發(fā)生在亞基界面上第37頁/共57頁2.突變發(fā)生在血紅素輔基附近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殘基如近側(cè)組氨酸(F8)或遠(yuǎn)側(cè)組氨酸（E7)等而形成。例如lHbM是Hisa58(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?。?8頁/共57頁3.突變發(fā)生在特異的部位例如由一個具有大側(cè)鏈的殘基取代了一個小側(cè)鏈殘基，因而造成空間位阻，影響正確的三級結(jié)構(gòu)形成，例如HbRiverdale-Bronx(a2β225Gly--Arg)由于。螺旋間的疏水作用，多膚鏈的一三級折疊變得緊密穩(wěn)定，使水在蛋白質(zhì)中無處容身。在此例中，β鏈的Glyβ25(B7)為精氨酸所取代，原三級結(jié)構(gòu)沒有足夠的空間來安排這樣一個大的極性側(cè)鏈，因而三級結(jié)構(gòu)被扭曲而不穩(wěn)定。影響血紅素的必需環(huán)境，也影響四級結(jié)構(gòu)的形成。第39頁/共57頁4.突變發(fā)生在亞基界面上四級結(jié)構(gòu)中亞基的相互作用是血紅蛋白氧合的別構(gòu)調(diào)節(jié)所必需的。例如HbKempsey(a2β225Asp-Asn)，β鏈的Asp99(G1)突變?yōu)樘於０?。在正常的血紅蛋白中Aspβ99與a鏈的Tyra42(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Tyra42形成氫鍵以建立T態(tài)。因此，Hb

Kempsey對02的親和力特別高，以致在組織中不能釋放02

。HbKansasa2β2

102Asn-Thr的情況恰好相反，Asnβ102(G4)為蘇氨酸所取代，不能再與a鏈的Aspa94(G1)形成氫鍵以建立R態(tài)。結(jié)果是對02的親和力異常低。第40頁/共57頁第41頁/共57頁（四）地中海貧血地中海貧血癥可以由幾條途徑產(chǎn)生：①缺失一個或多個編碼血紅蛋白鏈的基因；②所有基因都可能存在，但一個或多個基因發(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；③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.β-地中海貧血

2.a-地中海貧血第42頁/共57頁1.β-地中海貧血如果β-珠蛋白基因丟失或不能被表達(dá)，此缺損的純合子個體將產(chǎn)生最嚴(yán)重的癥狀。它們不能制造β鏈，必需依賴胎兒γ鏈的連續(xù)產(chǎn)生以形成有功能的血紅蛋白，a2γ2在染色體上占基因與β基因挨得很近，因而經(jīng)常會同時失去β和δ鏈。雖然在這樣的個體中γ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β基因仍是正常的。在這些所謂β地中海貧血（或稱β地中海貧血性狀）中β鏈的產(chǎn)生受到限制，但不完全被關(guān)閉。第43頁/共57頁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，因為在每個染色體上有兩個鄰接的拷貝（a1和a2）。它們的蛋白質(zhì)產(chǎn)物只差一個氨基酸殘基，并且都是有功能的。因此一個人可以有4、3、2、1或0個a基因拷貝。含4個拷貝是正常的，3個或2個拷貝是不對稱的，僅含1個拷貝的可能表現(xiàn)出輕微的癥狀（a-地中海貧血性狀）。0個拷貝則是致命性的（a-地中海貧血）。A-珠蛋白鏈的水平低下時，將形成同四聚體：β4血紅蛋白（HbH），γ4血紅蛋白（HbBart‘s）或δ4-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