第六章－蛋白质结构与功能的关系

一、肌红蛋白的结构与功能

二、血红蛋白的结构与功能

三、血红蛋白分子病

四、免疫系统和免疫球蛋白

本章重点与习题

 

一、肌红蛋白的结构与功能

（一）肌红蛋白（Myoglobin）

肌细胞贮存和分配氧的蛋白质

1963年Kendrew J 等完成肌红蛋白的空间结构测定（X射线晶体学分析）

 

肌红蛋白的三级结构

 

（二）辅基血红素（heme）

肌红蛋白－血红蛋白家族以二价铁(Ⅱ)作为氧合结合部位。

肌红蛋白－血红蛋白家族中铁由有机分子原卟啉Ⅸ(protoporphyrinⅨ，属卟啉porphyrins类)固定。

原卟啉Ⅸ与铁的络合物铁原卟啉Ⅸ称为血红素(heme)。

铁原子可以是亚铁或高铁氧化态。

只有亚铁态的蛋白质才能结合O2。

 

（三） O₂与肌红蛋白的结合

血红素非共价地结合于肌红蛋白分子的疏水空穴中；

铁在第5配位键与珠蛋白His93（近侧His）的咪唑N结合，氧合时，第6配位被O2占据；

在高铁肌红蛋白中，氧合部位失活，H2O分子代替O2填充该部位，成为Fe3+的第6个配体；

His64（远侧His）与Fe原子距离远而不发生相互作用，但与O2能紧密接触。因此氧结合部位是一个空间位阻区域。一些生物学上重要的性质就出自这种位阻。

血红素在蛋白中的位置

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煤气中毒的机制

一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O₂的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与O₂的结合，从而造成缺氧死亡。

急救方法是尽快将病人转移到富含O₂的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O₂置换出来。

肌红蛋白和血红蛋白在进化中形成的多肽微环境的作用：

固定血红素；

保护血红素铁Fe (Ⅱ)免遭氧化（分子内部的疏水环境）；

为O2分子提供一个合适的结合部位。

 

（四）肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）

肌红蛋白氧合曲线（双曲线）

Hill 图　

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二、血红蛋白的结构与功能

(一) 血红蛋白的结构

1. 血红蛋白的亚基组成

脊椎动物的血红蛋白由4个多肽亚基组成，两个是一种亚基，丙个是另一种亚基。每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。

 

2. 血红蛋白的三维结构

几乎所有的血红蛋白分子（Hb）都有相似的三维结构：分子近似球形，4个亚基占据相当于四面体的4个顶角，整个分子形成C2点群对称。

血红蛋白α链和β链的三级结构和肌红蛋白链的三级结构非常相似。

 

4个血红素基分别位于每个多肽链的E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。

4个氧结合部位彼此保持一定距离，两个不同链之间的亚基相互作用最大，而两个α链之间或两个β链之间的相互作用很小。

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(二) 氧结合引起的血红蛋白构象变化

1. 氧合作用显著改变Hb的四级结构

当Hb因氧合作用而发生构象变化时，主要是第二类接触（滑动接触）发生改变。

如果一个αβ-二聚体固定不动，则另一个αβ-二聚体将绕一个设想的通过两个αβ-二聚体的偏心枢轴旋转约15°并平移0.08nm。

 

2. 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换

氧分子与铁原子结合，减少了铁原子的半径，使得铁原子移到卟啉环平面。

氧结合到靠近远端的E7 His上。

铁原子移到近端F8 His（His64）上使得该亚基构象改变，继而影响其他亚基。

 

3. 血红蛋白的两种构象： T态和R态

无氧存在时，血红蛋白血红素Fe原子的第6个配位位置是空着的，生成去氧血红蛋白；有氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红蛋白；

血红蛋白存在两种主要构象态：T态（紧张态，tense state）和R态（松弛态，relaxed state）；

O2和两种构象态的Hb都能结合，但对R态Hb的亲和力更高，并且氧的结合更稳定了R态。

血红蛋白的T态经过渡态向R态转变

 

T态的去氧Hb有专一的氢键和盐桥（6个）起着稳定作用，4个亚基的C末端处于受束缚状态。

氧与T态Hb结合后，T态转变为R态，构象重调导致维系去氧Hb四级结构的链间盐桥断裂以及亚基之间的空隙变窄，引起生物学活性变化；

 

血红蛋白的链和链之间有最强烈和紧密的接触，氧合期间血红蛋白的构象变化（R态），α1链和β1链作为一个单位相对于α2链和β2链旋转并滑动，导致两个β链靠近（达0.7nm），中央腔变窄。

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（三）血红蛋白Hb的协同性氧结合（氧结合曲线）

蛋白质四级结构与功能的关系——变构效应

当血红蛋白的一个α亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。

这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变构效应(allosteric effect)。

一个亚基的变构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应(cooperativity)。

Hill系数nH是协同性程度的一种量度

nH＝1　表示配体结合是非协同性的，如Mb，Ｈb的游离α和β链

nH >1　表示配体结合是正协同性的，如Hb，一般nH < n;

nH <1　表示负协同性，但确证的例子很少

血红蛋白与肌红蛋白的异同之处

同：有相似的三级结构（含8个α螺旋片段和铁卟啉，Fe （Ⅱ）配位几何相似），表明单体的氧结合机理相似。

异：肌红蛋白是单体蛋白，与氧结合曲线呈双曲线特征，表明在低氧时对氧有高亲和力，有利于从含氧量少的血液中吸取氧；血红蛋白是寡聚蛋白（α2β2），氧合曲线呈S形特征，表明在低氧时脱氧血红蛋白对氧有低亲和力，在高氧时（氧合血红蛋白）对氧有高亲和力。血红蛋白的S形氧合曲线也表明其亚基间有协同效应。

（四）H⁺、CO₂和BPG对血红蛋白结合氧的影响

1. H⁺和CO₂促进氧的释放（Bohr效应）

去氧血红蛋白对Ｈ+的亲和力比氧合血红蛋白大，增加［Ｈ+］（降低pH）将提高氧从血红蛋白中的释放。Ｈ+可看作血红蛋白氧合的拮抗物（antagonist）；

CO2水合将增加组织中的［Ｈ+］（pH下降）；

这种pH对血红蛋白对氧的亲和力的影响被称为Bohr效应。

 

Bohr效应的重要生理意义

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2. BPG降低Ｈb对氧的亲和力

BPG（2,3-二磷酸甘油酸）是Hb的一个重要的别构效应物；

BPG带多个负电荷，能结合在脱氧Hb的中央腔，并降低Hb对氧的亲和力。 β链His143的正电荷有利于结合BPG。

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BPG和CO₂对Hb的氧合曲线的协同影响

CO2与脱氧Hb中未解离的氨基反应，形成α氨基甲酸，参与盐键，稳定脱氧Hb。

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三、血红蛋白分子病

血红蛋白病（hemoglobinopathy）：由于或α或β链发生了变化，如镰刀状贫血病(sickle-cell anemia)；

地中海贫血(thalassemia)：由于缺少了α或β链，如α-和β-地中海贫血。

 

镰刀形红细胞贫血病

　正常血红蛋白HbA的β-6位的Glu在异常血红蛋白HbS中突变为Val。β-6位Glu位于HbA的表面，β-6-Val使ＨbS分子自发聚合成线形超分子，产生纤维状沉淀，压迫红细胞变形。

血红蛋白分子变种

 

四、免疫系统和免疫球蛋白

免疫是人类和脊椎动物最重要的防御机制。免疫本质上是对抗原的识别和进攻。

免疫的主体是淋巴细胞及其分泌的免疫分子。

Ｂ淋巴细胞表达独特的抗原结合膜受体，在抗原刺激下，产生并分泌抗体。抗体与抗原反应，是体液免疫系统的主要作用分子。

Ｔ淋巴细胞也表达抗原特异的受体，T细胞在其受体识别并结合宿主细胞表面MHC（主要组织相容性复合物）－抗原复合物后，被激活、增殖并分化成各种效应T细胞，参与细胞免疫。

抗原指能引起免疫反应的任何物质。一个单独的抗体或Ｔ细胞受体只能结合抗原内的一个特定分子结构，抗原的该结构称为抗原决定簇（antigenic determinannt）或表位(epitope)。

抗体(antibody)也称为免疫球蛋白(immunoglubin)。

人体有5类免疫球蛋白，都有如图示的Ｙ型结构。

 

MHC（主要组织相容性复合物）的结构图解

　　MHC-Ⅰ存在于几乎所有脊椎动物细胞表面。能结合并展呈细胞内随机降解和衍生的肽

　　MHC-Ⅱ存在于少数几种特化细胞表面，包括巨噬细胞和Ｂ细胞，能结合并展呈内化的抗原被降解的肽段。

 

本章重点：

       几种蛋白质的结构和功能的关系

知识点：

       肌红蛋白，血红蛋白的结构和功能，协同效应，氧合曲线，Bohr效应，BPG的调节作用，血红蛋白分子病的机理，免疫系统和免疫球蛋白

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