ProteinChemistry

4Structure

vs

functionTo

teach

is

not

to

fill

a

vase

but

to

light

a

fire一、肌紅蛋白的結構與功能肌紅蛋白是哺乳動物肌肉中

氧并

氧的蛋白。一條多肽鏈，153個氨基酸殘基，一個血紅素輔基，分子量17600

。多肽主鏈由8段直的α-螺旋組成，最長的α-螺旋有23個氨基酸殘基，最短的α-螺旋有7個氨基酸殘基。8

段螺旋分別命名為A、B、C…H。連接兩個相鄰α-螺旋的是松散肽段，由1~8個氨基酸組成。相鄰的非螺旋區肽段為NA、AB、BC…GH、HC。4個Pro殘基各自處在一個拐彎處，Ser、Thr、Asn、Ile也處在拐彎處。分子中幾乎80%的氨基酸殘基處在α-螺旋區內。肌紅蛋白多肽鏈繞曲成球狀分子，球體內充滿非極性氨基酸殘基：Val、Leu、Met、Phe等，親水的基團幾乎全部分布在球狀分子的外表面。整個分子是單結構域。（二）輔基血紅素Fe2+2H+4個吡咯環通過4個甲叉橋相連成原卟啉Ⅸ；與原卟啉Ⅸ相連的是4個甲基、2個乙烯基和2個丙酸基；亞鐵離子通過6個配位鍵結合在卟啉中心形成血紅素，鐵離子是+2價，只有+2價的亞鐵離子才能與氧結合。6個配位鍵中，4個與吡咯環的N原子相連，第5和第6配位鍵垂直于卟啉環平面，配位鍵5與珠蛋白F8-His93-咪唑基結合，另一個處于開放狀態，可結合O2

。（三）氧與肌紅蛋白的結合1.氧結合部位是一個空間位阻區域肌紅蛋白中血紅素鐵在第5位配位鍵與珠蛋白第93(F8)位His殘基的咪唑基N結合，當肌紅蛋白結合氧變成氧合肌紅蛋白時,第6配位被氧分子占據。在去氧肌紅蛋白中,第6個配位鍵是空著的。血紅素氧結合部位一側,還有另一個His殘基,即64位(E7)殘基,稱遠側組氨酸,使得被結合的氧夾在遠側組氨酸咪唑基N和Fe(Ⅱ)原子之間,因此氧結合部位是一個空間位阻區域。NNHOONNNNNFeproximaldistalproximaldistal64His

(E7)HNHis-93His93(F8)Freehemewith

imidazoleMb:COMbO22.

空間位阻效應 在游離血紅素中,

當CO與血紅素緊密結合后，Fe-C-O成一條直線；但在肌紅蛋白分子中由于遠側His的空間位阻，

CO軸與Fe-C鍵或O-O軸與Fe-C鍵成一定的角度。3.多肽微環境的作用：固定血紅素輔基，保護血紅素輔基免遭氧化，為O2分子提供一個合適的結合部位。（四）氧的結合改變肌紅蛋白的構象1.亞鐵離子的第6個配位鍵與氧結合后，鐵原子向平面位移，由高出平面0.055nm移到高出平面0.026nm，進一步帶動近側F8-His93位移；=C=N=OPlane

of

hemeDistalHis(E7)His(F8)F76G2FeFeProximalHPirso(xFi8m)alF6GFG11FG2NNCCFG3FG32.近側F8-His93位移將通過多肽構象的變化而被放大，導致肌紅蛋白分子構象的變化。（五）肌紅蛋白的氧合曲線1.

Mb的氧合動力學Mb與氧分子可逆結合的化學計量關系如下：[MbO2

]Kd

[Mb][O2

]2O2Kd

[O

][MbO2

]

[O2

][Mb]

[MbO2

]Y

肌紅蛋白氧的飽和度（YO2）表示如下(1)(2)(3)Mb

O2

MbO2平衡時，解離平衡常數Kd[Mb][O

]22[MbO

]

2pO2O2Kd

pOY

當[O2]用氧分壓pO2表示時，得下式上式中，當YO

＝50%時，Kd＝pO2，所以Kd是肌2紅蛋白的氧飽和度達到50%時的氧分壓。(4)肌紅蛋白的氧合曲線給定氧壓下肌紅蛋白氧飽和度為Y，以肌紅蛋白的氧飽和度Y和氧分壓pO2作圖，當

Y=1時，所有肌紅蛋白的氧合位置均被占

據，即肌紅蛋白被氧飽和。當Y=0.5時，肌紅蛋白的一半被飽和，

pO2

=Kd，解離常數Kd稱為P50，即肌紅蛋白一半被飽和時的氧分壓。0K20d40

60

80

100氧分壓

(pO2,mmHg)120100806040200肌肉肺泡(O2

concentration

in

artery)0.090.890.98Mb

YΔYmuscle20torrAlveolus100

torrMyoglobin肌紅蛋白氧的飽和度（YO2>%2.Mb氧合的HillPlot將（4）式改寫為YO

2

pO21

YO

2

Kd兩邊取對數得：dlog2O

2YO

2

log

pO

log

K1

Y將

log(YO2

/(1YO2

))

對

log

pO2

作圖稱為Hill作圖。肌紅蛋白的Hill作圖是一條直線。log(Y/1-Y)log

P50log

pO2Hill

Plot當log(Y/(1-Y))＝0,p(O2)＝Kd=p50。在log(Y/(1-Y)＝0這一點的斜率稱為Hill系數,以nH表示。肌紅蛋白的nH為1.0。nH＝1.0表示氧分子彼此獨立地與肌紅蛋白分子結合,即每個肌紅蛋白分子只能結合一個氧分子。煤氣 的機制一氧化碳(CO)也能與血紅素Fe原子結合。由于CO與血紅素的結合能力是O2的200倍，因此， 吸入少量的CO即可完全抑制肌紅蛋白或血紅蛋白與O2的結合，從而造成缺氧

。急救方法是盡快將轉移到富含O2的環境中(如新鮮空氣、純氧氣或高壓氧氣)，使與血紅素結合的CO被O2置換出來。二、血紅蛋白的結構與功能血紅蛋白(hemoglobin,

Hb)在血液中結合并

氧，存在于血液的紅細胞中。紅細胞成熟期間產生大量的血紅蛋白，同時失去細胞核、線粒體和內質網。從肺部經過心臟到外周組織的動脈血中Hb約為96%的飽和度。在回到心臟的靜脈血中Hb僅為64%的飽和度。每100ml血經過組織約

Hb攜帶的氧氣為6.5ml。排出CO2吸進O2肺泡肺毛細管CO2–rich,O2–poorbloodO2–rich,CO2–poorbloodHeart組織毛細管身體組織細胞（一）血紅蛋白的結構1.血紅蛋白的亞基組成由四個亞基組成。成人HbA：α2β2，98%；HbA2：α2δ2，2%

；HbF：α2γ2；早期胚胎：α2ε2；α亞基：141a.a，β，γ，δ亞基：146a.a，α亞基與β亞基間大量的鹽鍵，2,3-二磷酸甘油酸。三種血紅蛋白分子都有2個共同的α亞基(141個殘基)。β,γ和δ亞基的氨基酸順序也十分相似,并且有著共同的鏈長

(146個殘基)。2.血紅蛋白的三維結構血紅蛋白分子接近于球體，4個亞基分別在四面體的四個角上，每個亞基上有一個血紅素輔基。血紅蛋白的α、β鏈的三級結構與肌紅蛋白的很相似，但這三種多肽鏈的氨基酸順序有較大不同，141個氨基酸殘基中僅有20多個相同，不同的aa順序也能形成非常相似的高級結構。參與氧合的aa：F8His

(α亞基中的His87位或β亞基中的His92位)在血紅素的一側與它的第5個配位鍵結合；E7His在血紅素平面的另一側，緊靠第6個配位鍵，中間僅留一個氧的結合位置；（二）氧結合引起血紅蛋白構象變化1.

氧合作用顯著改變Hb的四級結構裝配接觸(packing

contact)：(α1β1)與(α2β2)的接觸。當血紅蛋白從去氧形式變為氧合形式時他們保持不變。滑動接觸(slidingcontact)：(α1β2)和(α2β1)的接觸。當血紅蛋白因氧

合而發生構象變化時，滑動接觸也發生變化。如果一個(αβ)二聚體固定不動，則另一個(αβ)

二聚體將圍繞一個理想中的軸旋轉15度，平移0.08nm。此時，(αβ)二聚體之間的界面上某些原子將移動多至0.6nm。2、血紅素鐵的微小移動導致血紅蛋白構象的轉換氧合時Hb四級結構的變化可分為電子效應和空間效應。脫氧血紅蛋白 的配位數是5，其中四個來自卟啉環的N,另一個來自近側組氨酸(F8)的第3位N。此時配位場較弱，Fe(II)與卟啉環的四個N是通過電價配位鍵連接的。Fe(II)采取高自旋(high-spin)結構，具有4個不成對電子；分布在四個軌道，因此原子半徑較大，突出在卟啉環平面的

孔穴之外，與卟啉環平面保持0.06nm的距離。該移動通過與鐵原子絡合的近側His(F8)殘基牽動了該殘基所在的多肽鏈，進而影響亞基之間的相互接觸，以致于整個分子的四級結構。Fe原子的移位，導致鹽橋的斷裂，也引起β亞基的構象變化使β亞基能順利與O2結合。3.氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白代表不同的構象態T態即緊張態（tensestate）是去氧血紅蛋白的主要構象，R態即松弛態（relaxedstate）是血紅蛋白結合氧的穩定態。氧與一個處于T態的血紅蛋白亞基結合將構象由

T態轉變為R態。此時，穩定T態的那些相互作用被斷裂。去氧血紅蛋白中各亞基間的鹽橋β亞基內：Asp94-His146α亞基間：α1-C-end與α2-N-end；α1-N-end與α2-C-end；α1-Arg141與α2-Asp126；α1-Asp126與α2-Arg141；α與β之間:α1-Lys40與β2-C-end；α2-Lys40

與β1-C-end；BPG中的3個負電荷基團與每個β亞基的Val1,Lys82,His143相連成6個鹽鍵。1112取第一張郵票要撕兩次取第二張郵票只要撕一次取第三張郵票也只撕一次取第四張郵票不必撕第一個亞基與氧結合后，將有利于第二、第三、第四個亞基與氧的結合。（三）血紅蛋白的協同性氧結合(Hb氧結合曲線)Hb與氧分子可逆結合的化學計量關系如下：[Hb(O2

)n

][Hb][O

]nKd

2

YO[Hb(O

)

] [O

]n22Kd

[O

]n[Hb]

[HbO2

)n

]

2

n

2

血紅蛋白氧的飽和度（YO2）表示如下(1)(2)(3)Hb

nO2

Hb(O2

)n平衡時，解離平衡常數2p(O2

)

nO2Kd

p(O

)nY

當[O2]用氧分壓pO2表示時，得下式上式中，當YO

＝50%時，Kd＝pO2，所以Kd是血2紅蛋白的氧飽和度達到50%時的氧分壓。0100806040200Percent

O2

saturation肌肉肺泡(O2

concentration

in

artery)20

40

60

80

100

120Partial

pressure

of

oxygen

(pO2,

mmHg)肺泡

100torr肌肉

20

torrΔ

YHb

Y0.970.250.72Mb

Y0.980.890.09血紅蛋白氧合協同性使得它更有效地起著輸送氧氣的作用。肺泡中pO2為100torr，肌肉毛細管中pO2約20torr。在肺泡中Y是0.97，肌肉毛細血管中Y是0.25。 的氧是兩個Y值之差，即ΔY=0.72。因此，ΔY是血紅蛋白輸送氧氣效率的指標。協同性將增加ΔY值。（四）H＋、CO2和BPG對血紅蛋白結合氧的影響血紅蛋白與O2的結合受環境中其他分子的調節，如質子、CO2和2,3-二磷酸甘油酸（2,3-bisphosphate,BPG）等。雖然它們在血紅蛋白分子上的結合部位離血紅素輔基很遠，但這些分子極大地影響Hb的氧合性質。這種在空間上相隔的部位之間的相互作用在很多寡聚蛋白質中存在，這就是別構效應。1．H＋和CO2促進O2的

(波耳效應

Bohr

effect

)波耳效應：增加CO2的濃度、降低pH能顯著提高血紅蛋白亞基間的協同效應，降低血紅蛋白對O2的親和力，促進O2的 ，反之，高濃度的O2也能促使血紅蛋白釋放H+

和CO2

。Hb

(H＋

CO2)＋O2Hb

O2＋H＋＋CO2In

muscle

(pH7.2)in

lung

(pH7.6)7%的CO2直接溶解在靜脈血中， 到肺部

；23%的CO2與Hb(N-端的氨基)結合，以Hb-CO2形式隨靜脈血

到肺部-70%

CO2被CA催化為碳酸，H+與Hb(咪唑基)結

Hb-H+,

HCO3

在血漿中隨靜脈血 到肺部

。Carbonic

anhydrase碳酸酐酶血漿中的CO2周邊組織細胞呼吸肺胞呼出靜脈血轉運到肺血漿中的CO2紅細胞紅細胞CO2效應的機理H+的結合部位血紅蛋白發生氧合時，連接分子內各個亞基的鹽橋全部斷裂、H+在血紅蛋白分子中的結合部位被認為是參與這類鹽橋形成的β鏈146位的His咪唑基，α鏈N末端

Val的α-氨基，此外可能還有α鏈122位His的咪唑基。CO2的結合部位CO2在血紅蛋白中的結合部位是4個亞基的N-末端氨基，這四個氨基在脫氧態時，都處于鹽鍵之中，但在氧合態時，都以游離狀態存在。這些游離末端氨基以不解離的形式參與和CO2的結合生成血紅蛋白的氨甲酰衍生物：Hb-NH2＋O=C=O

→ Hb-NH-COO－

＋H＋Hb-氨基甲酸生理意義血液流經組織特別是代謝迅速的肌肉時，這里的pH較低，CO2濃度較高，有利于血紅蛋白O2，氧的釋放又促使血紅蛋白與H+和CO2的結合，起著緩沖血液pH的作用。當血液流經肺部時，由于肺泡pO2高，有利于血紅蛋白與氧結合并因此促進了H+和CO2的。同時CO2的呼出又有利于氧合血紅蛋白的生成。2.BPG降低氧的親和力BPG是血紅蛋白的—個別構效應物。BPG通過血紅蛋白的兩個β亞基形成鹽橋穩定了它的脫氧態(T態)構象，因而降低脫氧血紅蛋白對氧的親和力。O2和BPG與血紅蛋白的結合是互相排斥的。為了更好地表示出這一事實，在BPG存在下的血紅蛋白的氧合作用可用下面方程表示：Hb-BPG＋4O2→Hb(O2)4＋BPGBPG對氧合態血紅蛋白的親和力大小的順序為:Hb(O2)＞

Hb(O2)

2＞

Hb(O2)3Binding

of2,3-bisphosphoglycerate

to

deoxyhemoglobinBPG的別構效應血紅蛋白是一個別構蛋白，BPG是它的效應物。BPG通過與它的兩個β亞基形成鹽鍵穩定了血紅蛋白的脫氧態的構象，因而降低脫氧血紅蛋白的氧親和力。BPG進一步提高了血紅蛋白的輸氧效率。在肺部，pO2超過100torr，因此，即使沒有BPG，血紅蛋白也能被飽和，在組織中，pPO2低，DPG能降低血紅蛋白的氧親和力，加大血紅蛋白的卸氧量。高山適應和肺氣腫的生理補償變化；BPG升高。血庫儲血時加入肌苷可防止BPG的降解。Effect

of

2,3-BPG2-3

BPG

increased

ataltitude.2-3

B