第6章　蛋白质结构与功能的关系

6.1　复习笔记

一、肌红蛋白的结构与功能

1肌红蛋白的结构

肌红蛋白是哺乳动物细胞肌细胞中的蛋白质，主要功能是贮存和分配氧。

（1）肌红蛋白分子呈扁平的棱形。由一条多肽链和一个辅基血红素构成，分子中多肽主链由长短不等的8段直的α-螺旋组成。

（2）肌红蛋白分子内部只有一个能容纳4个水分子的空间。疏水侧链的氨基酸残基在分子内部，不与水接触；亲水基团侧链的氨基酸残基几乎全部分布在分子的外表面，所以肌红蛋白可溶。

2辅基血红素

蛋白质不能直接与O₂可逆结合，但是过渡金属的低氧态有很强的结合O₂的能力。血红素是指原卟啉Ⅸ与Fe的络合物铁原卟啉Ⅸ，铁原子可以是2价（Fe2＋）或3价（Fe3＋）的，相应的血红素称为（亚铁）血红素和高铁血红素。相应的肌红蛋白称为（亚铁）肌红蛋白和高铁肌红蛋白。其中只有亚铁态的蛋白质才能结合O₂。

3肌红蛋白与O₂的结合过程

（1）肌红蛋白与O₂结合

肌红蛋白中血红素铁在第5配位键与珠蛋白His（F8）侧链的咪唑N结合，当肌红蛋白结合氧变成氧合肌红蛋白时，第6配位与O₂结合，在去氧肌红蛋白中第6个配位位置是空着的。在高铁肌红蛋白中氧结合部位失活，H₂O分子代替O₂成为Fe（Ⅲ）第6个配体。

（2）O₂的结合改变肌红蛋白的构象

肌红蛋白血红素与O₂结合后，铁原子的位置与卟啉环平面的关系发生关键性改变。在去氧肌红蛋白中Fe（Ⅱ）离子只有5个配体，此时铁卟啉呈圆顶状或凸形。当与O₂结合时，Fe（Ⅱ）被拉回到卟啉环平面，铁卟啉由圆顶状变成平面状，这一微小变化改变了血红蛋白四聚体内的亚基-亚基相互作用，是肌红蛋白具有别构性质的基本原因。

4肌红蛋白的氧结合曲线（图6-1）

图6-1　肌红蛋白和血红蛋白的氧结合曲线

肌红蛋白的氧结合曲线是双曲线，在低氧时，对氧具有较高的亲和力，有利于从氧含量低的血液中结合氧，有利于氧的贮存。

二、血红蛋白的结构与功能

血红蛋白存在于血液中的血细胞中，主要功能是在血液中结合并转运氧气。

1血红蛋白的结构

脊椎动物的血红蛋白由4个多肽亚基组成，即两条α链，两条β链，每个亚基都有一个血红素辅基和一个氧结合部位，四条多肽链之间的连接键是非共价键。

2氧结合引起的血红蛋白构象变化

氧合作用改变了血红蛋白（Hb）的四级结构，血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换。血红蛋白存在两种主要构象态：T态（紧张态）和R态（松弛态）。T态和R态常常用于描述别构蛋白质的两种互换的构象。

（1）O₂对R态血红蛋白的亲和力明显高于T态，并且氧的结合更稳定了R态；

（2）缺氧时T态更加稳定，因此T态是去氧血红蛋白的主要构象，作为T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐桥起着稳定作用；

（3）R态是氧合血红蛋白的主要构象，T态结合O₂后转变成R态，并使分子内一些盐桥断裂。

血红蛋白是一个别构蛋白质，当一个氧分子与血红素结合时，会引起血红蛋白构象发生改变，其构象改变时使α/β对螺旋并滑动，导致两个亚基靠近，中央腔变窄，从而影响血红蛋白结合氧的能力。

3血红蛋白的氧结合曲线（图6-1）

血红蛋白的氧合曲线是S形，在低氧时（去氧血红蛋白），对氧的亲和力低；在高氧时（氧合血红蛋白）对氧有高亲和力。并且血红蛋白的氧合属于正协同性同促效应，O₂是正常的配体也是正同促效应物（正同促调节物）。一个O₂的结合可以增加同一个Hb分子中其余空的氧结合部位对O₂的亲和力。协同结合使得血红蛋白对组织与肺中氧气浓度的细小差别更加敏感，在肺中血红蛋白几乎全部被氧饱和，而在组织毛细血管中氧几乎全部被释放。这样血红蛋白在氧气浓度高的肺中结合氧，在氧气浓度低的组织中释放氧气。血红蛋白氧合协同性使它能更有效地运输氧气，发挥它的功能。

4H＋和CO₂促进O₂的释放（Bohr效应）

Bohr效应是指pH对血红蛋白对氧的亲和力的影响。当H＋浓度增加（pH下降）或者增加CO₂的浓度时，都能降低血红蛋白对氧的亲和力，促进血红蛋白释放氧气，Hb的氧分数饱和曲线向右移动。因此H＋可看成是血红蛋白氧合的拮抗物。Bohr效应的生理意义有以下几个方面：

（1）血液流经pH较低，CO₂浓度较高的组织特别是肌肉时，有利于血红蛋白释放氧气，而CO₂的释放促进血红蛋白和H＋、CO₂的结合，补偿由于呼吸作用形成的CO₂而引起的pH降低，起缓冲血液pH的作用。

（2）血液流经肺部，这里氧气分压高，有利于血红蛋白与氧气结合并促进H＋和CO₂的释放，同时CO₂的呼出有利于氧合血红蛋白的形成。

5BPG降低血红蛋白对O₂的亲和力

BPG（2,3-二磷酸甘油酸）是血红蛋白的一个别构效应物，BPG与血红蛋白的结合属于异促调节。血红蛋白分子只有一个BPG的结合部位，当它们结合时，BPG分子把血红蛋白的两个β链交联在一起，BPG和两个β链之间的离子键有利于稳定去氧血红蛋白（T态）的构象，促进氧的释放；同时氧合血红蛋白（R态）的中央空穴太小，容纳不了BPG，所以O₂和BPG与血红蛋白的结合是相互排斥的。

三、血红蛋白分子病

基因突变引起血红蛋白的异常，并且能够通过遗传在群体中散布，有些突变是有害的，因此会产生相应的遗传病，以血红蛋白的突变为例，介绍以下几种血红蛋白分子病（表6-1）。

表6-1　血红蛋白分子病