第6章蛋白质功能与进化

3、段间拐角处有1~8个氨基酸残基组成的非螺旋区段；在 、段间拐角处有 个氨基酸残基组成的非螺旋区段； 个氨基酸残基组成的非螺旋区段 C-末端有 个氨基酸残基的松散肽链。 末端有5个氨基酸残基的松散肽链 末端有 个氨基酸残基的松散肽链。 4、整个分子很致密，呈扁平的棱形。分子内部有一个空 、整个分子很致密，呈扁平的棱形。 空穴内衬有一层疏水氨基酸残基， 穴，空穴内衬有一层疏水氨基酸残基，血红素就靠非共 价键结合在这个空穴中。 价键结合在这个空穴中。 5、血红素结合部位除内衬一层疏水氨基酸残基外，还有 、血红素结合部位除内衬一层疏水氨基酸残基外， 两个组氨酸残基，这两个组氨酸残基在Mb与氧结合方 两个组氨酸残基，这两个组氨酸残基在 与氧结合方 面具有重要的作用。 面具有重要的作用。 第一个组氨酸残基是His F8，叫近端组氨酸，该组氨酸咪 第一个组氨酸残基是 ，叫近端组氨酸， 唑基的N与血红素的 与血红素的Fe(II)的第 个配位键相连。第二个 的第5个配位键相连 唑基的 与血红素的 的第 个配位键相连。 组氨酸残基是His E7，叫远端组氨酸，它位于血红素与 组氨酸残基是 ，叫远端组氨酸， 氧结合的一侧，离血红素稍远，不与Fe(II)成键，在E7 成键， 氧结合的一侧，离血红素稍远，不与 成键 His与铁原子之间有一细小的空间，是氧结合部位，O2 与铁原子之间有一细小的空间， 与铁原子之间有一细小的空间 是氧结合部位， 与血红素Fe(II)的第 个配位键相连。 的第6个配位键相连 与血红素 的第 个配位键相连。
这样E7 与氧分子紧密接触 这样 His与氧分子紧密接触，形成空间位阻，使氧轴 与氧分子紧密接触，形成空间位阻， 不能垂直于环平面，而与Fe-O键轴约有 o倾斜。所以 键轴约有60 不能垂直于环平面，而与 键轴约有 倾斜。 氧与血红蛋白的结合部位是位于一个具有空间位阻区域 内。 如果水占据了这个细小的空间，氧就不能与铁结合， 如果水占据了这个细小的空间，氧就不能与铁结合，而 实际上血红素结合在肌红蛋白的一个疏水空穴中， 实际上血红素结合在肌红蛋白的一个疏水空穴中，不用 考虑水占据此空间
★HbA H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOH HbS H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-COOH
位氨基酸位于Hb分子表面 含疏水侧链， ★第6位氨基酸位于 分子表面，Val含疏水侧链，Glu 位氨基酸位于 分子表面， 含疏水侧链 含亲水侧链， 取代Glu后，去氧血红蛋白的溶解 含亲水侧链，当Val取代 取代 后 度降低，对氧合Hb无影响 有人设想， 无影响， 度降低，对氧合 无影响，有人设想，Val侧链形成 侧链形成 一个突起的，在脱氧的HbS上有一个与突起互补的凹 一个突起的，在脱氧的 上有一个与突起互补的凹 这样一个HbS的突起与另一 的突起与另一HbS的凹陷作用形成 陷，这样一个 的突起与另一 的凹陷作用形成 细长的聚合体。即纤维状沉淀。 细长的聚合体。即纤维状沉淀。
2）镰刀状红细胞的纯合子患者（50%的红细胞为 ）镰刀状红细胞的纯合子患者（ 的红细胞为 镰刀状）有的在童年就死去，杂合子患者（ 镰刀状）有的在童年就死去，杂合子患者（1% 的红细胞镰刀状）的寿命虽也不长， 的红细胞镰刀状）的寿命虽也不长，但他能抵抗 流行于当地的一种疾病——疟疾，疟疾也是一种 疟疾， 流行于当地的一种疾病 疟疾 死亡率很高的疾病，正常人（血红蛋白纯合子） 死亡率很高的疾病，正常人（血红蛋白纯合子） 感染疟疾的几率很高， 感染疟疾的几率很高，而血红蛋白杂合子对疟疾 具有一定的抵抗能力， 具有一定的抵抗能力，原因是当疟原虫感染红细 胞时，杂合子患者能加速红细胞的破裂， 胞时，杂合子患者能加速红细胞的破裂，中断疟 原虫的生活周期。 原虫的生活周期。
4、血红蛋白与肌红蛋白相比具有两个特点： 、血红蛋白与肌红蛋白相比具有两个特点： 个亚基之间凹凸互补， （1）血红蛋白是寡聚蛋白，4个亚基之间凹凸互补，形成 ）血红蛋白是寡聚蛋白， 个亚基之间凹凸互补 一个长、 高分别为6.4nm、5.5nm、5.0nm的对称四 一个长、宽、高分别为 、 、 的对称四 面体。 面体。 亚基与亚基之间有两个重要的接触面： 亚基与亚基之间有两个重要的接触面： 一是在 半分子 半分子（ 的接触， 一是在Hb半分子（α1β1和α2β2）中α和β的接触，叫装配接 和 的接触 此接触面大，包含34个氨基酸残基 个氨基酸残基， 触，此接触面大，包含 个氨基酸残基，形成稳定的二 聚体，此接触面，不受血红素与氧结合的影响。 聚体，此接触面，不受血红素与氧结合的影响。 二是在半分子 在半分子间 的接触， 二是在半分子间的α和β的接触，此接触面小，包含 个氨 和 的接触 此接触面小，包含19个氨 基酸残基，把二聚体连成四聚体，这个接触面不太牢固， 基酸残基，把二聚体连成四聚体，这个接触面不太牢固， 容易受到氧与血红素结合的影响， 容易受到氧与血红素结合的影响，当氧与血红素结合时 引起构象发生变化时，两个Hb半分子将以自身为单位 引起构象发生变化时，两个 半分子将以自身为单位 彼此旋转和滑移 所以此面叫滑动接触。 旋转和滑移， 彼此旋转和滑移，所以此面叫滑动接触。 （2）一是由于亚基的缔合出现了一个中央空穴，这个空 ）一是由于亚基的缔合出现了一个中央空穴， 穴是2， 二磷酸甘油酸 二磷酸甘油酸（ 穴是 ，3-二磷酸甘油酸（BPG）的结合部位。 ）的结合部位。
含氧-HbA 含氧HbS Val 取代Glu
O2
脱氧HbS
O2 疏水位点 粘性疏水斑点
血红蛋白分子凝集
(四)血红蛋白（Hb）的结构 四 血红蛋白 血红蛋白（ ） 1、血红蛋白存在于红细胞中，在红细胞的成熟过程中， 血红蛋白存在于红细胞中，在红细胞的成熟过程中， 细胞核、细胞器消失，产生大量的血红蛋白（ 细胞核、细胞器消失，产生大量的血红蛋白（每个红细 胞约含3亿个Hb分子）。 Hb分子 胞约含3亿个Hb分子）。 亚基， 2、脊椎动物的Hb由4个亚基组成，分别为α2β2亚基，每 脊椎动物的Hb由 个亚基组成，分别为α Hb 个亚基都有一个血红素，每个血红素含一个O 个亚基都有一个血红素，每个血红素含一个O2结合部位
吡咯环
（二）珠蛋白的三级结构 1、肌红蛋白（Mb）由一条多肽链 、肌红蛋白（ ） 和一个血红素辅基构成的，去 和一个血红素辅基构成的， 辅基的蛋白质叫珠蛋白， 辅基的蛋白质叫珠蛋白，含153 个氨基酸残基。 个氨基酸残基。 2、珠蛋白中约80%的多肽链形成 、珠蛋白中约 的多肽链形成 α-螺旋区 整个分子共折叠成 段， 螺旋区,整个分子共折叠成 螺旋区 整个分子共折叠成8段 分别用A、 、 、 、 、 、 、 分别用 、B、C、D、E、F、G、 H命名。8个螺旋段大体折叠成 命名。 个螺旋段大体折叠成 命名 两层， 两层，肌红蛋白中的非螺旋区 段即拐弯用NA(N-末端）、 、 末端）、 段即拐弯用 末端）、AB、 BC、CD、DE、EF、、 、、HC 、 、 、 、、 末端） （C-末端） 末端
四、血红蛋白分子病 1、分子病：是指某种蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺 、分子病： 序与正常有所不同的遗传病，如镰刀型贫血病。 序与正常有所不同的遗传病，如镰刀型贫血病。在非洲 发病较多。 发病较多。 2、镰刀状贫血病的临床症状： 、镰刀状贫血病的临床症状： 1）患者Hb的含量仅为正常人（15~16g/100ml）的一半， ）患者 的含量仅为正常人 的含量仅为正常人（ ）的一半， 红细胞数目也是正常人[（ 红细胞数目也是正常人 （4.6~6.2）×106个/ml）的一半 ） ） 左右，红细胞的形态也不正常，未成熟的红细胞很多， 左右，红细胞的形态也不正常，未成熟的红细胞很多， 还有很多细胞在缺氧时变成新月状或镰刀状， 还有很多细胞在缺氧时变成新月状或镰刀状，红细胞病 变的原因是，所含的Hb结构不正常导致的 病变Hb用 结构不正常导致的。 变的原因是，所含的 结构不正常导致的。病变 用 表示， “HbS”表示，正常的 用“HbA”表示 表示 正常的Hb用 表示
BPG结合部位 BPG结合部位
三、血红蛋白的功能——转运氧 血红蛋白的功能 转运氧 红蛋白(Mb)的氧结合曲线 （一）肌 红蛋白 的氧结合曲线 (二)血红蛋白氧合的协同性和别构效应 二 血红蛋白氧合的协同性和别构效应 （三）Hb的协同性氧结合的定量分析 的协同性氧结合的定量分析 二磷酸甘油酸调节Hb对氧的亲和力 （四）2,3-二磷酸甘油酸调节 对氧的亲和力 二磷酸甘油酸调节 (五) H+和CO2的影响 五
3、脱去辅基的α-亚基和β-亚基分别称为α-珠 脱去辅基的α 亚基和β 亚基分别称为α 蛋白（141个氨基酸残基 个氨基酸残基） 珠蛋白（146个 蛋白（141个氨基酸残基）和β-珠蛋白（146个 氨基酸残基），这两个亚基彼此很相似， ），这两个亚基彼此很相似 氨基酸残基），这两个亚基彼此很相似，并且与 肌红蛋白也十分相似O2结合的机制 Mb与
1、肌红蛋白中载氧的部位是血红素中的铁，在脱氧Mb中 、肌红蛋白中载氧的部位是血红素中的铁，在脱氧 中 铁原子呈亚铁（ 状态， 铁原子呈亚铁（Fe2+）状态，结合氧时亚铁变为高铁 (Fe3+）状态。当亚铁氧化成高铁时，不能与氧结合。 状态。当亚铁氧化成高铁时，不能与氧结合。 2、第6配位键还可以与 、NO和H2S某些小分子结合 其 配位键还可以与CO、 和 某些小分子结合,其 、 配位键还可以与 某些小分子结合 亲合力比氧大。 亲合力比氧大。 3、肌红蛋白与氧结合时会引起肌红蛋白构象发生微小的 、 变化：去氧血红蛋白中Fe 位于卟啉环平面上方（ 变化：去氧血红蛋白中 2+位于卟啉环平面上方（His F8一侧）0.06nm处，因此铁卟啉呈圆顶状或凸形，当 一侧） 一侧 处 因此铁卟啉呈圆顶状或凸形， 结合时， 离子被拉回到卟啉环平面， 与O2结合时，Fe2+离子被拉回到卟啉环平面，此时离卟 啉环平面只有0.02nm，铁卟啉由圆顶状变成平面状。 啉环平面只有 ，铁卟啉由圆顶状变成平面状。
第6章蛋白质功能与进化
蛋白质功能的多样性 血红蛋白的结构 血红蛋白的功能 血红蛋白分子病 免疫球蛋白 氨基酸序列与生物学 同源蛋白质具有共同的进行起源