蛋白质的功能 (4)

T-态
R-态
5. H+ 、CO2和 BPG对血红蛋白结合氧的影响
（1） H+ 、CO2促进O2释放—— 波尔效应 波尔效应： H+ 和CO2 浓度的 提高，能够降低血红蛋白对 氧的亲和力，氧合曲线右移。
影响机制： ① 提高H+ 浓度降低血红蛋白对氧的亲和力 a .[H+] 降低,血红蛋白去质子化状态——盐桥断裂， 构象松散，易于结合氧。[H+ ]提高，血红蛋白质子化状 态——紧密构象，不易于结合氧。 b. 质子化部位： α链——末端 141 Vla游离α-氨基 β链——146His米唑基,α链——122His米唑基 c .两对盐桥： α链—末端 141 Vla游离α-氨基与146Arg的羧基 β链—146His米唑基与96Asp羧基 ②提高CO2分压降低血红蛋白对氧的亲和力的影响 R-NH2+ CO2↔R-NH-COO-+ H+ 易形成盐键 ③波尔效应的生理意义 a.使肺部氧合血红蛋白到组织后更易释放氧 b.对缓冲组织pH有一定意义。
过肌红蛋百贮氧和分配氧，使这些动物能够保持长时间潜水。
2.
折8段 段长：7－24AA ——α螺旋结构 转弯处1－8AA 松散结构 pro,Ile,Gly 螺旋区：A、B、C、D、E、F、G和H 非螺旋区：NA,AB,BC,CD,DE,EF,FG,GH,HC 9区
3.极性氨基酸侧链在蛋白质分子表面（肌红蛋白溶于水）。非 极性侧链位于空穴周围，不接触水，保证二价铁不被氧化成 三价铁失去与氧结合的能力。 4.血红素辅基垂直伸出分子表面，通过组氨酸（F8 近组氨酸） 的米唑基与Fe形成第五个配位键，氧与Fe形成第六个配位键。 由于近组氨酸的作用，是二价铁原子向组氨酸F8 的方向外 偏血红素平面0.3Å，氧分子结合在血红素的另一边的Fe的 第六个配位键上，位于铁原子偏离后留出的空间，组氨酸E7 在氧的一旁，它不与血红素相连，称为远组氨酸。 高铁血红素中的三价铁F偏离血红素平面只有0.2Å，留 出的 空间不够进入一个氧分子，它的第六个配位键水，因 此高铁血红素不能结合传递氧。
（3）肌红蛋白的构象保证了血红素与氧的结合 在溶液中血红素能短暂结合氧，但二价铁很快被氧化成三价 铁，而失去结合氧的能力。 经研究发现，氧化过程是通过一个配合物中间体，两个血红 素和一个氧分子的夹心结合体来完成的。 肌红蛋白为血 红素提供了一个 疏水环境，保证 铁不被氧化。
（二）肌红蛋白氧合曲线
镰刀状红细胞
The elongated cells tend to block capillaries, causing inflammation and considerable pain
1987 (Normal) (defective)
By Linus Pauling in 1949.
+
Normal
（2）BPG 的影响
影响 BPG只与脱氧血红蛋白结合， 降低血红蛋白与氧的亲和力 意义 BPG在组织缺氧时代偿性增加， 满足组织对氧的需要。
海平面 高纬度
6.异常血红蛋白及分子病 （1）分子病：由于DNA分子上结构基因的突变而合成了失去正 常功能的异常蛋白质，从而产生先天性疾病，这种病叫分子病 （遗传性疾病）。 （2）异常血红蛋白：由于血红蛋白结构基因上的一个或多个氨 基酸遗传密码发生突变而合成了没有正常输氧功能的血红蛋白， 称异常血红蛋白。 （3）镰刀状细胞贫血病 镰刀状细胞贫血病与血红蛋白的突变 亚基 HbA Glu HbSVal（疏水）一级结构的改变， 四级结构没有大区别，四聚体。构象、性质、功能的变化
Lg(
) =nlg[L]-lgK
Hill方程 K=[L]n0.5
n :Hill系数
n›1:配体结合是正协同 n‹1：配体结合是负协同 n=1配体结合没有协同性
与配体结合蛋白的无活性和有活性形式相互转换的两种模型
齐变模型
序变模型
4.氧合引起的血红蛋白 构象变化 （1）血红蛋白中Fe的变化 Fe++ ↔ Fe+++ 脱氧 氧合
BPG的结合可稳定脱氧血红蛋白的T态
T态
R态

5.血红素与珠蛋白的结合 血红素埋藏在亚基的空穴中，血红素极性很强的丙酸基 团都在分子的表面上，血红素的其余部分在分子的内部。 血红素的Fe 与F8-His His与Fe之间。 形成第五个配位键， O2位于远


每个亚基为氧提供了一个疏水空穴，周围的残基都是疏 水的，防止Fe++ 变成Fe+++

O2轴有一定的角度这种 结合构象容易被肌红蛋 白适应
CO与游离血红素结合时CO的轴与卟林环 平面垂直，而肌红蛋白中的血红素与CO结 合时，由于HisE7对垂直排布有空间位阻， 被迫采取稍微存在角度的结合，这种影响削 弱了CO与肌红蛋白的结合。
肌红蛋百血红素与配体结合的空间效应
远组氨酸
F8-His被牵拉向平面移动产生一系 列变化，传递到亚基间界面上，引起 亚基相对旋转、平移，氢键改变。


亚基移动使盐桥破坏，β亚基之间空隙变小，挤出BPG分子， 血红蛋白由紧密的T态变成松散的R态
（4）血红蛋白的别构效应 α1亚基 结合O2 →Fe移动0.06nm →三级结构改变 → 四级盐桥断裂 →亚基移动 →挤出BPG 排除了E7Vla 侧链 对O2结合部位的位阻 → β亚基与O2结合。
Y=
血红蛋白上能结合氧分子的氧结合部位数
X100%
3.血红蛋白的氧合曲线——S形曲线
Hill方程（Hill equatio）P + nL K= K PLn
P:血红蛋白 L:配基O2 Y: O2饱和度
[PLn]
[P][L]n Y 1-Y Y ( 1-Y) = [L]n K
Y=
[L]n [L]n]+[K]
The sickled cells are fragile. Their breakdown leads to an anemia that leaves the victim susceptible to infections and diseases.
正常红细胞
氧压低时，HbS变构使红细胞 变形，变形的红细胞内压不平 衡，细胞膜相应损坏，已破裂 造成溶血，产生贫血，这种病 人体内 的红细胞中血红蛋白含量仅为 正常人的一半。 患有镰刀状贫血病的人虚弱、 嗜睡、呼吸短促且脉搏增加。 毛细管被长且形状不正常的细 胞所阻塞，将引起剧烈的疼痛 并 干扰正常器官的功能。
近组氨酸
O2与HisE7(His64)通过氢键结合，这更有利于O2的结合
肌红蛋白血红素周围重要氨基酸残疾的分布
HisF8旋转牵拉使Fe 离开血红素平面，位移 0.03nm,为氧的进入提供空腔。
5.蛋白质的结构影响配体的结合方式
（1）CO与游离血红素的结合能力比氧高2万倍，但当血红素 与肌红蛋白结合时仅比O2高200倍，这是由于肌红蛋白的 HisE7的空间位阻造成的，它排斥了线性连接的CO，使肌红 蛋白中CO的结合会减弱。这种对CO结合的影响是有生理意义 的，因为CO是细胞代谢低水平的副产物。 （2）在肌红蛋白中，氧与血红素的结合也依赖于在蛋白质结 构内的分子运动，或“呼吸”。血红素包埋在折叠好的肽链 的内部，来自于周围溶液的氧不能直接与配体结合点连接。 如果蛋白质是刚性的，氧就不能以特定的速率进入或离开血 红素。然而，氨基酸侧连分子迅速伸缩，将在蛋白质结构中 产生瞬间的空腔，通过这些空腔氧显然可以实现进出。计算 机模拟肌红蛋白中快速的结构波动表明，存在许多这样的途 径，一个主要的路径是His64侧链旋转实现的。即使是微小 的构象变化，对蛋白质来说也是至关重要的。
用尿素温和处理血红蛋白仅能使四聚体解开成为α/β二聚体
（3）盐桥 脱氧血红蛋白（Hb ）四个亚基通过8个盐桥相互结合。8 个盐桥使血红蛋白分子构象受到了约束，使其对氧分子的亲和 力低于单独的α-、β-亚基对氧的亲和力，低于氧合血红蛋白 (HbO2)的氧亲和力。
4.BPG结合部位 BPG—2.3二磷酸甘油酸 位于四个亚基之间的中央 空穴中，与2个β亚基形成 6个盐桥。 β–链 Lys-NH3 + His-米唑 Vla-NH3 +
3.体液免疫反应的核心蛋白是一些可溶性蛋白，成为抗体 或免疫球蛋白。免疫球蛋白结合被确认为异物的细菌、病 毒或大分子且清除它们。免疫球蛋白占血液中蛋白质的20%， 它们是由B淋巴细胞（B细胞）产生的，这些细胞在骨髓中 完成发育过程。
4.细胞免疫的核心是各种T淋巴细胞（T细胞），这些细胞 在胸腺中完成发育，也被认为细胞毒素T细胞。识别被感染 的细胞或寄主细胞的外表面称为T-细胞受体的蛋白质有关。
Trait
Patient
（4）其他血红蛋白异常疾病 先天性青紫：HbM Tyr 取代F8His或E7His所造成的。
四、免疫球蛋白的结构与功能 ( 一) 免疫系统 1.体液免疫系统：防止细菌感染和细胞外病毒，也可能抵 御侵入机体的个别蛋白质。 2.细胞免疫系统：可清除被病毒感染的宿主细胞，也可清 除寄生虫和异源组织。
P50：表示[O2]0.5时的氧分压。 Y（氧饱和度）=0.5 P50 =PO2=K
二、血红蛋白的结构与功能
(一)血红蛋白的主要地位 血红蛋白是最早得到结晶的蛋白质之一；是第一个 与生理功能相联系的蛋白质，是第一个得到X-射线结构 分析初步结果的蛋白质；从血红蛋白一级结构的研究中 提出了分子病，从血红蛋白与O2结合的研究中发现了协 同效应，这些都说明血红蛋白在生物化学和分子生物学 发展中的地位。迄今可以说，与其他蛋白质相比，在结 构与功能关系方面，它是研究得最清楚的蛋白质。

2. Hb的二、级三结构

α、β链与肌红蛋白链有27个位置的残基是相同的，因 而三条链的二、三级结构高度相似。但Hb-α链无D螺旋。 3. 血红蛋白的四级结构 形状：四个亚基按正四面体排布，6.4x5.5x5nm。