结构生物学 论文

血蓝蛋白的结构和功能

刘雪莹

摘要：血蓝蛋白是近年来发现的一种多功能蛋白，存在于软体动物和节肢动物体内，主要功能是载氧。本文主要介绍血蓝蛋白的结构和功能。

关键词：血蓝蛋白；节肢动物血蓝蛋白；软体动物血蓝蛋白；结构和功能

The structure and function of hemocyanin

LIU Xue-ying

Abstract:Hemocyanin is a multifunctional protein and recently recognized with immune activities，it exists in arachnology, it’s main function is to carry oxygen.This article mainly introduces the structure and function of hemocyanin.

Keywords: hemocyanin; arthropod hemocyanin; mollusk hemocyanin; structure and function

收稿日期：2012—6—25

作者：刘雪莹

除极低等的少数动物外, 绝大多数动物的氧运输均需要血液中特殊蛋白质的参与, 这类参与呼吸作用的蛋白质家族统称为呼吸蛋白。动物的呼吸蛋白划3大类:血红蛋白( hemoglobin, Hb)、血蓝蛋白( hemocyanin, Hc)和蚯蚓血红蛋白( hemerythreins, Hr)。本文介绍血蓝蛋白。血蓝蛋白又称血蓝素，是位于节肢动物(螯肢类、甲壳类、多足类和蜘蛛类)和软体动物(腹足类和头足类)血淋巴中的含铜呼吸蛋白，脱氧状态为无色，氧结合状态为蓝色，此时在570nm处出现吸收峰。一般认为，血蓝蛋白的主要生物学功能与机体内的运输氧有关。[1]但最新研究表明，血蓝蛋白不仅是一种含铜呼吸蛋白，而且还是一种重要的免疫分子，[2]该蛋白参还与了能量储存、渗透压维持、蜕皮过程调节,特别是酚氧化物酶活性和抗菌等生物功能的执行。

血蓝蛋白的相对分子质量一般为50 ku～75 ku ，由7 或8个功能单位组成。组成血蓝蛋白的亚单位数目较多，每个亚单位都含有 2 个Cu ( Ⅰ)离子。不同蛋白质所含亚单位数目不同,有些血蓝蛋白的分子质量可达9 ×103ku。早在一个世纪前人们就认识了血蓝蛋白，近几十年来，由于分子生物学研究的进展，人们对它又发生了新的兴趣。

1血蓝蛋白的结构

1.1节肢动物的血蓝蛋白结构

节肢动物门的螯肢类、甲壳类、多足类和蜘蛛中都含有血蓝蛋白。其血蓝蛋白的三级结构如图一。节肢动物血蓝蛋白相对分子质量约为75 000 Da ，其中第二个域为α螺旋区，螯合一对Cu （I），可结合

一个O 2，下方为第三个域，由β折叠块构成，并含有Ca 离子,功能尚不详。[3] 节肢动物血蓝蛋白的三级结构经过进化，已分化成： ①酚氧化酶原；②昆虫的六聚蛋白，不螯合Cu （I ），为贮藏蛋白； ③甲壳类的假血蓝蛋白，也为贮藏蛋白；④双翅类的六聚蛋白受体。

典型的节肢动物血蓝蛋白是由六个高度螺旋的异源亚基构成的六聚体，六聚体中每个亚基折叠为三个结构域， 其中第一、 三结构域分别为亚基蛋白的N 、 C 端,第二结构域含血蓝蛋白的活性部位, 活性部位结合有两个铜离子 CuA 和CuB,每个铜离子分别与蛋白质链上三个组氨酸的咪唑氮原子配位。传统上将构成六聚体的单个亚基称为血蓝蛋白的最小功能单位,或称为单体。[4]节肢动物血蓝蛋白四级结构如图二。

1.2 软体动物血蓝蛋白结构

血蓝蛋白三级结构第1 域为α螺旋区，螯合一对 Cu （I ），可结合一个 O 2 ，第2 域为β折叠块,可能也含有Ca 离子。用 X 光晶体衍射法已在头足类的章鱼Octopus dofleini 中获得了软体动物血蓝蛋白的三维构象（图三）。[5]

图一 节肢动物血蓝蛋白三级结构

图二 节肢动物血蓝蛋白四级结构

图三 软体动物血蓝蛋白三级结构

软体动物血蓝蛋白的亚单位很大，相对分子质量可达350 000～450 000 Da ，每个亚单位由7～8 个在大小上约为50 000 Da 的相似功能单位(FU)组成，命名为a ～h 。2 个外壁(a 、 b 、 c 和d 构成) 反向组成二聚体，5 个二聚体构成双五聚体。中心由领(collar ,即功能单位 h 组成双五聚体，头足类中无领) ，领外为拱(arc ,即功能单位g 组成双五聚体)，再向外为功能单位e 和f ,这三部分合成核心(core) 结构。核心结构外为外壁构成了中凹的血蓝蛋白的半个分子（图五）。[6]

2血蓝蛋白的功能

血蓝蛋白是一种呼吸蛋白，它最主要的功能就是载氧。另外，它还有抗病毒功能、凝血功能及抗菌等功能。血蓝蛋白特别是软体动物血蓝蛋白广泛应用在抗肿瘤、 增强免疫、 检测曼氏血吸虫及日本血吸虫病和研制血吸虫病疫苗等领域， 是当前呼吸蛋白研究的热点之一。[7]

2.1载氧功能

血蓝蛋白以Cu （I ）作为辅基， [8]主要生理功能为载氧。血蓝蛋白的活性中心有两个Cu 离子，脱氧状态（一价Cu 离子）呈无色，氧合状态（二价Cu ）离子呈蓝色。血蓝蛋白载氧亚单位分3个结构区域：区域I 存在大量α螺旋；区域Ⅱ(第176—400个氨基酸残基)，含α螺旋及双铜离子（氧分子键合部位）；剩余258 个氨基酸残基构成区域III,是类似于超氧化物歧化酶的β折叠结构。在活性中心，每个铜离子与 3个组氨酸残基的咪唑氮配位。未氧合时，铜离子与组氨酸残基咪唑氮的配位基本上是三角形几何构型，铜离子相距46 pm ，相互作用很弱。氧合后，Cu （Ⅱ）为四或五配位，两个铜离子与过氧阴离子和 6 个组氨酸残基中最靠近铜离子的4 个组氨基酸残基咪唑氮强配位。此时，每个铜离子呈平面正方形几何构型，这是 Cu ( Ⅱ)最有利的配位状况。氧分子以过氧桥形式在连接两个 Cu ( Ⅱ)，两个 Cu ( Ⅱ)相距约36 pm 。载氧过程可表示为图六：[9]

图五 由8 个功能单位(a ～h) 组成的软体动物血蓝蛋白的模型