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1、Chapter 4.蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能 蛋白质的构象不是刚性的、静止的,而是柔性的、动蛋白质的构象不是刚性的、静止的,而是柔性的、动态的。蛋白质在执行其生物学功能的时候,总是与其它分态的。蛋白质在执行其生物学功能的时候,总是与其它分子相互作用从而使其构象发生改变。在蛋白质与其它分子子相互作用从而使其构象发生改变。在蛋白质与其它分子的相互作用中,能够与蛋白质可逆结合的分子称为配体,的相互作用中,能够与蛋白质可逆结合的分子称为配体,配体可以是任何一种分子。配体可以是任何一种分子。蛋白质配体的相互作用的瞬时性对于生命至关重要,蛋白质配体的相互作用的瞬时性对于生命至关重要,它允许生物
2、体在内、外环境发生变化时,能够快速、可逆它允许生物体在内、外环境发生变化时,能够快速、可逆地作出反应。蛋白质上的配体结合部位和配体在大小、形地作出反应。蛋白质上的配体结合部位和配体在大小、形状、电荷以及疏水和亲水性性质方面是互补的。状、电荷以及疏水和亲水性性质方面是互补的。本章的主要内容:本章的主要内容:肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能免疫球蛋白的结构与功能免疫球蛋白的结构与功能 4.1 肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能 肌红蛋白(肌红蛋白(myoglobin,Mb)是哺乳动物细是哺乳动物细胞、主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。胞、主要是
3、肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。4.1.1 肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构 肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素构成,相对分子质量为素构成,相对分子质量为16,700,含,含153个个Aa。无血红素辅基的肌红蛋白是珠蛋白无血红素辅基的肌红蛋白是珠蛋白(globin),它和血红蛋白的两个亚基的构象和功能极其相它和血红蛋白的两个亚基的构象和功能极其相似,在似,在Aa序列上具有明显的同源性。序列上具有明显的同源性。肌红蛋白分子呈扁平肌红蛋白分子呈扁平的菱形,分子大小约的菱形,分子大小约为为4.5nm 3.5nm 2.5nm,分子中多肽分子中多肽的主链有长短不同
4、的的主链有长短不同的8段直的螺旋构成,段直的螺旋构成,这这8段螺旋分别命名段螺旋分别命名为为A、B、C、D、E、F、G、H,相应的非相应的非螺旋区肽段称为螺旋区肽段称为NA、AB、BCGH、HC,个残基处有一套从个残基处有一套从N端开始计算的序列号端开始计算的序列号外,还按在个螺旋中外,还按在个螺旋中的位置另外给出编号。的位置另外给出编号。8个螺旋大体上个螺旋大体上组装成两层,构成肌红蛋白的单结构域。拐弯处的螺旋受到破坏,拐弯是由组装成两层,构成肌红蛋白的单结构域。拐弯处的螺旋受到破坏,拐弯是由18个个Aa组成的无规卷曲,组成的无规卷曲,C-末端由一个末端由一个5个个Aa的松散肽段。肌红蛋白的
5、分的松散肽段。肌红蛋白的分子十分致密结实,分子内部只有一个能容纳子十分致密结实,分子内部只有一个能容纳4个水分子的空间。个水分子的空间。4.1.2 血红素辅基血红素辅基 肌红蛋白与氧的肌红蛋白与氧的可逆结合依赖于可逆结合依赖于血红素辅基。血血红素辅基。血红素辅基是由红素辅基是由Fe(II)和原卟啉和原卟啉IX(protopor-phyrin IX)组成。卟啉类组成。卟啉类化合物有很强的化合物有很强的着色能力。着色能力。原卟啉原卟啉IX与与Fe的络合物的络合物称为称为血红素血红素(heme)。Fe为为6配位,参与配配位,参与配位的位的Fe是亚铁是亚铁Fe(II)时,血红素称为时,血红素称为亚亚铁
6、血红素铁血红素,肌红蛋,肌红蛋白称为亚铁肌红蛋白称为亚铁肌红蛋白;参与配位的如白;参与配位的如是是Fe(III),血红素血红素就是高铁血红素,就是高铁血红素,肌红蛋白是高铁肌肌红蛋白是高铁肌红蛋白。红蛋白。4.1.3 氧分子与肌红蛋白氧分子与肌红蛋白的结合的结合辅基血红素辅基血红素非共价非共价地结合地结合于肌红蛋白分子的疏水孔于肌红蛋白分子的疏水孔穴中穴中,卟啉环上的两个丙,卟啉环上的两个丙酸基伸向空穴外侧。血红酸基伸向空穴外侧。血红素中铁的第素中铁的第5个配位键与个配位键与肌红蛋白第肌红蛋白第93位(或位(或F8)的的His(称近侧)的咪唑称近侧)的咪唑N络合,当肌红蛋白与氧结络合,当肌红蛋
7、白与氧结合时,合时,Fe的第的第6个配位被个配位被氧原子占据。氧原子占据。在去氧肌红在去氧肌红蛋白中,蛋白中,Fe的第的第6配位空配位空置,在高置,在高Fe肌红蛋白中,肌红蛋白中,该配位被水占据。该配位被水占据。在血红素的氧结合部在血红素的氧结合部位一侧,还有一个位一侧,还有一个His残基,称为残基,称为远侧组氨远侧组氨酸酸(E7),),HisE7虽不虽不与与Fe发生作用,但与发生作用,但与氧原子能紧密接触。氧原子能紧密接触。这样,这样,氧结合部位实氧结合部位实际上是一个空间位阻际上是一个空间位阻区域,使得区域,使得Fe-O键虽键虽然垂直于卟啉环平面,然垂直于卟啉环平面,但是氧轴不垂直于该但是
8、氧轴不垂直于该平面,而是与卟啉平平面,而是与卟啉平面成一定的角度的倾面成一定的角度的倾斜。斜。在血红素的氧结合部位一侧,还有另一个在血红素的氧结合部位一侧,还有另一个His,64位(位(E7),),称远侧称远侧His,它能与氧分子紧密接触形成一个空间位阻区域。被它能与氧分子紧密接触形成一个空间位阻区域。被结合的结合的O2 夹在远侧夹在远侧His残基和残基和Fe(II)原子之间。这种空间位阻区原子之间。这种空间位阻区域有利于肌红蛋白和血红蛋白有效地降低血红素对于域有利于肌红蛋白和血红蛋白有效地降低血红素对于CO的亲合的亲合力。力。A.氧合肌红蛋白氧合肌红蛋白B.Mb:CO复合物复合物C.游离血红
9、素游离血红素 CO:咪唑复合物咪唑复合物血红素的氧结合部血红素的氧结合部位是一个空间位阻位是一个空间位阻的区域,也相对的的区域,也相对的是一个疏水环境的是一个疏水环境的区域,这样区域,这样能够有能够有效地抑制氧分子对效地抑制氧分子对Fe(II)的氧化,有效的氧化,有效地降低肌红蛋白对地降低肌红蛋白对CO的亲合力。的亲合力。结合着结合着Fe(II)的血红素位于肌红蛋白和血红蛋的血红素位于肌红蛋白和血红蛋白的疏水孔穴中,白的疏水孔穴中,Fe(II)不易被氧化,当结合不易被氧化,当结合氧时,氧时,Fe会发生暂时性的电子重排,氧释放会发生暂时性的电子重排,氧释放后又会回到后又会回到Fe(II)的状态。
10、的状态。肌红蛋白和血红蛋白的多肽微环境至少有肌红蛋白和血红蛋白的多肽微环境至少有三个作用:三个作用:固定血红素;固定血红素;保护血红素面遭氧化;保护血红素面遭氧化;为为O2 提供一个合适的结合部位。提供一个合适的结合部位。4.1.4 O2 的结合改变肌红蛋白的构象O2 与血红素的结合使得Fe与卟啉环的关系发生显著的变化。在去氧肌红蛋白中Fe(II)只有5个配体,位于卟啉环平面上方0.055 nm,因此Fe卟啉呈圆顶状或凸形。当与O2 结合后,Fe(II)被拉回到卟啉环平面,Fe卟啉由圆顶状变成平面状。4.1.5 肌红蛋白的氧结合曲线Y指在给定的氧压力下肌红蛋白的氧分数饱和度(fractiona
11、l saturation),即氧合肌红蛋白分子数占肌红蛋白总分子数的百分数。在上面的公式引入Y,则会得到:肌红蛋白的氧合曲线为一双曲线,它的两条渐近线是肌红蛋白的氧合曲线为一双曲线,它的两条渐近线是Y=1和和p(O2)=-K。当当Y=1,所有肌红蛋白的氧结合部位均被氧所占据,所有肌红蛋白的氧结合部位均被氧所占据,即肌红蛋白处于氧饱和的状态。当即肌红蛋白处于氧饱和的状态。当Y=0.5时,时,p(O2)=K P50,或或P0.5.。P50指肌红蛋白处于氧半饱和时的氧分压指肌红蛋白处于氧半饱和时的氧分压。当当Y=0.5时,时,p(O2)=K P50,或或P0.5.。P50指肌红蛋白处于氧半饱和时的氧
12、分压。指肌红蛋白处于氧半饱和时的氧分压。用用lg(Y/(1-Y)对对lg p(O2)所所作的图称为作的图称为Hill曲线曲线(Hill plot)。)。肌红蛋白肌红蛋白的的Hill曲线为一条直线。曲线为一条直线。当当lg(Y/(1-Y)0,p(O2)K P50。在在lg(Y/(1-Y)0这一点的斜率就是这一点的斜率就是Hill系数系数,以,以nH 表示。表示。肌红肌红蛋白的蛋白的 nH1.0。4.2 血红蛋白的结构与功能血红蛋白的结构与功能主要内容有:血红蛋白的结构、氧合过程的构象变化和别构效应。主要内容有:血红蛋白的结构、氧合过程的构象变化和别构效应。4.2.1 血红蛋白的结构血红蛋白的结构
13、血红蛋白由四个亚基血红蛋白由四个亚基组成,两个组成,两个和和两个两个链,链,一条一条和和另一条另一条链构成血红蛋白的一链构成血红蛋白的一个原体个原体。人在不同的发育时期人在不同的发育时期血红蛋白的亚基的种血红蛋白的亚基的种类是不同的,成人的类是不同的,成人的血红蛋白主要是血红蛋白主要是Hb A(Hb A1),其亚基其亚基组成为组成为22。Hb A1c是是Hb A的葡糖的葡糖基化变异形式,与血基化变异形式,与血中的葡萄糖浓度相关,中的葡萄糖浓度相关,临床上可作为血糖控临床上可作为血糖控制的指标。制的指标。胎儿血红蛋白是胎儿血红蛋白是Hb F,亚基组成为亚基组成为22。Hb F的的链和链和链的区别
14、只是由链的区别只是由-链中的链中的Ser(H21)取代了取代了-链中的链中的His,这样就有这样就有效地降低了效地降低了Hb F对对BPG(2,3-二磷酸甘油酸)二磷酸甘油酸)的亲合力,增高了对氧的亲和力,使得胎儿的亲合力,增高了对氧的亲和力,使得胎儿能够有效地通过胎盘从母体的血液中吸收氧。能够有效地通过胎盘从母体的血液中吸收氧。Hb分子的三维结构近似球形分子的三维结构近似球形,四个亚基占据相当,四个亚基占据相当于四面体的于四面体的4个顶角,个顶角,Hb分子呈分子呈C2对称对称。4个血红素分别位个血红素分别位于每个多肽链的于每个多肽链的E和和F螺旋之间的裂螺旋之间的裂隙处,并暴露于分隙处,并暴
15、露于分子的表面。子的表面。4个氧个氧结合部位彼此保持结合部位彼此保持一定的距离,两个一定的距离,两个最近的最近的Fe(II)之间之间的距离为的距离为2.5 nm。两个不同的亚基之间的相互作用最大,二两个相同的链之间的作两个不同的亚基之间的相互作用最大,二两个相同的链之间的作用很小。两种不同的亚基是为了获得协同性氧结合所必需的。用很小。两种不同的亚基是为了获得协同性氧结合所必需的。血红蛋白的血红蛋白的亚基和肌红蛋白的三级结构非常相近,但是在氨基亚基和肌红蛋白的三级结构非常相近,但是在氨基酸组成上存在着很大的区别。酸组成上存在着很大的区别。血红蛋白的两个亚基由于末端螺血红蛋白的两个亚基由于末端螺旋
16、段的缺失而比肌红蛋白短旋段的缺失而比肌红蛋白短。血红蛋白中有血红蛋白中有9个位置的残基是高度保守的,这对于血红蛋白分个位置的残基是高度保守的,这对于血红蛋白分子的功能有着特殊的意义。子的功能有着特殊的意义。血红素的可逆作用有赖于一个非极性的微环境,这样可以避免血红素的可逆作用有赖于一个非极性的微环境,这样可以避免与水接触,防止与水接触,防止Fe(II)被氧化成被氧化成Fe(III)。如果如果Fe(II)被氧化成被氧化成Fe(III),血红蛋白就相应地变成血红蛋白就相应地变成高铁血红蛋高铁血红蛋白白,用,用HbM表示,表示,HbM无载氧功能。无载氧功能。4.2.2 血红蛋白的构象变化血红蛋白的构
17、象变化1.氧合作用显著改变氧合作用显著改变Hb的四级结构的四级结构血红蛋白的血红蛋白的接触有两种类型:接触有两种类型:(1)装配接触装配接触(packing contact),是是11和和 22接触接触(构成一个原构成一个原体,由两个原体装配成一个血红蛋白体,由两个原体装配成一个血红蛋白),涉计螺旋,涉计螺旋B、G、H和非螺旋区的和非螺旋区的GH拐弯的拐弯的30多个残基,接触面积大,对亚基多个残基,接触面积大,对亚基的装配很重要,但在血红蛋白与氧结合时这种接触不发生变的装配很重要,但在血红蛋白与氧结合时这种接触不发生变化。化。(2)滑动接触滑动接触(sliding contact),是是12和
18、和 21接触接触,涉及螺旋涉及螺旋C,和拐弯和拐弯FG的的19个残基,当血红蛋白发生氧合作用时,这类个残基,当血红蛋白发生氧合作用时,这类接触会发生改变。接触会发生改变。血红蛋白血红蛋白可看成是可看成是由两个相由两个相同的二聚同的二聚体半分子体半分子组成组成,11-和和22 亚亚基对。基对。每一个二聚体半分子作为一个刚体移动。如果一个二聚体固定每一个二聚体半分子作为一个刚体移动。如果一个二聚体固定不动,则另一个二聚体将绕设想的通过两个二聚体的偏心轴旋不动,则另一个二聚体将绕设想的通过两个二聚体的偏心轴旋转约转约15度并且平移度并且平移0.08 nm。2.血红素的微小移动导致血血红素的微小移动导
19、致血红蛋白的构象转换红蛋白的构象转换氧合时血红蛋白的四级结构氧合时血红蛋白的四级结构的变化可分为空间效应和电的变化可分为空间效应和电子效应两个方面。子效应两个方面。空间位阻导致空间位阻导致Fe-N键从垂直键从垂直于血红素平面变成略有倾斜。于血红素平面变成略有倾斜。电子效应是由于电子效应是由于Fe(II)价电子价电子层的电子排布变化引起。层的电子排布变化引起。血红蛋白由于血红素的位移血红蛋白由于血红素的位移而导致的构象变化,最终导而导致的构象变化,最终导致了维系血红蛋白四级结构致了维系血红蛋白四级结构链间盐桥的断裂,使得链间盐桥的断裂,使得亚基亚基之间的空隙变窄,并且挤出之间的空隙变窄,并且挤出
20、BPG分子。分子。3.血红蛋白的血红蛋白的T态和态和R态态两种互换的构象态两种互换的构象态T态态(tension state):):即血红蛋白的紧张态,是去氧血红蛋白即血红蛋白的紧张态,是去氧血红蛋白的主要构象。的主要构象。R态态(relaxed state):松弛态,对氧的亲合力高于松弛态,对氧的亲合力高于T态,并且氧态,并且氧的结合能够稳定的结合能够稳定R态,是氧合血红蛋白的主要构象。态,是氧合血红蛋白的主要构象。由于上述这些盐桥的作用,使脱氧血红蛋白分子的由于上述这些盐桥的作用,使脱氧血红蛋白分子的构象受到很大的束缚致使它对氧的亲和力远低于构象受到很大的束缚致使它对氧的亲和力远低于单独的
21、单独的链、链、链或肌红蛋白对氧的亲和力。链或肌红蛋白对氧的亲和力。BPG分分子的插入,使得脱氧血红蛋白分子的四级结构更加子的插入,使得脱氧血红蛋白分子的四级结构更加固定,因而进一步降低了对氧的亲和力。固定,因而进一步降低了对氧的亲和力。4.2.3 血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白结构和功能上都较肌红蛋白血红蛋白结构和功能上都较肌红蛋白(Mb)复杂:四聚体的结构;复杂:四聚体的结构;输送氧气外,还输送输送氧气外,还输送H+和二氧化碳。和二氧化碳。血红蛋白的氧合血红蛋白的氧合具有正协同性同具有正协同性同促效应,就是一促效应,就是一个个O2 的结合增的结合增加同一分子中其加同一分
22、子中其余空的氧结合部余空的氧结合部位对位对O2 亲和力。亲和力。Hb氧结合曲线是氧结合曲线是S形的而非肌红形的而非肌红蛋白的双曲线。蛋白的双曲线。血红蛋白的解离常数和氧分数饱和度方程分别是:血红蛋白的解离常数和氧分数饱和度方程分别是:曲线的曲线的S型特性是型特性是O2与与Hb协同性的标志。协同性的标志。n=4(理论的),n=1(无相互作用),n=2.8(实际观察到的)Hb氧结合曲线的比较。n=2.8,Hbn=1.0,Mbabc上述方程称为上述方程称为Hill方程方程,用用log(Y/(1-Y)对对logp(O2)作图得到作图得到Hill曲线。曲线。由于由于O2与与Hb的结合是的结合是协同的,所
23、以协同的,所以Hill图实图实际上是际上是S形的。形的。Hill系数系数nH是协同性程是协同性程度的一种量度。度的一种量度。由由Hill图得到图得到Hb对第对第4个个O2的亲和力是第一的亲和力是第一个个O2的的300倍。倍。当用当用n代替代替指数指数4得到:得到:对于对于Hb,在,在50饱和度时,饱和度时,Y=1-Y,从,从Hill方程最终可以方程最终可以得到下面的式子:得到下面的式子:就是说:就是说:Hb和和Mb的情况不同,对于的情况不同,对于Hb来说,其来说,其P50和和K不不相等;而对于相等;而对于Mb来说,两者是等值的。这是由于其结构上来说,两者是等值的。这是由于其结构上的差异和有无氧
24、合协同效应所决定的。的差异和有无氧合协同效应所决定的。血红蛋白的氧合血红蛋白的氧合协同性使得它能够更有效地输送氧气。协同性使得它能够更有效地输送氧气。协同效应,就是增加血红蛋白在肌肉中的卸氧量。协同效应,就是增加血红蛋白在肌肉中的卸氧量。血红蛋白氧合的协同效应使得它更有效地起着输送氧气的血红蛋白氧合的协同效应使得它更有效地起着输送氧气的作用。如果没有协同效应,血红蛋白的氧合曲线将与肌红作用。如果没有协同效应,血红蛋白的氧合曲线将与肌红蛋白的相同,是蛋白的相同,是条双曲线。肺泡中的条双曲线。肺泡中的PO2为为100 torr,工作肌肉的毛细血管中工作肌肉的毛细血管中PO2约在约在20 torr,
25、血红红蛋白的血红红蛋白的PO226 torr,n=2.8。从图从图可见可见,在肺泡中,在肺泡中Y是是0.97,肌肉毛细,肌肉毛细血管中血管中Y是是0.25。释放的氧为两个。释放的氧为两个Y值之差,值之差,Y0.72。因此,因此,Y是血红蛋白输氧效率的指标;协同效应将增加是血红蛋白输氧效率的指标;协同效应将增加Y。如果设想血红蛋白没有协同效应如果设想血红蛋白没有协同效应(如如n=1),则其氧合,则其氧合曲线与肌红蛋白的一样,呈双曲线。从图的曲线可以看到,曲线与肌红蛋白的一样,呈双曲线。从图的曲线可以看到,肌红蛋白输送氧从肺泡肌红蛋白输送氧从肺泡(100 torr)到肌肉到肌肉(20 torr),
26、虽然虽然PO2有相当大的改变,但有相当大的改变,但Y值坐化不大,值坐化不大,Y不到不到0.1,因,因而到达肌肉后释放的而到达肌肉后释放的O2很少。很少。4.2.4 H+、CO2和和BPG对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响 H+、CO2和和BPG在血红蛋白上的结合部位虽然离血红在血红蛋白上的结合部位虽然离血红素很远,但这些分子极大地影响素很远,但这些分子极大地影响Hb的氧合性质。这种在的氧合性质。这种在空间上相隔较远的部位之间的相互作用在很多寡聚蛋白质空间上相隔较远的部位之间的相互作用在很多寡聚蛋白质中存在,这就是中存在,这就是别构效应别构效应。区别于。区别于O2分子(同促效应),分子
27、(同促效应),这些分子对与氧的结合的别构效应属于异促效应。这些分子对与氧的结合的别构效应属于异促效应。1.H+、CO2促进血红蛋白对氧的释放促进血红蛋白对氧的释放 CO2水合的结果将增加组织中的水合的结果将增加组织中的H+浓度,使得浓度,使得pH下降。下降。氧与血红蛋白的结合受氧与血红蛋白的结合受pH和和CO2浓度影响。浓度影响。去氧血红蛋白去氧血红蛋白对对H+的亲和力比氧合血红蛋白大。因此,增加的亲和力比氧合血红蛋白大。因此,增加H+浓度将提浓度将提高高O2从血红蛋白中的释放。从血红蛋白中的释放。H+是血红蛋白氧是血红蛋白氧合的拮抗剂。合的拮抗剂。pH对血红蛋白对氧的对血红蛋白对氧的亲和力的
28、影响被称亲和力的影响被称为为Bohr效应效应(Bohr effect)。Bohr效应具有重要的生理意义。效应具有重要的生理意义。(1)在组织中,高的)在组织中,高的H+浓度和较低的浓度和较低的pH有利于血有利于血红蛋白释放氧气,有利于组织获得更多的氧气,而红蛋白释放氧气,有利于组织获得更多的氧气,而氧的释放又促使血红蛋白与氧的释放又促使血红蛋白与H+、CO2和结合,以补和结合,以补偿由于组织呼吸形成的偿由于组织呼吸形成的CO2所引起的所引起的pH降低,可以降低,可以缓冲血液的缓冲血液的pH。(2)在肺部,由于氧压比较高,有利于血红蛋白与在肺部,由于氧压比较高,有利于血红蛋白与氧结合并因此促进了
29、氧结合并因此促进了H+、CO2和的释放,同时,和的释放,同时,CO2和的呼出更加有利于氧气与血红蛋白的结合。和的呼出更加有利于氧气与血红蛋白的结合。Hill 效应的生物化学机制:效应的生物化学机制:H+在血红蛋白中的结合部位是参与形成血红蛋白链在血红蛋白中的结合部位是参与形成血红蛋白链间的盐桥。血红蛋白构象的变化,盐桥键的断裂和间的盐桥。血红蛋白构象的变化,盐桥键的断裂和连接调节着连接调节着H+与血红蛋白的结合并由此完成对与血红蛋白的结合并由此完成对H+的输送。的输送。CO2在血红蛋白中的结合部位是在血红蛋白中的结合部位是4个亚基的个亚基的N-末端的末端的-氨基氨基。这些氨基在。这些氨基在T态
30、时都处于盐桥中,但态时都处于盐桥中,但R态时都以态时都以游离状态存在。游离状态存在。这些游离末端氨基以不解离的形式参这些游离末端氨基以不解离的形式参与和二氧化碳的结合,生成与和二氧化碳的结合,生成胺甲酸蛋白质胺甲酸蛋白质。血红蛋白除从肺到组织,转运细胞所需的几血红蛋白除从肺到组织,转运细胞所需的几乎所有的氧之外,还转运组织中形成的约乎所有的氧之外,还转运组织中形成的约20的总的总H+、CO2到肺和肾,并在这里排出体到肺和肾,并在这里排出体外。外。2.BPG降低降低Hb对对O2的亲和力的亲和力BPG(2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸)是血红蛋白的一个重要的是血红蛋白的一个重要的别构效应物。别构效
31、应物。正常人的红血球正常人的红血球约含有约含有4.5mml/L BPG,约与血红约与血红蛋白等摩尔数,蛋白等摩尔数,即维持即维持Hb:BPG的化学计量。的化学计量。Hb分子只有一个分子只有一个BPG结合部位,结合部位,位于由位于由4个亚基缔个亚基缔合形成的中央孔合形成的中央孔穴中。穴中。BPG对于对于R态的亲和态的亲和力至少比力至少比T态的态的Hb低低一个数量级。一个数量级。BPG对对于于R态的态的Hb亲和力大亲和力大小顺序是:小顺序是:HbHb(O2)2Hb(O2)2BPG与与Hb(O2)2则完全则完全不结合。不结合。BPG和血红和血红蛋白的结合有利于稳蛋白的结合有利于稳定血红蛋白的定血红蛋
32、白的T态构态构象,促进氧的释放。象,促进氧的释放。BPG浓度的改变调节在某些生理型或病浓度的改变调节在某些生理型或病理性缺氧的有效组织供氧量。理性缺氧的有效组织供氧量。氧的氧的S型结合曲线型结合曲线,Bohr效应效应以及以及BPG效应物的调节效应物的调节使得血红蛋白的输氧能使得血红蛋白的输氧能力达到最高效率。同时,由于能够在较窄力达到最高效率。同时,由于能够在较窄的氧分压范围内完成输氧功能,因此使机的氧分压范围内完成输氧功能,因此使机体内的氧水平不致于有很大的起伏。此外,体内的氧水平不致于有很大的起伏。此外,血红蛋白使机体内的血红蛋白使机体内的pH也维持在一个较稳也维持在一个较稳定的水平。定的
33、水平。4.3 血红蛋白的分子病血红蛋白的分子病4.3.1 分子病是遗传的分子病是遗传的 与血红蛋白有关的疾病分为两类:与血红蛋白有关的疾病分为两类:(1)血红蛋白病血红蛋白病(hemoglobinopathy),是由于是由于和和链发生了变化,如镰刀状链发生了变化,如镰刀状细胞贫血病细胞贫血病;(2)地中海贫血地中海贫血(thalassemia),由于缺少了由于缺少了和和链。如链。如-和和-地中海贫血病。地中海贫血病。4.3.2 镰刀状贫血病镰刀状贫血病1.分子突变引起镰刀状细胞贫血病分子突变引起镰刀状细胞贫血病2.是由于遗传突变导致血红蛋白中氨基酸残基被更换所致。是由于遗传突变导致血红蛋白中氨
34、基酸残基被更换所致。3.镰刀状细胞性贫血病的血红蛋白称为镰刀状细胞性贫血病的血红蛋白称为Hb S。这是一种致这是一种致死性疾病。它的杂合子患者由于能够抵御一种流行于非洲的死性疾病。它的杂合子患者由于能够抵御一种流行于非洲的疟疾疟疾(malaria),使得隐性基因携带者上能够来得及繁衍下使得隐性基因携带者上能够来得及繁衍下一代,这是因为杂合子患者加速被感染红细胞的破坏而中断一代,这是因为杂合子患者加速被感染红细胞的破坏而中断疟原虫的生活周期的缘故。疟原虫的生活周期的缘故。镰刀状细胞贫血病患者的镰刀状细胞贫血病患者的血红蛋白和红细胞的含量血红蛋白和红细胞的含量均为正常人的一半左右,均为正常人的一半
35、左右,而且红细胞的形态也不正而且红细胞的形态也不正常,除大量未成熟的红细常,除大量未成熟的红细胞之外,还有很多长而薄,胞之外,还有很多长而薄,呈新月状或镰刀状的红细呈新月状或镰刀状的红细胞。胞。镰刀状细胞贫血患者的红镰刀状细胞贫血患者的红细胞变形是由于非正常的细胞变形是由于非正常的血红蛋白血红蛋白S引起的。引起的。2.镰刀状细胞血红蛋白的镰刀状细胞血红蛋白的Aa序列的细微变化序列的细微变化Pauling L.and Itano H.最早研究镰刀状细胞贫血病,最早研究镰刀状细胞贫血病,通过指纹图谱和氨基酸序列分析发现二者的差异。通过指纹图谱和氨基酸序列分析发现二者的差异。氨基酸组分分析表明,氨基
36、酸组分分析表明,Hb S和和HbA的差别只是的差别只是Hb A 的的链链N-末端第末端第6位的位的Glu被被Hb S 的的Val所替所替代代。整个蛋白质分子也只是两条。整个蛋白质分子也只是两条链总共两个氨基链总共两个氨基酸发生了变化。酸发生了变化。正常的正常的Hb A和和Hb S的比较:的比较:-链完全相同,链完全相同,链链发生了明显发生了明显的变化。的变化。Hb S的的链上链上产生了一个产生了一个“粘性粘性”突起和疏水口袋突起和疏水口袋。3.镰刀状细胞的血红蛋白可以镰刀状细胞的血红蛋白可以形成纤维状沉淀形成纤维状沉淀由于由于Glu被被Val取代,使得取代,使得HbS分子表面产生了粘性凸分子表
37、面产生了粘性凸起,与另一个起,与另一个Hb S分子的互分子的互补口袋通过疏水作用而聚集补口袋通过疏水作用而聚集发生沉淀。发生沉淀。纤维沉淀的形成压迫细胞使纤维沉淀的形成压迫细胞使它弯曲呈镰刀状。它弯曲呈镰刀状。血红蛋白血红蛋白Hb S严重的纤维化严重的纤维化是导致患者死亡的更本原因。是导致患者死亡的更本原因。4.镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正Hb S分子的一个氨基用分子的一个氨基用KCNO修饰后就能够抑制红修饰后就能够抑制红细胞呈镰刀状。细胞呈镰刀状。4.3.3 其它血红蛋白病其它血红蛋白病血红蛋白突变导致血红蛋白血红蛋白突变导致血红蛋白下属下属4个关键区域之一的
38、个关键区域之一的变化都可能造成严重的后变化都可能造成严重的后果。果。1.突变发生在分子的表面。突变发生在分子的表面。2.突变发生在血红素级的附突变发生在血红素级的附近。如先天性青紫近。如先天性青紫(cogenital cyanosis)的的HbM Osaka(2 58His-Tyr 2)。3.突变发生在特异的部位。突变发生在特异的部位。4.突变发生在亚基的界面上。突变发生在亚基的界面上。1.-地中海贫血地中海贫血 -珠蛋白的基因丢失或不能被表达。珠蛋白的基因丢失或不能被表达。2.-地中海贫血地中海贫血 4.3.4 地中海贫血地中海贫血有几条途径产生有几条途径产生:(1)缺失一个或多个编码血红蛋
39、白链的基因;缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因;(2)一个或多个基因发生了无义突变,结果产生缩短一个或多个基因发生了无义突变,结果产生缩短了的蛋白链,或发生移码突变,使合成的蛋白链含不了的蛋白链,或发生移码突变,使合成的蛋白链含不正确的氨基酸序列;正确的氨基酸序列;(3)突变发生在编码区之外,导致转录被阻断或前体突变发生在编码区之外,导致转录被阻断或前体mRNA的不正确加工。的不正确加工。4.4 免疫球蛋白的结构和功能免疫球蛋白的结构和功能免疫球蛋白又称为免疫球蛋白又称为抗体抗体(antigen),是一类可溶性的是一类可溶性的血清糖蛋白,是血清中最丰富的蛋白质之一。血清糖蛋白,是血清中最丰富的
40、蛋白质之一。1.免疫球蛋白的结构免疫球蛋白的结构免疫球蛋白免疫球蛋白G(Ig G)是血清中最基本的一类抗体,是血清中最基本的一类抗体,由由4条多肽链组成,两条大的是条多肽链组成,两条大的是重链或重链或H链链,两条小,两条小的为的为轻链或轻链或L链链,它们通过非共价键和二硫键连接成,它们通过非共价键和二硫键连接成一个蛋白复合体。一个蛋白复合体。Ig G分子的两条重链在一端彼此分子的两条重链在一端彼此作用,在另一端分别与氢链相互作用,作用,在另一端分别与氢链相互作用,形成形成Y形结构形结构。Ig G分子含有两个抗原结合部位,位于分子含有两个抗原结合部位,位于Y形结构的两形结构的两个臂的顶端个臂的顶
41、端。轻链含有可轻链含有可变区变区(V区区)和恒定区和恒定区(C区)结区)结构域;构域;重链也分为重链也分为可变区和恒可变区和恒定区,标为定区,标为VH、CH1、CH2、CH3。2.免疫球蛋白的类型免疫球蛋白的类型人的免疫球蛋白共有人的免疫球蛋白共有5种类型:种类型:Ig A、Ig M、Ig D、Ig E和和Ig G。Ig分子氢链恒定区的氨基酸序列分为两种基本类型:分子氢链恒定区的氨基酸序列分为两种基本类型:和和,它们存在于所有的它们存在于所有的5类免疫球蛋白中。一种类免疫球蛋白中。一种Ig分子或者是分子或者是或者是或者是。重链恒定区(包括重链恒定区(包括CH1、CH2、CH3)的序列分别的序列
42、分别为:为:、和和。每种免疫球蛋白只含有其中每种免疫球蛋白只含有其中的一种类型,的一种类型,Ig G、Ig A、Ig M、Ig D和和Ig E 分分别含别含、和和。免疫球蛋白的功能:免疫球蛋白的功能:1.Ig M在对入侵抗原初次免疫反应的早期产生。在对入侵抗原初次免疫反应的早期产生。只能存在于血流中。主要功能是抑制、凝集、只能存在于血流中。主要功能是抑制、凝集、溶解入侵血液的细菌。溶解入侵血液的细菌。2.Ig A主要存在于身体的分泌物,是初乳中的主要主要存在于身体的分泌物,是初乳中的主要抗体。抗体。3.Ig D存在与存在与B淋巴细胞表面,功能不清楚。淋巴细胞表面,功能不清楚。4.Ig G时记忆
43、细胞引发的再次免疫反应中的主要时记忆细胞引发的再次免疫反应中的主要抗体,时血液中最丰富的免疫球蛋白,也是唯抗体,时血液中最丰富的免疫球蛋白,也是唯一能够通过胎盘进入体内的抗体。一能够通过胎盘进入体内的抗体。5.Ig E在变态或过敏反应中起重要作用。在变态或过敏反应中起重要作用。4.5 基于抗体基于抗体-抗原相互作用的生化分析方法抗原相互作用的生化分析方法1.单克隆抗体和多克隆抗体。单克隆抗体和多克隆抗体。2.ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay),酶联免疫吸附测定。一种测定抗原或酶联免疫吸附测定。一种测定抗原或抗体含量的方法。以待测抗原(或抗体)和抗体含量的方法。以待测抗原(或抗体)和酶标抗体(或抗原)的特异性反应为基础,酶标抗体(或抗原)的特异性反应为基础,通过酶活力测定来确定抗原(或抗体)的含通过酶活力测定来确定抗原(或抗体)的含量。量。ELISA操作简便、易于重复、灵敏度高,操作简便、易于重复、灵敏度高,广泛用于分子生物学和临床诊断的常规监测。广泛用于分子生物学和临床诊断的常规监测。ELISA操作步骤示意图操作步骤示意图3.免疫印迹测定(immunoblot assay),又叫Western印迹(Western blotting):类似于核酸分析的Southern blotting。
限制150内