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《生物化学 Biochemistry》课程教学资源(课本材料)第07章 血红蛋白(蛋白质发挥作用的图景)

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7.1 肌红蛋白和血红蛋白将氧气结合于血红素的铁原子。 7.2 血红蛋白与氧结合有协同性 7.3 氢离子和二氧化碳促进氧气释放 7.4 编码亚基的基因发生突变导致疾病
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第七章血红蛋白:蛋白质发挥作用的图景 60 120 10 90 70 46 Beta chain of hemoglobin Chpt 2007 W.H Freeman and Company 在血管中,红细胞将肺部氧气运送到需要氧气的组织。血红蛋白有四个亚基,每个亚基有一 个结合氧的色素基团(即血红素)。血红素使红细胞具有红色,能够根据需要运输和释放氧 气。血红蛋白是空间结构明了的首例蛋白质。上图的右边是血红蛋白一个亚基的折叠结构。 [Left,Dr Dennis Kunkel/Visuals Unlimited] 有氧代谢能够获得更多的能量,因此生物从厌氧代谢转变成有氧代谢是一个巨大的进 步。生物体有氧代谢葡萄糖所获得的能量是无氧代谢葡萄糖所获得能量的15倍。单细胞生 物或其它简单生物能够直接从空气或周围水溶液获取氧气。脊椎动物获取氧气的方式有两 种。第一种方式是用循环系统将氧气输送到全身。第二种方式是采用运氧和储氧蛋白(血红 蛋白和肌红蛋白)。血红细胞有血红蛋白。血红蛋白能够将肺部氧气运送到各个组织,并将 各组织的CO2和H运回肺部。位于肌肉的肌红蛋白是氧气储存蛋白,能及时提供肌肉需要 的氧气。 比较肌红蛋白和血红蛋白能够阐明蛋白质结构和功能的一些重要内容。这两种蛋白质进 化相关,结合氧的结构几乎一致。但是血红蛋白携带氧的能力大,能够达到90%的潜在氧 容量。在相似的条件下,肌红蛋白质能实现其潜在氧容量的7%。这种巨大差异的原因何在? 肌红蛋白是单链多肽,而血红蛋白有4条多肽链。血红蛋白四条多肽链结合氧是协同进行的, 即一个亚基与氧结合能够增加同一蛋白其余三个亚基结合样的能力。而且,血红蛋白结合氧 的能力还受到结合的CO2和H的正调节。氧结合的协同性和受CO2和H的调节性使血红蛋 白在不同组合的结合状态能改变血红蛋白的三维结构。 血红蛋白和肌红蛋白在生物化学史上占重要地位。这些蛋白是首例用X射线晶体图谱解 析三维结构的蛋白质。而且基于蛋白质序列变异导致疾病的概念就是从镰刀型贫血病研究提 出的。这个疾病是血红蛋白多肽链单个氨基酸发生变异所致的。血红蛋白研究给生物化学提 供了很多内容,既包含血红蛋白自身的生物化学,也包括血红蛋白作为原型研究其它蛋白质 的内容

第七章 血红蛋白:蛋白质发挥作用的图景 在血管中,红细胞将肺部氧气运送到需要氧气的组织。血红蛋白有四个亚基,每个亚基有一 个结合氧的色素基团(即血红素)。血红素使红细胞具有红色,能够根据需要运输和释放氧 气。血红蛋白是空间结构明了的首例蛋白质。上图的右边是血红蛋白一个亚基的折叠结构。 [Left, Dr Dennis Kunkel/Visuals Unlimited] 有氧代谢能够获得更多的能量,因此生物从厌氧代谢转变成有氧代谢是一个巨大的进 步。生物体有氧代谢葡萄糖所获得的能量是无氧代谢葡萄糖所获得能量的 15 倍。单细胞生 物或其它简单生物能够直接从空气或周围水溶液获取氧气。脊椎动物获取氧气的方式有两 种。第一种方式是用循环系统将氧气输送到全身。第二种方式是采用运氧和储氧蛋白(血红 蛋白和肌红蛋白)。血红细胞有血红蛋白。血红蛋白能够将肺部氧气运送到各个组织,并将 各组织的 CO2和 H+运回肺部。位于肌肉的肌红蛋白是氧气储存蛋白,能及时提供肌肉需要 的氧气。 比较肌红蛋白和血红蛋白能够阐明蛋白质结构和功能的一些重要内容。这两种蛋白质进 化相关,结合氧的结构几乎一致。但是血红蛋白携带氧的能力大,能够达到 90%的潜在氧 容量。在相似的条件下,肌红蛋白质能实现其潜在氧容量的 7%。这种巨大差异的原因何在? 肌红蛋白是单链多肽,而血红蛋白有 4 条多肽链。血红蛋白四条多肽链结合氧是协同进行的, 即一个亚基与氧结合能够增加同一蛋白其余三个亚基结合样的能力。而且,血红蛋白结合氧 的能力还受到结合的 CO2和 H+的正调节。氧结合的协同性和受 CO2和 H+的调节性使血红蛋 白在不同组合的结合状态能改变血红蛋白的三维结构。 血红蛋白和肌红蛋白在生物化学史上占重要地位。这些蛋白是首例用 x-射线晶体图谱解 析三维结构的蛋白质。而且基于蛋白质序列变异导致疾病的概念就是从镰刀型贫血病研究提 出的。这个疾病是血红蛋白多肽链单个氨基酸发生变异所致的。血红蛋白研究给生物化学提 供了很多内容,既包含血红蛋白自身的生物化学,也包括血红蛋白作为原型研究其它蛋白质 的内容

7.1肌红蛋白和血红蛋白将氧结合于血红素的铁原子上 测定三维结构的第一个蛋白质是鲸鱼的肌红蛋白。l950年代,John Kendrew在X-射线 晶体学研究阐明了该蛋白质的结构(图71)。肌红蛋白的-螺旋多,螺旋间用拐弯连接形 成球状结构。 Myoglobin a 图71肌红蛋白结构。肌红蛋白是一条多肽链,形成的α-螺旋用拐弯连接,有一个氧结合 位点。 肌红蛋白有氧结合状态(称为氧合肌红蛋白,oxymyoglobin)或无氧状态(称为去氧肌红 蛋白,deoxymyoglobin)。与血红蛋白一样,肌红蛋白结合氧的能力依赖于血红素辅基。血 红素辅基使血液和肌肉显示特有的红色。血红素是有机分子,中央是铁原子。这个有机分子 叫原卜啉,四个卜啉环之间用次甲基连接起来形成四卜啉环。卜啉环上连有四个甲基、两个 乙烯基、和两个丙酸基团。 00 Propionate side chain HaC CH3 Pyrrole ring H Methyl group -CH3 H2C Vinyl group CH3 Heme (Fe-protoporphyrin IX) 铁原子处于原卜啉的中央。铁原子与四个卜琳环的氨原子结合。正常状态下,铁原子处 于氧化状态F+。在血红素平面的两侧,铁离子还能形成另外两个化学键。这两个结合位点 称为第五和第六配位位点。肌红蛋白中,第五配位位点被蛋白质组氨酸的咪唑环占居。这个 组氦酸称为近位组氨酸(proximal histidine)。脱氧肌红蛋白第六配位点空余,可以结合氧。 铁离子处于卜啉环平面外0.4A处(此时的铁离子比卜啉环中央孔大,无法嵌入中央孔)(图 72,左边)

7.1 肌红蛋白和血红蛋白将氧结合于血红素的铁原子上 测定三维结构的第一个蛋白质是鲸鱼的肌红蛋白。1950 年代,John Kendrew 在 x-射线 晶体学研究阐明了该蛋白质的结构(图 7.1)。肌红蛋白的螺旋多,螺旋间用拐弯连接形 成球状结构。 图 7.1 肌红蛋白结构。肌红蛋白是一条多肽链,形成的螺旋用拐弯连接,有一个氧结合 位点。 肌红蛋白有氧结合状态(称为氧合肌红蛋白,oxymyoglobin)或无氧状态(称为去氧肌红 蛋白,deoxymyoglobin)。与血红蛋白一样,肌红蛋白结合氧的能力依赖于血红素辅基。血 红素辅基使血液和肌肉显示特有的红色。血红素是有机分子,中央是铁原子。这个有机分子 叫原卜啉,四个卜啉环之间用次甲基连接起来形成四卜啉环。卜啉环上连有四个甲基、两个 乙烯基、和两个丙酸基团。 铁原子处于原卜啉的中央。铁原子与四个卜啉环的氮原子结合。正常状态下,铁原子处 于氧化状态 Fe 2+。在血红素平面的两侧,铁离子还能形成另外两个化学键。这两个结合位点 称为第五和第六配位位点。肌红蛋白中,第五配位位点被蛋白质组氨酸的咪唑环占居。这个 组氨酸称为近位组氨酸(proximal histidine)。脱氧肌红蛋白第六配位点空余,可以结合氧。 铁离子处于卜啉环平面外 0.4A 处(此时的铁离子比卜啉环中央孔大,无法嵌入中央孔)(图 7.2,左边)

0.4A Porphyrin 02 His In oxyhemoglobin In deoxyhemoglobin Figure 7-2 y.Sixth Edion 2007 W.H Freeman and Company 图72氧结合改变铁离子位置。在脱氧状态铁离子处于卜啉环平面的外部(左边)。当铁离 子与氧结合,铁离子就移入血红素平面的中夹(右边)。 氧分子与铁离子第六配位点的结合导致铁的电子云发生重排,铁离子比原来的直径小得 多,因此铁离子就被移入卜啉环平面中央孔内(图72,右边)。铁离子电子结构的改变伴随 着磁性的改变,成为功能性磁共振成像(fMRI)的基础。fMRI是脑功能检测的有效手段(32.1 节)。1936年Linus Pauling基于磁性测量就预测出氧结合导致结构改变,比肌红蛋白和血红 蛋白三维结构阐明时间早25年。 肌红蛋白结构阻止活性氧释放 肌红蛋白结构阻上活性氧释放 氧与血红素内铁离子的结合使铁离子的电子向氧偏移。三价铁离子(F3+)与超氧阴离子 (O2)形成的复合物(图7.3)能很好解释其结构。离去氧是氧气,而不是超氧离子。首 先释放超氧离子是能够破坏很多生命物质的活性氧。其次,释放超氧离子使铁离子处于三价 状态,即正铁肌红蛋白(metmyoglobin),不能重新结合氧。因此丧失了储氧功能。肌红蛋 白的这些特征使之不大可能释放超氧负离子。尤其是结合口袋还有一个远端组氨酸(distal histidine)供应氢键供体与氧形成氢键(图7.4)。结合氧的超氧特性强化了这种相互作用。 因此肌红蛋白的蛋白质部分控制血红素活性,使之更适于与氧可逆性结合。 Superoxide ion Fe2+ Fe3+ eSth uio 2007W.HFreerran and Compary 图7.3铁-氧结合。血红蛋白铁与氧的相互作用可以看作Fe2+与氧气结合和F+与超氧负离 子结合的共振结构

图 7.2 氧结合改变铁离子位置。在脱氧状态铁离子处于卜啉环平面的外部(左边)。当铁离 子与氧结合,铁离子就移入血红素平面的中央(右边)。 氧分子与铁离子第六配位点的结合导致铁的电子云发生重排,铁离子比原来的直径小得 多,因此铁离子就被移入卜啉环平面中央孔内(图 7.2,右边)。铁离子电子结构的改变伴随 着磁性的改变,成为功能性磁共振成像(fMRI)的基础。fMRI 是脑功能检测的有效手段(32.1 节)。1936 年 Linus Pauling 基于磁性测量就预测出氧结合导致结构改变,比肌红蛋白和血红 蛋白三维结构阐明时间早 25 年。 肌红蛋白结构阻止活性氧释放 肌红蛋白结构阻止活性氧释放 氧与血红素内铁离子的结合使铁离子的电子向氧偏移。三价铁离子(Fe 3+)与超氧阴离子 (O2-)形成的复合物(图 7.3)能很好解释其结构。离去氧是氧气,而不是超氧离子。首 先释放超氧离子是能够破坏很多生命物质的活性氧。其次,释放超氧离子使铁离子处于三价 状态,即正铁肌红蛋白(metmyoglobin),不能重新结合氧。因此丧失了储氧功能。肌红蛋 白的这些特征使之不大可能释放超氧负离子。尤其是结合口袋还有一个远端组氨酸(distal histidine)供应氢键供体与氧形成氢键(图 7.4)。结合氧的超氧特性强化了这种相互作用。 因此肌红蛋白的蛋白质部分控制血红素活性,使之更适于与氧可逆性结合。 图 7.3 铁-氧结合。血红蛋白铁与氧的相互作用可以看作 Fe 2+与氧气结合和 Fe 3+与超氧负离 子结合的共振结构

Distal histidine 图7.4稳定结合的氧。远端组氨酸与结合氧形成氢键有助于氧合肌红蛋白的稳定。 血红蛋白是四个肌红蛋白类亚基组合而成的蛋白质 在肌红蛋白三维结构确定不久,Max Perut忆就解析出马血红蛋白的三维结构。自此之后, 很多血红蛋白(包括人类血红蛋白)的三维结构被确定。这些血红蛋白分子有四条多肽链, 两个多肽链叫-链,另两个多肽链叫B-链(图7.5)。每个亚基的-螺旋排列与肌红蛋白的 0-螺旋排列完全相同(图6.13有两者之间的结构比较)。蛋白质结构是球状。在鲸鱼及红蛋 白和人血红蛋白之间,1-链有25%的一致性,B-链有24%的一致性。关键残基,包括近端 组氨酸和远端组氨酸,都高度保守。因此,蛋白质的-链和B-链相互之间,以及这些多肽 链与鲸鱼肌红蛋白之间发生了差异进化。 (A) (B) (2 β2 图7.5脱氧血红蛋白的四级结构。血红蛋白有两个-链和两个B-链,成0邱-二聚体发挥作 用。(A)绸缎示意图。(B)空间填充模型。 血红蛋白四聚体也叫血红蛋白A(HbA)。这种四聚体更恰当地描述成一对邱-二聚体 (a1B1和Q2邱2)结合构成的四聚体。在脱氧状态,这些a邱二聚体界面间相互结合广泛,包括 C-端的相互结合。四聚体中血红素是相互分开的,铁原子之间的距离达24~40A

图 7.4 稳定结合的氧。远端组氨酸与结合氧形成氢键有助于氧合肌红蛋白的稳定。 血红蛋白是四个肌红蛋白类亚基组合而成的蛋白质 在肌红蛋白三维结构确定不久,Max Perutz 就解析出马血红蛋白的三维结构。自此之后, 很多血红蛋白(包括人类血红蛋白)的三维结构被确定。这些血红蛋白分子有四条多肽链, 两个多肽链叫链,另两个多肽链叫链(图 7.5)。每个亚基的螺旋排列与肌红蛋白的 螺旋排列完全相同(图 6.13 有两者之间的结构比较)。蛋白质结构是球状。在鲸鱼及红蛋 白和人血红蛋白之间,链有 25%的一致性,链有 24%的一致性。关键残基,包括近端 组氨酸和远端组氨酸,都高度保守。因此,蛋白质的链和链相互之间,以及这些多肽 链与鲸鱼肌红蛋白之间发生了差异进化。 图 7.5 脱氧血红蛋白的四级结构。血红蛋白有两个链和两个链,成二聚体发挥作 用。(A)绸缎示意图。(B)空间填充模型。 血红蛋白四聚体也叫血红蛋白 A(HbA)。这种四聚体更恰当地描述成一对二聚体 (和)结合构成的四聚体。在脱氧状态,这些二聚体界面间相互结合广泛,包括 C-端的相互结合。四聚体中血红素是相互分开的,铁原子之间的距离达 24 ~ 40 A

72血红蛋白与氧协同结合 比较这些蛋白质结合氧的特性。结合氧的特征用氧结合曲线表示,即蛋白质结合氧的饱 和度对氧浓度作图。饱和度Y是已经结合的氧的个数与可能的氧结合位点之间的比值。Y 值得取值范围是0~1之间。0表示所有结合位点都没有结合氧,1表示所有结合位点都结合 氧。氧气浓度用氧分压pO2表示。肌红蛋白的氧结合曲线就是简单的化学平衡(图7.6)。注 意,肌红蛋白氧结合曲线随pO2增加急剧升高,随后达到平台。结合一半饱和度的O2值是 2tor(mmHg)。 1.0 (uoneanies 0.5 P1/2=2torr 0.0 0 25 50 75 100 pO2(torr) 图7.6肌红蛋白氧结合情况。当氧分压达到2tor时,有一半的肌红蛋白与氧结合。 相反,血红蛋白结合氧的曲线具有一些显著特征(图77)。这种曲线与肌红蛋白的简单 平衡曲线不同,与“S'形很相似。因此血红蛋白的氧结合曲线成为S曲线。结合氧的能力比 肌红蛋白弱。一半结合位,点结合氧的浓度达到26tor。注意这种结合曲线是血红蛋白离开红 细胞的情况。实际上,在红细胞内血红蛋白与2,3-二磷酸甘油相互作用更加降低了血红蛋白 与氧的亲和性。这一情况在稍后将详细讨论。 1.0 Myoglobin 0.8 Hemoglobin 0.6 0.4 0.2 0.0 0255075100 pO2(torr) n 图77血红蛋白的氧结合曲线。这个曲线是红细胞血红蛋白结合氧的情况,呈S形。该曲 线显示血红蛋白各个结合位点结合特性不同,但各位,点间存在相互作用。为了与肌红蛋白进 行比较,肌红蛋白氧结合曲线用黑线表示

7.2 血红蛋白与氧协同结合 比较这些蛋白质结合氧的特性。结合氧的特征用氧结合曲线表示,即蛋白质结合氧的饱 和度对氧浓度作图。饱和度 Y 是已经结合的氧的个数与可能的氧结合位点之间的比值。Y 值得取值范围是 0 ~ 1 之间。0 表示所有结合位点都没有结合氧,1 表示所有结合位点都结合 氧。氧气浓度用氧分压 pO2 表示。肌红蛋白的氧结合曲线就是简单的化学平衡(图 7.6)。注 意,肌红蛋白氧结合曲线随 pO2增加急剧升高,随后达到平台。结合一半饱和度的 pO2值是 2torr(mm Hg)。 图 7.6 肌红蛋白氧结合情况。当氧分压达到 2 torr 时,有一半的肌红蛋白与氧结合。 相反,血红蛋白结合氧的曲线具有一些显著特征(图 7.7)。这种曲线与肌红蛋白的简单 平衡曲线不同,与“S’形很相似。因此血红蛋白的氧结合曲线成为 S 曲线。结合氧的能力比 肌红蛋白弱。一半结合位点结合氧的浓度达到 26 torr。注意这种结合曲线是血红蛋白离开红 细胞的情况。实际上,在红细胞内血红蛋白与 2,3-二磷酸甘油相互作用更加降低了血红蛋白 与氧的亲和性。这一情况在稍后将详细讨论。 图 7.7 血红蛋白的氧结合曲线。这个曲线是红细胞血红蛋白结合氧的情况,呈 S 形。该曲 线显示血红蛋白各个结合位点结合特性不同,但各位点间存在相互作用。为了与肌红蛋白进 行比较,肌红蛋白氧结合曲线用黑线表示

S型结合曲线表明蛋白质结合氧的行为特殊。一个位点结合氧分子将增加该蛋白其它空 余位点结合氧的能力。相反,一个位点排出氧分子将增加该蛋白质其它位,点排出氧分子的能 力。这种结合行为叫协同性,因为一个位点的结合反应与该蛋白质其它位点结合性相互依赖。 下面我们将详细讨论协同结合的机理。 血红蛋白结合氧的协同性有什么生理意义?氧必须在血液中从肺部(相对压强是100 tor)运输到代谢活跃的组织(氧分压很低,典型的数据是20tor)。S型曲线的协同行为能 够有效地运输氧(图7.8)。在肺部,氧结合血红蛋白达到98%的饱和度。进入组织血红蛋 白结合氧的饱和度就跌至32%,即释放了66%的氧气(98%-32%=66%)。协同性释放有 助于血液在组织更完全地释放氧气。如果采用肌红蛋白运输氧气,在肺部98%的氧结合位 点结合氧,但是在组织还有91%的位点处于氧结合状态,即只有7%的结合位点运输氧气。 因此肌红蛋白结合氧的能力太强而不适于承担运氧功能。如果蛋白没有协同性(但生物进化 是蛋白结合氧能力达到最佳状态),从100tor的氧分压环境到达20tor的氧分压环境,有 38%的氧结合位,点运送氧(63%-25%=38%)。因此血红蛋白的协同性结合和释放氧气使血 红蛋白运氧能力相当于肌红蛋白和非协同性氧结合蛋白运氧能力的10倍和17倍。 Tissues Lungs Myoglobin 1.0 7% Hemoglobin 0.8 66% No 0.6 cooperativity 38% (hypothetical) 0.4 0.2 0.0 02050 100 150 200 pO2(torr) 28topn 国7.8协同性促进血红蛋白的运氧能力。由于血红蛋白氧结合位点具有协同性,血红蛋白 运氧能力比肌红蛋白和非协同性蛋白(即使这种蛋白具有最佳的氧亲和性)运氧能力更大。 进一步考察休息状态和运动状态组织的氧浓度揭示血红蛋白运氧的效率(图7.9)。在休 息状态,肌肉的氧浓度达到40tor。在运动状态肌肉的氧浓度只有20tor。从肺部氧分压 100tor到休息肌肉的40tor,血红蛋白氧结合位点从98%结合降低至77%结合,释放了21% 的氧气(而氧分压降低了60torr)。从40torr的氧分压降低至20tor,氧结合的饱和度从77% 降低至32%,释放了45%的结合氧(虽然氧分压只降低20or)。因此从静止到运动氧浓度 的变化相应于氧结合曲线最陡峭的区域,因此能够在组织最需要的时候有效地供应氧。73 节我们还要介绍血红蛋白促进生理应答的其它特性

S 型结合曲线表明蛋白质结合氧的行为特殊。一个位点结合氧分子将增加该蛋白其它空 余位点结合氧的能力。相反,一个位点排出氧分子将增加该蛋白质其它位点排出氧分子的能 力。这种结合行为叫协同性,因为一个位点的结合反应与该蛋白质其它位点结合性相互依赖。 下面我们将详细讨论协同结合的机理。 血红蛋白结合氧的协同性有什么生理意义?氧必须在血液中从肺部(相对压强是 100 torr)运输到代谢活跃的组织(氧分压很低,典型的数据是 20 torr)。S 型曲线的协同行为能 够有效地运输氧(图 7.8)。在肺部,氧结合血红蛋白达到 98%的饱和度。进入组织血红蛋 白结合氧的饱和度就跌至 32%,即释放了 66%的氧气(98% - 32% = 66%)。协同性释放有 助于血液在组织更完全地释放氧气。如果采用肌红蛋白运输氧气,在肺部 98%的氧结合位 点结合氧,但是在组织还有 91%的位点处于氧结合状态,即只有 7%的结合位点运输氧气。 因此肌红蛋白结合氧的能力太强而不适于承担运氧功能。如果蛋白没有协同性(但生物进化 是蛋白结合氧能力达到最佳状态),从 100 torr 的氧分压环境到达 20 torr 的氧分压环境,有 38%的氧结合位点运送氧(63% - 25% = 38%)。因此血红蛋白的协同性结合和释放氧气使血 红蛋白运氧能力相当于肌红蛋白和非协同性氧结合蛋白运氧能力的 10 倍和 1.7 倍。 图 7.8 协同性促进血红蛋白的运氧能力。由于血红蛋白氧结合位点具有协同性,血红蛋白 运氧能力比肌红蛋白和非协同性蛋白(即使这种蛋白具有最佳的氧亲和性)运氧能力更大。 进一步考察休息状态和运动状态组织的氧浓度揭示血红蛋白运氧的效率(图 7.9)。在休 息状态,肌肉的氧浓度达到 40 torr。在运动状态肌肉的氧浓度只有 20 torr。从肺部氧分压 100 torr 到休息肌肉的 40 torr,血红蛋白氧结合位点从 98%结合降低至 77%结合,释放了 21% 的氧气(而氧分压降低了 60 torr)。从 40 torr 的氧分压降低至 20 torr,氧结合的饱和度从 77% 降低至 32%,释放了 45%的结合氧(虽然氧分压只降低 20 torr)。因此从静止到运动氧浓度 的变化相应于氧结合曲线最陡峭的区域,因此能够在组织最需要的时候有效地供应氧。7.3 节我们还要介绍血红蛋白促进生理应答的其它特性

Rest Exercise Lungs 1.0 21% 0.8 0.6 45% 0.4 0.2 0.0 02040 100 150200 pO2(torr) i 图7.9对运动的应答。从40tor的分压氧(休息组织)进入20tor的分压氧(运动组织) 氧结合饱和度在结合曲线的急剧降低区域。因此血红蛋白能够将氧气有效地运往运动组织。 氧结合能显著改变血红蛋白的四级结构 血红蛋白协同性结合氧要求一个位,点结合氧能够影响这个蛋白其余的氧结合位点结合 氧的能力。由于血红蛋白铁离子之间距离大,因此一个位,点直接影响另一位点是不可能的。 位点之间只可能间接影响。影响的机理涉及蛋白质的四级结构。 血红蛋白结合氧导致四级结构发生改变,即α1B1二聚体和o2β2二聚体之间旋转15度。 二聚体内部没有变化(仅仅是二聚体之间发生移动)。结果,两个二聚体之间的界面受到很 大的影响。最近研究表明,氧结合后血红蛋白两个二聚体相互间的自由度比脱氧血红蛋白高。 151 Deoxyhemoglobin Oxyhemoglobin 的eei识Sirth oion o 2007 W.H.Freemman and Comparw 图7.10血红蛋白结合氧导致的四级结构变化。注意,结合氧导致一个邱二聚体相对于另一 个aB二聚体旋转15度

图 7.9 对运动的应答。从 40 torr 的分压氧(休息组织)进入 20 torr 的分压氧(运动组织) 氧结合饱和度在结合曲线的急剧降低区域。因此血红蛋白能够将氧气有效地运往运动组织。 氧结合能显著改变血红蛋白的四级结构 血红蛋白协同性结合氧要求一个位点结合氧能够影响这个蛋白其余的氧结合位点结合 氧的能力。由于血红蛋白铁离子之间距离大,因此一个位点直接影响另一位点是不可能的。 位点之间只可能间接影响。影响的机理涉及蛋白质的四级结构。 血红蛋白结合氧导致四级结构发生改变,即二聚体和二聚体之间旋转 15 度。 二聚体内部没有变化(仅仅是二聚体之间发生移动)。结果,两个二聚体之间的界面受到很 大的影响。最近研究表明,氧结合后血红蛋白两个二聚体相互间的自由度比脱氧血红蛋白高。 图 7.10 血红蛋白结合氧导致的四级结构变化。注意,结合氧导致一个二聚体相对于另一 个二聚体旋转 15 度

脱氧血红蛋白的四级结构称为T(即紧缩,tens肥)型(因为亚基之间的限制大)。所有 位点都结合氧的四级结构称为R型(即松弛,rlax)。根据R约束少的观察,紧缩(T)和 松弛(R)的称谓似乎特别贴切。重要的地方在于,R状态限制少,与氧气的结合力大:而T 状态受限多,与氧结合力弱。氧与血红蛋白一个结合位点结合启动整个蛋白分子从T型转 化成R-型,增加了其余位点结合氧的亲和性。 血红蛋白的亲和性可以用几个模型解释 为了解释配体与多亚基蛋白质之间的结合特性,建立了两个限制模型。协同模型,即 MWC模型,是Jacques Monod,Jeffries Wyman,.和Jean-Pierre Changeux首先提出来的。该 模型假定多亚基蛋白质有两个结构状态,即T态和R态。配体与多亚基蛋白的结合使两种 结构状态发生移动(图7.11)。因此血红蛋白每与一个氧气分子结合,就导致四聚体向R态 转变的可能性就增加。在脱氧状态,血红蛋白四聚体几乎全都是T态。但是,氧分子与一 个结合位点结合就会导致蛋白质从T态向R态转变,因此蛋白质结合氧的亲和力大大提高。 氧气更容易与其它三个空余的结合位点结合。氧气浓度低,所有蛋白质分子处于T态,与 氧的结合曲线就很低。有一部分位点结合氧气,导致蛋白质分子变成R态,氧结合曲线就 非常陡峭。随后,R态蛋白质所有位点都结合氧分子不能在结合氧分子,氧结合曲线回复成 平坦(图7.12)。这些事件导致血红蛋白结合氧呈“S”型曲线,蛋白质结合氧的这种特性 使之能够有效地运输氧气。 T state KT 01 01 02 02 02 02 02 02 02 02 Tstate R state strongly J strongly favored favored 02 01 R state Figure 7-11 Biochemistry,Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Compary 国711协同模型。所有分子要么呈T态,要么是R态。在各种氧结合水平都存在T结构和 R结构之间的平衡。蛋白质没有结合氧,平衡倾向于T结构。当所有位点都与氧结合,平衡 倾向于R结构。R态结合位,点对氧的亲和性远远大于T态

脱氧血红蛋白的四级结构称为 T(即紧缩,tense)型(因为亚基之间的限制大)。所有 位点都结合氧的四级结构称为 R 型(即松弛,relax)。根据 R 约束少的观察,紧缩(T)和 松弛(R)的称谓似乎特别贴切。重要的地方在于,R 状态限制少,与氧气的结合力大;而 T 状态受限多,与氧结合力弱。氧与血红蛋白一个结合位点结合启动整个蛋白分子从 T-型转 化成 R-型,增加了其余位点结合氧的亲和性。 血红蛋白的亲和性可以用几个模型解释 为了解释配体与多亚基蛋白质之间的结合特性,建立了两个限制模型。协同模型,即 MWC 模型,是 Jacques Monod, Jeffries Wyman, 和 Jean-Pierre Changeux 首先提出来的。该 模型假定多亚基蛋白质有两个结构状态,即 T 态和 R 态。配体与多亚基蛋白的结合使两种 结构状态发生移动(图 7.11)。因此血红蛋白每与一个氧气分子结合,就导致四聚体向 R 态 转变的可能性就增加。在脱氧状态,血红蛋白四聚体几乎全都是 T 态。但是,氧分子与一 个结合位点结合就会导致蛋白质从 T 态向 R 态转变,因此蛋白质结合氧的亲和力大大提高。 氧气更容易与其它三个空余的结合位点结合。氧气浓度低,所有蛋白质分子处于 T 态,与 氧的结合曲线就很低。有一部分位点结合氧气,导致蛋白质分子变成 R 态,氧结合曲线就 非常陡峭。随后,R 态蛋白质所有位点都结合氧分子不能在结合氧分子,氧结合曲线回复成 平坦(图 7.12)。这些事件导致血红蛋白结合氧呈“S”型曲线,蛋白质结合氧的这种特性 使之能够有效地运输氧气。 图 7.11 协同模型。所有分子要么呈 T 态,要么是 R 态。在各种氧结合水平都存在 T 结构和 R 结构之间的平衡。蛋白质没有结合氧,平衡倾向于 T 结构。当所有位点都与氧结合,平衡 倾向于 R 结构。R 态结合位点对氧的亲和性远远大于 T 态

R-state binding curve 1.0 0.8 0.6 Observed hemoglobin- binding curve 0.4 0.2 T-state binding curve 0.0 50 100 150 200 po2(torr) igure 7-12 图712T到R的转化。血红蛋白的氧结合曲线可以视为所有蛋白质都是T型的氧结合曲线 和所有蛋白质都是R型的氧结合曲线的综合。由于氧分子的结合导致T型向R型转化,血 红蛋白结合氧的曲线变成S形。 在协同模型中,每个四聚体只能选取全是R型或全是T型之一。还有一种模式,即序变 模型,配体与一个位,点结合只增加相邻位点的结合亲和性,不会导致蛋白质一次性地将T 型转变成R型(图7.13)。 K K2 2o3 国713序变模型。一个配体的结合改变该配体结合亚基的构型。这种构型变化诱导邻近亚 基的变化,使后者与配体的亲和性增加。 协同模型或序变模型能够很好地描述血红蛋白协同结合曲线吗?没有一种模式能彻底 解释血红蛋白的氧结合行为。实际上,需要将两种模式综合才能解释。血红蛋白三个位点都 结合氧分子时,表现为协同模型(此时四聚体结构呈全R态),剩下的结合位点与氧气的亲 和力比全T模型的氧亲和性高20倍。但是,血红蛋白氧结合行为又不全是协同模式。如果 四聚体只有一个位点结合氧,四聚体主要是T态,但此时的血红蛋白结合氧的亲和性相当 于全是T态的脱氧血红蛋白的3倍。从这个角度看,其行为呈序变模式。这些结果表明协 同模型和序变模型是理想情况

图 7.12 T 到 R 的转化。血红蛋白的氧结合曲线可以视为所有蛋白质都是 T 型的氧结合曲线 和所有蛋白质都是 R 型的氧结合曲线的综合。由于氧分子的结合导致 T 型向 R 型转化,血 红蛋白结合氧的曲线变成 S 形。 在协同模型中,每个四聚体只能选取全是 R 型或全是 T 型之一。还有一种模式,即序变 模型,配体与一个位点结合只增加相邻位点的结合亲和性,不会导致蛋白质一次性地将 T 型转变成 R 型(图 7.13)。 图 7.13 序变模型。一个配体的结合改变该配体结合亚基的构型。这种构型变化诱导邻近亚 基的变化,使后者与配体的亲和性增加。 协同模型或序变模型能够很好地描述血红蛋白协同结合曲线吗?没有一种模式能彻底 解释血红蛋白的氧结合行为。实际上,需要将两种模式综合才能解释。血红蛋白三个位点都 结合氧分子时,表现为协同模型(此时四聚体结构呈全 R 态),剩下的结合位点与氧气的亲 和力比全 T 模型的氧亲和性高 20 倍。但是,血红蛋白氧结合行为又不全是协同模式。如果 四聚体只有一个位点结合氧,四聚体主要是 T 态,但此时的血红蛋白结合氧的亲和性相当 于全是 T 态的脱氧血红蛋白的 3 倍。从这个角度看,其行为呈序变模式。这些结果表明协 同模型和序变模型是理想情况

血红素结构变化传递到c1B1和02B2界面 现在我们看看一个位点与氧结合如何导致T和R型结构之间的平衡发生转化的。如同肌 红蛋白,血红蛋白一个亚基与氧结合导致铁原子从卜啉环平面外侧移入卜啉环平面内部。铁 原子移动导致第五配位键的邻近组氨酸移动。而该组氨酸是一个-螺旋的一部分,因此这 个-螺旋也跟着移动(图7.14)。这个螺旋的C-端处于两个邱-二聚体之间的界面,此螺旋 C端位置的变化有利于T态向R态转化。结果,一个亚基铁原子移位直接传递到其它亚基。 二聚体界面的重排提供了亚基之间通讯的途径,导致氧结合具有协同性。 a1β1-a2β2 interface /Deoxyhemoglobin Oxyhemoglobin ee7rinp 2007 W.H.Freeman and Company 图714血红蛋白的构型转化。铁原子氧化后移动,带动组氨酸残基向卜啉环移动。而组氨 酸所在的-螺旋也跟着移动改变了两个邱-二聚体之间的界面,诱导其它的结构变化。氧合 血红蛋白(红色)后面画出了脱氧血红蛋白(灰色),以利于结构比较。 红细胞的2,3-二磷酸甘油酸是影响血红蛋白氧亲和性的关健 为了让血红蛋白有效地发挥作用,需要血红蛋白在T型稳定到足量氧气与血红蛋白结合 才转化成R-型。但是T型血红蛋白很不稳定,生理条件下少量氧气就能将T型转化成R-型。 因此需要一种机制来稳定血红蛋白的T型结构。比较纯化血红蛋白和红细胞血红蛋白的氧 结合性质,发现红细胞稳定血红蛋白T-态结构的机制(图7.15)。纯化血红蛋白结合氧的亲 和性比红细胞高。这种差异的基础是细胞含有2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG,或2,3-DPG)。 红细胞的2,3-BPG含量与血红蛋白含量几乎相当(约2M)。这个化合物含有很多阴离子。 没有2,3-BPG,血红蛋白运输氧的能力很差,在组织只能释放8%的氧气

血红素结构变化传递到和界面 现在我们看看一个位点与氧结合如何导致 T 和 R 型结构之间的平衡发生转化的。如同肌 红蛋白,血红蛋白一个亚基与氧结合导致铁原子从卜啉环平面外侧移入卜啉环平面内部。铁 原子移动导致第五配位键的邻近组氨酸移动。而该组氨酸是一个螺旋的一部分,因此这 个螺旋也跟着移动(图 7.14)。这个螺旋的 C-端处于两个二聚体之间的界面,此螺旋 C-端位置的变化有利于 T 态向 R 态转化。结果,一个亚基铁原子移位直接传递到其它亚基。 二聚体界面的重排提供了亚基之间通讯的途径,导致氧结合具有协同性。 图 7.14 血红蛋白的构型转化。铁原子氧化后移动,带动组氨酸残基向卜啉环移动。而组氨 酸所在的螺旋也跟着移动改变了两个二聚体之间的界面,诱导其它的结构变化。氧合 血红蛋白(红色)后面画出了脱氧血红蛋白(灰色),以利于结构比较。 红细胞的 2,3-二磷酸甘油酸是影响血红蛋白氧亲和性的关键 为了让血红蛋白有效地发挥作用,需要血红蛋白在 T-型稳定到足量氧气与血红蛋白结合 才转化成 R-型。但是 T-型血红蛋白很不稳定,生理条件下少量氧气就能将 T-型转化成 R-型。 因此需要一种机制来稳定血红蛋白的 T-型结构。比较纯化血红蛋白和红细胞血红蛋白的氧 结合性质,发现红细胞稳定血红蛋白 T-态结构的机制(图 7.15)。纯化血红蛋白结合氧的亲 和性比红细胞高。这种差异的基础是细胞含有 2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG,或 2,3-DPG)。 红细胞的 2,3-BPG 含量与血红蛋白含量几乎相当(约 2 mM)。这个化合物含有很多阴离子。 没有 2,3-BPG,血红蛋白运输氧的能力很差,在组织只能释放 8%的氧气

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