第6章　蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

6.1　復(fù)習(xí)筆記

一、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

1肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)

肌紅蛋白是哺乳動(dòng)物細(xì)胞肌細(xì)胞中的蛋白質(zhì)，主要功能是貯存和分配氧。

（1）肌紅蛋白分子呈扁平的棱形。由一條多肽鏈和一個(gè)輔基血紅素構(gòu)成，分子中多肽主鏈由長短不等的8段直的α-螺旋組成。

（2）肌紅蛋白分子內(nèi)部只有一個(gè)能容納4個(gè)水分子的空間。疏水側(cè)鏈的氨基酸殘基在分子內(nèi)部，不與水接觸；親水基團(tuán)側(cè)鏈的氨基酸殘基幾乎全部分布在分子的外表面，所以肌紅蛋白可溶。

2輔基血紅素

蛋白質(zhì)不能直接與O₂可逆結(jié)合，但是過渡金屬的低氧態(tài)有很強(qiáng)的結(jié)合O₂的能力。血紅素是指原卟啉Ⅸ與Fe的絡(luò)合物鐵原卟啉Ⅸ，鐵原子可以是2價(jià)（Fe2＋）或3價(jià)（Fe3＋）的，相應(yīng)的血紅素稱為（亞鐵）血紅素和高鐵血紅素。相應(yīng)的肌紅蛋白稱為（亞鐵）肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白。其中只有亞鐵態(tài)的蛋白質(zhì)才能結(jié)合O₂。

3肌紅蛋白與O₂的結(jié)合過程

（1）肌紅蛋白與O₂結(jié)合

肌紅蛋白中血紅素鐵在第5配位鍵與珠蛋白His（F8）側(cè)鏈的咪唑N結(jié)合，當(dāng)肌紅蛋白結(jié)合氧變成氧合肌紅蛋白時(shí)，第6配位與O₂結(jié)合，在去氧肌紅蛋白中第6個(gè)配位位置是空著的。在高鐵肌紅蛋白中氧結(jié)合部位失活，H₂O分子代替O₂成為Fe（Ⅲ）第6個(gè)配體。

（2）O₂的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)象

肌紅蛋白血紅素與O₂結(jié)合后，鐵原子的位置與卟啉環(huán)平面的關(guān)系發(fā)生關(guān)鍵性改變。在去氧肌紅蛋白中Fe（Ⅱ）離子只有5個(gè)配體，此時(shí)鐵卟啉呈圓頂狀或凸形。當(dāng)與O₂結(jié)合時(shí)，F(xiàn)e（Ⅱ）被拉回到卟啉環(huán)平面，鐵卟啉由圓頂狀變成平面狀，這一微小變化改變了血紅蛋白四聚體內(nèi)的亞基-亞基相互作用，是肌紅蛋白具有別構(gòu)性質(zhì)的基本原因。

4肌紅蛋白的氧結(jié)合曲線（圖6-1）

圖6-1　肌紅蛋白和血紅蛋白的氧結(jié)合曲線

肌紅蛋白的氧結(jié)合曲線是雙曲線，在低氧時(shí)，對(duì)氧具有較高的親和力，有利于從氧含量低的血液中結(jié)合氧，有利于氧的貯存。

二、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

血紅蛋白存在于血液中的血細(xì)胞中，主要功能是在血液中結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣。

1血紅蛋白的結(jié)構(gòu)

脊椎動(dòng)物的血紅蛋白由4個(gè)多肽亞基組成，即兩條α鏈，兩條β鏈，每個(gè)亞基都有一個(gè)血紅素輔基和一個(gè)氧結(jié)合部位，四條多肽鏈之間的連接鍵是非共價(jià)鍵。

2氧結(jié)合引起的血紅蛋白構(gòu)象變化

氧合作用改變了血紅蛋白（Hb）的四級(jí)結(jié)構(gòu)，血紅素鐵的微小移動(dòng)導(dǎo)致血紅蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)換。血紅蛋白存在兩種主要構(gòu)象態(tài)：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)）。T態(tài)和R態(tài)常常用于描述別構(gòu)蛋白質(zhì)的兩種互換的構(gòu)象。

（1）O₂對(duì)R態(tài)血紅蛋白的親和力明顯高于T態(tài)，并且氧的結(jié)合更穩(wěn)定了R態(tài)；

（2）缺氧時(shí)T態(tài)更加穩(wěn)定，因此T態(tài)是去氧血紅蛋白的主要構(gòu)象，作為T態(tài)的去氧血紅蛋白有專一的氫鍵和鹽橋起著穩(wěn)定作用；

（3）R態(tài)是氧合血紅蛋白的主要構(gòu)象，T態(tài)結(jié)合O₂后轉(zhuǎn)變成R態(tài)，并使分子內(nèi)一些鹽橋斷裂。

血紅蛋白是一個(gè)別構(gòu)蛋白質(zhì)，當(dāng)一個(gè)氧分子與血紅素結(jié)合時(shí)，會(huì)引起血紅蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，其構(gòu)象改變時(shí)使α/β對(duì)螺旋并滑動(dòng)，導(dǎo)致兩個(gè)亞基靠近，中央腔變窄，從而影響血紅蛋白結(jié)合氧的能力。

3血紅蛋白的氧結(jié)合曲線（圖6-1）

血紅蛋白的氧合曲線是S形，在低氧時(shí)（去氧血紅蛋白），對(duì)氧的親和力低；在高氧時(shí)（氧合血紅蛋白）對(duì)氧有高親和力。并且血紅蛋白的氧合屬于正協(xié)同性同促效應(yīng)，O₂是正常的配體也是正同促效應(yīng)物（正同促調(diào)節(jié)物）。一個(gè)O₂的結(jié)合可以增加同一個(gè)Hb分子中其余空的氧結(jié)合部位對(duì)O₂的親和力。協(xié)同結(jié)合使得血紅蛋白對(duì)組織與肺中氧氣濃度的細(xì)小差別更加敏感，在肺中血紅蛋白幾乎全部被氧飽和，而在組織毛細(xì)血管中氧幾乎全部被釋放。這樣血紅蛋白在氧氣濃度高的肺中結(jié)合氧，在氧氣濃度低的組織中釋放氧氣。血紅蛋白氧合協(xié)同性使它能更有效地運(yùn)輸氧氣，發(fā)揮它的功能。

4H＋和CO₂促進(jìn)O₂的釋放（Bohr效應(yīng)）

Bohr效應(yīng)是指pH對(duì)血紅蛋白對(duì)氧的親和力的影響。當(dāng)H＋濃度增加（pH下降）或者增加CO₂的濃度時(shí)，都能降低血紅蛋白對(duì)氧的親和力，促進(jìn)血紅蛋白釋放氧氣，Hb的氧分?jǐn)?shù)飽和曲線向右移動(dòng)。因此H＋可看成是血紅蛋白氧合的拮抗物。Bohr效應(yīng)的生理意義有以下幾個(gè)方面：

（1）血液流經(jīng)pH較低，CO₂濃度較高的組織特別是肌肉時(shí)，有利于血紅蛋白釋放氧氣，而CO₂的釋放促進(jìn)血紅蛋白和H＋、CO₂的結(jié)合，補(bǔ)償由于呼吸作用形成的CO₂而引起的pH降低，起緩沖血液pH的作用。

（2）血液流經(jīng)肺部，這里氧氣分壓高，有利于血紅蛋白與氧氣結(jié)合并促進(jìn)H＋和CO₂的釋放，同時(shí)CO₂的呼出有利于氧合血紅蛋白的形成。

5BPG降低血紅蛋白對(duì)O₂的親和力

BPG（2,3-二磷酸甘油酸）是血紅蛋白的一個(gè)別構(gòu)效應(yīng)物，BPG與血紅蛋白的結(jié)合屬于異促調(diào)節(jié)。血紅蛋白分子只有一個(gè)BPG的結(jié)合部位，當(dāng)它們結(jié)合時(shí)，BPG分子把血紅蛋白的兩個(gè)β鏈交聯(lián)在一起，BPG和兩個(gè)β鏈之間的離子鍵有利于穩(wěn)定去氧血紅蛋白（T態(tài)）的構(gòu)象，促進(jìn)氧的釋放；同時(shí)氧合血紅蛋白（R態(tài)）的中央空穴太小，容納不了BPG，所以O(shè)₂和BPG與血紅蛋白的結(jié)合是相互排斥的。

三、血紅蛋白分子病

基因突變引起血紅蛋白的異常，并且能夠通過遺傳在群體中散布，有些突變是有害的，因此會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的遺傳病，以血紅蛋白的突變?yōu)槔榻B以下幾種血紅蛋白分子病（表6-1）。

表6-1　血紅蛋白分子病

四、免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白

1免疫系統(tǒng)

免疫反應(yīng)由體液免疫系統(tǒng)和細(xì)胞免疫系統(tǒng)兩個(gè)互補(bǔ)的系統(tǒng)組成（圖6-2）。

圖6-2　免疫反應(yīng)的組成及作用

（1）淋巴細(xì)胞

淋巴細(xì)胞是一類白細(xì)胞，是在造血過程中由骨髓中的造血干細(xì)胞分化而來，可以分為B細(xì)胞和T細(xì)胞兩類（表6-2）。

表6-2　B細(xì)胞和T細(xì)胞的比較

（2）巨噬細(xì)胞

巨噬細(xì)胞由骨髓干細(xì)胞發(fā)育而來，是在骨髓中發(fā)育成幼單核細(xì)胞，然后進(jìn)入血液中分化成為單核細(xì)胞，再遷移到組織并分化成組織特異的巨噬細(xì)胞。巨噬細(xì)胞的功能是吞噬大顆粒和細(xì)胞以及作為抗原呈遞細(xì)胞。

2免疫系統(tǒng)能識(shí)別自我和非我

（1）MHC蛋白

MHC（主要組織相容性復(fù)合體）蛋白是內(nèi)在膜蛋白，是一種異二聚體分子，MHC蛋白與細(xì)胞內(nèi)被消化的蛋白質(zhì)的肽片段結(jié)合，并將它們展示在細(xì)胞的外表面，隨后T細(xì)胞受體與這些片段的結(jié)合，導(dǎo)致免疫反應(yīng)的隨后步驟。

（2）MHC蛋白分類（表6-3）

表6-3　兩類MHC蛋白質(zhì)的比較

3免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)和類別

（1）免疫球蛋白的特性

（2）免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)及功能（表6-4）

表6-4　免疫球蛋白的分類

4基于抗體-抗原相互作用的生化分析方法

表6-5　基于抗體-抗原相互作用的生化分析方法