1.9 蛋白质结构与功能的关系： P252，第六章 从厌氧生物转化为好氧生物是生物进化中的一大进步。脊椎动物中血红蛋白在血液中起到载氧和输氧的作用，肌红蛋白在肌肉中起贮氧和氧在肌肉中分配的作用。 肌红蛋白（Mb）的结构与功能 三维结构：由一条多肽链和一个血红素辅基构成，相对分子量16700，含153个氨基酸残基。分子中多肽链由8段α-螺旋组成，分子结构致密结实，带亲水基团侧链的氨基酸分布在分子外表面，疏水氨基酸侧链几乎全埋在分子内部，见P253 图6-1。 辅基血红素：由二价铁和原卟啉Ⅸ组成，原卟啉Ⅸ由4个吡咯环组成，见P254 图6-2。 铁原子只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。蛋白质提供疏水洞穴，固定血红素基，保护血红素铁免遭氧化，为氧提供一个结合部位。结合氧只发生暂时电子重排。 血红蛋白(Hb)的结构与功能 血红蛋白由4个多肽链（亚基）组成，如α2β2（成人血红蛋白HbA），每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位，α-链有141个残基，β-链有146个残基，且α链、β链和Mb的三级结构都非常相似（P259 图6-9）。实际上对于人的这三种多肽链分析发现只有27个的残基是共有的，这表明蛋白质高级结构的保守性。只要功能相同（都与氧结合），高级结构就相似，有时甚至是唯一的。 血红蛋白与肌红蛋白结构上最大不同在于血红蛋白有四级结构，是四聚体，，而肌红蛋白只有三级结构。因此血红蛋白运载氧能力增强，还能运载H+和CO2，在氧分压变化不大范围内完成载氧和卸氧工作。且Hb为变构蛋白，可受环境中其他分子，如H+，CO2和2，3-二磷酸甘油酸（BPG）的调节。 氧结合引起血红蛋白构象变化，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著不同，发生构象变化。 氧与血红蛋白结合是协同进行的，具有正协同性同促效应，即一个氧分子与Hb结合，使同一Hb分子中其余空的氧结合部位对氧亲和力增加，再结合第二、三、四个氧分子则比较容易。 Hb和Mb氧合曲线如P262 图6-14所示。 P(O2)：氧分压，表示氧的浓度（氧浓度与氧分压成正比）。 Y：氧饱和百分数，为被占氧合部位与氧合部位总数之比。 当Y=0，所有氧合部位空着；Y=1，所有氧合部位被氧占据；Y=0.5，半载，此时所需氧分压大小为对氧亲和力指标。 Mb氧合曲线为双曲线；Hb氧合曲线为S型曲线。 S曲线分析： ① 肺区氧分压较高，P（O2）约为100torr（空气中氧分压760×21%=160torr），Y=0.97，近于1，载氧。 ② 组织肌肉中需氧，P（O2）约为20torr，Y=0.25，卸氧。 ③ ΔY：氧饱和百分数变化；ΔP（O2）：氧分压变化。 肺区和组织肌肉中氧分压变化：ΔP（O2）=100―20=80torr，Hb氧饱和百分数变化为，ΔY=0.97―0.25=0.72，表示有近3/4氧可从Hb上卸下。由此可知在S曲线上，即使P（O2）变化不大（仅80torr）,也有较多的氧卸下，输氧效率较高，可完成输氧，ΔP（O2）在20~100torr范围变化，为Hb工作区；相比Mb的双曲线，ΔP（O2）在20~100torr范围变化，ΔY只有0.1，表示氧不易卸下，只能担负贮氧功能。 Hb与Mb功能差别只是因为Hb有四个亚基，有四级结构，可进行协同载氧和卸氧工作，Mb只能贮氧。 H+，CO2和BPG（2，3-二磷酸甘油酸）对血红蛋白结合氧的影响 ： 它们与Hb结合部位离血红素基甚远，是通过别构效应调节Hb与氧的结合。 波尔效应（Bohr）： pH降低（H+增加），CO2压力增加均降低血红蛋白对氧亲和力，促进血红蛋白释放氧；反之高浓度氧又促使脱氧血红蛋白释放H+和CO2。 P264 图6-17：pH减少使S曲线右移，而H+增加、CO2增加均使pH减少。 生理意义：在组织区CO2产生，为高CO2区，pH约7.2，有利于Hb释放氧，载CO2；在肺区氧吸入，pH约7.6，有利于Hb与氧结合，放出CO2。 BPG降低Hb对氧亲和力： BPG可由糖代谢产生，正常人血液中约含4.5mmol/L，约与血红蛋白等摩尔数。 P265 图6-19显示出在不同BPG浓度下血红蛋白的氧合曲线，BPG浓度增加，Hb氧合曲线右移。 ① 无BPG， Hb氧合曲线为双曲线，不易卸氧； ② 当BPG=4.5mmol/L时（正常生理状况），为S型曲线，可卸氧，此时P（O2）=26torr，Y=0.5； ③ 当BPG=7.5mmol/L时（非正常生理状况如高山反应，及病理状况如肺气肿），S曲线右移，更易卸氧，满足肌体对氧需求，此时P（O2）为34torr，Y=0.5。 血红蛋白分子病 人类已发现300多种不同突变的血红蛋白，许多突变是有害的，产生遗传病，如镰刀状细胞贫血症： 病状：贫血症； 检查：血液中含大量镰刀形红细胞HbS，没有足够可承担输氧的正常圆形细胞HbA。镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。 研究：电泳发现HbS和HbA电泳速度和等电点均有差异。在pH8.6下均向正极移动，但HbS比HbA稍慢，说明HbS比HbA少几个带负电荷基团。 氨基酸测序发现HbA与HbS区别在于β-链上6-位Glu（HbA）变为Val（HbS），结果由于疏水相互作用，β-链上6-Val与1-Val接近，使血红蛋白分子从扁平状压缩变形，形成细长聚集体红细胞，构成镰刀形，与氧结合力降低。 值得注意的是血红蛋白分子四条肽链共574个氨基酸残基，只两个β-链上的氨基酸被代替（2Glu→2Val），即引起如此严重疾病。