第 6章 蛋白质结构与功能的关系
一、肌红蛋白的结构与功能
二、血红蛋白的结构与功能
三、血红蛋白分子病
四、免疫系统和免疫球蛋白
五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩
六、蛋白质的结构与功能进化
(The relation between proteins
structure and function)
一、肌红蛋白的结构与功能
肌红蛋白
肌红蛋白 （ myoglobin,Mb） 主要存在于
肌肉中, 是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和
分配氧的蛋白质 。 肌红蛋白由一条多肽链和一
个辅基血红素 （ heme） 构成, 相对分子量 16700，
含 153个氨基酸残基 。 除去血红素后仅剩下的肽
链部分称为珠蛋白 （ globin）, 它和血红蛋白的
α, β 亚基有明显的同源性, 它们的构象和功
能也极为相似 。 血红素非共价地结合在珠蛋白
的疏水空穴中 。
肌红蛋白的结构
myoglobin
抹
香
鲸
肌
红
蛋
白
的
三
级
结
构
辅基血红素
血红素由原卟啉 Ⅸ （ protoporphyrin Ⅸ ） 中
间结合一个 Fe原子构成, 原卟啉 Ⅸ 是由 4个吡咯
环通过甲叉桥连接而成的扁平环状化合物 。 卟啉
环中央结合 Fe原子, Fe原子通常是八面体配位,
应该有 6个配位键, 其中 4个与 4个吡咯环的 N原子
相连, 另两个配位键分布在卟啉环的上下 。 Fe原
子可以是二价的或三价的, 相应的血红素称为 [亚
铁 ]血红素 （ ferroheme,heme） 和高铁血红素
（ ferriheme,hematin）, 相应的肌红蛋白称为
[亚铁 ]肌红蛋白 （ ferromyoglobin） 和高铁肌红蛋
白 （ ferrimyoglobin,metmyoglobin） 。
肌红蛋白的辅基血红素
heme Protoporphyrin Ⅸ
O2与肌红蛋白的结合
血红素中的铁的第 5个配位键与珠蛋白的第 93
（ 或 F8） 位 His残基的咪唑基 N结合, 这个 His称
为近侧 His,而 O2与 Fe的第 6个配位键结合 。 在肌
红蛋白没有结合 O2时, 这个部位是空的 。 高铁肌
红蛋白不能与 O2结合, H2O分子代替 O2成为第 6个
配体 。
在血红素结合 O2的一侧, 还有一个 His残基,
即第 64（ 或 E7） 位 His残基, 称为远侧 His。 由于
这个远侧 His的存在, 使得 O2的结合受到空间位阻 。
在氧合肌红蛋白中, O2的两个原子与 Fe不成一条
直线, 而是倾斜了 30° 。
氧
合
肌
红
蛋
白
中
血
红
素
铁
离
子
的
6
个
配
体
CO的毒性作用
第 6个配位位置的空间位阻很重要 。 游离在溶
液中的铁卟啉结合 CO的能力比结合 O2强 25000倍,
但在肌红蛋白中, 血红素对 CO的亲和力仅比对 O2
的亲和力大 250倍 。 肌红蛋白 （ 还有血红蛋白 ） 降
低对 CO的亲和力, 可以有效地防止代谢过程中产
生的少量 CO占据它们的 O2结合部位 。 尽管如此,
当空气中 CO的含量达到 0.06%～ 0.08%即有中毒
的危险, 达到 0.1%则会导致死亡 。
O2和 CO与肌红蛋白血红素
Fe（ Ⅱ ） 的结合
肌红蛋白的蛋白质部分的作用
通常情况下, O2分子与 Fe（ Ⅱ ） 紧密接触
会使 Fe（ Ⅱ ） 氧化成 Fe（ Ⅲ ）, 溶液中游离的
亚铁血红素很容易被氧化成高铁血红素, 但在
肌红蛋白中, 由于血红素处于疏水环境中, 血
红素 Fe（ Ⅱ ） 不容易被氧化 。
同样是血红素, 与不同的蛋白质结合后, 具
有不同的功能, 如在细胞色素 C中, 血红素起
可逆电子载体的作用, 过氧化氢酶中, 血红素
催化 H2O2歧化成水和 O2。
肌红蛋白血红素
Fe原子的位移
肌红蛋白血红素在没有与 O2结合时, 铁原
子是向第 5 配位体方向 （ His F8） 突出的 。 当
与 O2结合时, 铁原子被拉回到卟啉平面 。
肌
红
蛋
白
血
红
素
Fe
原
子
的
位
移
肌红蛋白结合氧的定量分析
2MbO 2OMb ?
][
]][[
2
2
M b O
OMbK ?
][][
][
2
2
MbM b O
M b OY
?
?
肌红蛋白与 O2结合的反应式为
其解离常数为 K,………… ①
令 Y 为肌红蛋白的氧饱和分数，即
………… ②
将①改写为 ………… ③
K
OMbM b O ]][[][ 2
2 ?
肌红蛋白结合氧的定量分析
将③代入②得,
][
]][[
]][[
2
2
Mb
K
OMb
K
OMb
Y
?
?
1
][
][
2
2
?
?
K
O
K
O
Y
KO
OY
?
?
][
][
2
2
………… ④
根据 herry定律，溶于液体的任一种气体的浓度
与液体上面的该气体的分压成正比，即
)(][ 22 OpAO ?
………… ⑤
式中 A为比例系数,为氧气的分压。 )(
2Op
肌红蛋白结合氧的定量分析
将⑤代入④得
KOpA
OpAY
?
?
)(
)(
2
2
A
K
Op
Op
Y
?
?
)(
)(
2
2
KOp
OpY
??
?
)(
)(
2
2
………… ⑥
肌红蛋白的氧结合曲线
实验中 可以测得, 氧分压常用 torr为
单位 。 Y 值可用分光光度法测定, 因为肌红蛋白
结合了 O2时会引起吸收光谱的改变 。 Y 对
作图所得的曲线称为氧结合曲线 。
)( 2Op
)( 2Op
肌红蛋白的氧结合曲线
Hill作 图
为氧结合肌红蛋白的分数与没有结合
氧的肌红蛋白的分数之比 。
Y
Y
?1
K
Op
OpKOp
Op
KOp
Op
KOp
Op
Y
Y
?
?
???
?
??
?
??
?
?
)(
)()(
)(
)(
)(
1
)(
)(
1
2
22
2
2
2
2
2
两边取对数得
K
Op
Y
Y
???
)(lg)
1l g (
2 KOp
Y
Y ???
?
lg)(lg)
1
l g ( 2
Hill作图
以 对 作图称为 Hill作图,
肌红蛋白的 Hill图是一条直线 。 当 时,
, 这时, 这一点的
斜率称为 Hill系数, 肌红蛋白的 Hill系数等于 1，
说明 O2分子彼此独立地与肌红蛋白结合 。
)
1
lg (
Y
Y
?
)(lg 2Op
11 ?? YY
0)
1
lg ( ?
? Y
Y 502 )( PKOp ???
氧与肌红蛋白结合的 Hill图
肌红蛋白的贮氧和输氧作用
线粒体中氧浓度为 0～ 10 torr,静脉血氧浓度
为 15 torr或更高些 。 肌红蛋白的 P 50为 2 torr,所
以在大多数情况下, 肌红蛋白是高度氧合的, 是氧
的贮存库 。 如果由于肌肉收缩使线粒体中氧含量下
降, 它就可以立即供应氧 。 肌红蛋白也有利于细胞
内氧从细胞的内表面向线粒体转运, 因为这种运转
是顺浓度梯度的, 细胞内表面的氧浓度约为 10 torr
（ 肌红蛋白的氧饱和度约为 80%）, 而线粒体内的氧
浓度约为 1 torr（ 肌红蛋白的氧饱和度约为 25%）,
肌红蛋白可以从细胞内表面结合氧, 而运到线粒体
中释放氧 。
二、血红蛋白的结构与功能
血红蛋白
血红蛋白 （ hemeglobin,Hb） 存在于红
细胞中, 它的主要功能是在血液中结合并转
运氧气, 它在肺中与氧气结合, 运输到全身
各处组织中, 再释放出氧气 。
人体内有正常功能的血红蛋白
发育阶段 血红蛋白 名称 α链或 α样链 β链或 β样链 亚基组成
胚胎 δ ε δ2ε2
胎儿 HbF α γ α2γ2
出生到死亡 HbA α β α2β2
出生到死亡 HbA2 α δ α2δ2
血红蛋白的氨基酸组成
α 链或 α 样链由 141个氨基酸残基组成,
β 链或 β 样链由 146个氨基酸残基组成, 而
肌红蛋白的肽链由 153个氨基酸残基组成,
它们都叫珠蛋白 。 同一类型不同希腊字母代
表的链有个别氨基酸残基不同 。
血红蛋白的三维结构
β1 β2
α1 α2
Hb的 α链,β链和 Mb链构
象的相似性
血红蛋白 α 链, β 链及肌红蛋白链的三
级结构非常相似, 但这三种肽链的氨基酸序
列有很大不同, 141个氨基酸残基位置中只有
27个位置的残基在这三种肽链中是相同的 。
Mb Hbα Hbβ
不同物种血红蛋白氨基酸
序列的比较
比较了多种（从七腮鳗到人）不同的血红蛋
白的氨基酸序列，证明序列中有 9个位置的残基
是所有研究过的血红蛋白所共有的，这些称为高
度保守的残基。
血红蛋白内部的非极性残基可以换成另一种
非极性残基而功能不变。
血红蛋白氧合时亚基的移动
血红蛋白分子中, αβ亚基的接触有两类,
一类是 α 1β 1接触和 α 2β 2接触, 这类接触称为
装配接触；另一类是 α 1β 2接触和 α 2β 1接触,
这类接触称为滑动接触 。 氧合时, 每个 αβ二
聚体半分子作为一个刚体移动, 这两个二聚体
彼此滑动 。 我们将其中一个二聚体看作不动,
另一个二聚体将绕一个设想的偏心轴旋转 15°,
并平移 0.08nm。
血红蛋白氧合时亚基的移动
去氧血红蛋白 α1β1 的移动过程 氧合血红蛋白
血红蛋白氧合时铁原子的移动
在去氧血红蛋白中, 铁原子向近侧 His方
向凸起约 0.06nm。 氧合时, 铁原子的体积缩
小, 向卟啉环平面靠近约 0.039nm,并牵拉近
侧 His往血红素平面移动, 这些移动, 传递到
亚基的界面, 使得亚基间的相互位置发生变
化 。
血
红
蛋
白
氧
合
时
铁
原
子
的
移
动
血红蛋白的两种构象态
血红蛋白有两种主要构象态, 一种是 T态
即紧张态 （ tense state）, 另一种是 R态即松
弛态 （ relaxed state） 。 O2对 R态的亲和力明
显地高于对 T态的亲和力, 并且 O2的结合更稳定
了 R态 。 缺氧时 T态更加稳定, 因此 T态是去氧
血红蛋白的主要构象, R态是氧合血红蛋白的
主要构象 。 T态血红蛋白结合 O2后转变成 R态,
并使得分子内一些盐桥断裂 。
去氧血红蛋白中
各亚基间的盐桥
血红蛋白的别构效应
血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋
白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧
合具有正协同同促效应，即一个 O2的结合促进
同一分子其它亚基与 O2的结合。具有这种性质
的蛋白质称为别构蛋白（也有负协同效应的）。
血红蛋白的协同性氧结合
24 OHb ?42 )( OHb
])([
]][[
42
4
2
OHb
OHbK ?
KOp
Op
Y
??
?
)(
)(
2
4
2
4
假设 O2与 Hb的结合是一种, 全或无, 的方式,
其结合反应式为
则解离常数 K 为 ………… ⑦
………… ⑧
按照前面肌红蛋白结合 O2的定量分析的推导
方法, Hb的氧饱和分数 Y 的方程为
血红蛋白与肌红蛋白
氧合曲线的比较
血红蛋白的实际氧合曲线
推导氧合曲线
实际氧合曲线
血红蛋白推导氧合曲线
误差的原因
血红蛋白结合 O2并不是, 全或无, 的, 各个亚
基结合 O2是依次进行的, 并且前面亚基结合了 O2对
后面亚基与 O2的结合有促进作用 。 实际测定的 n =
2.8,若 n=1,则无协同作用, 若 n >1则有正协同作
用 。 对于血红蛋白来说, 当 n=4 时正协同作用最大,
即当 1个 O2与 1个亚基结合后, 另外 3个亚基也同时
与 O2结合 。 实际情况是 n = 2.8,这样, Hb对第 4个
O2的亲和力约为与第 1个 O2亲和力的 300倍 。
血红蛋白运输氧的效率
在肺泡中, 氧分压为 100 torr,工作肌肉
的毛细血管中约为 20 torr,血红蛋白在肺泡中
Y是 0.97,在肌肉毛细血管中 Y是 0.25,释放的
O2是两个 Y值之差, 即 ΔY=0.72。 这个差值越
大, 运输 O2的效率就越高 。 肌红蛋白不能担当
此项工作 。
血红蛋白别构的异种效应
血红蛋白与 O2的结合受其它分子的调节,
如 H+, CO2 和 2,3- 二 磷 酸 甘 油 酸 （ 2,3-
bisphosphate glycerate,BPG） 等 。 虽然它们
在蛋白质分子上的结合部位离血红素很远, 但
这些分子极大地影响 Hb的氧合性质, 这是别构
效应中的异种效应 。
Bohr效应
组织中代谢作用产生 H+和 CO2,代谢越旺
盛的组织, 需要的 O2越多, 产生的 H+和 CO2促
也越多 。 CO2在体内被水合成碳酸 。
CO2水合的结果, 使组织中 pH下降, 即
[H+]上升 。 O2与血红蛋白的结合受 pH和 CO2浓
度的影响 。 去氧血红蛋白对 H+的亲和力比氧合
血红蛋白大 。 因此, 增加 H+浓度将促进 O2的释
放 。 HbO2＋ H+ HbH+＋ O2
Bohr效应
氧合血红蛋白在组织中释放的 O2量除了受到
组织中低 O2浓度的作用外, 还受组织中低 pH的
影响 。 后者叫做 Bohr效应, 因 1904年发现此现象
的丹麦生理学家 C,Bohr而得名 。
产生 Bohr效应的原因是血红蛋白中一些 pK
值处于 7附近的可解离基团的作用, 主要是 His，
它们的解离与否会影响到血红蛋白的构象, 从而
影响血红蛋白对 O2的亲和力 。
Mb和在不同 pH下 Hb的
氧合曲线
CO2与 Hb的结合
血红蛋白还能结合 CO2，结合部位是 4个亚
基 N末端的 α－ NH2，这些氨基在 T态时都处于
盐桥中，但 R态时都以游离状态存在。 CO2的结
合也能促进 O2的释放。
BPG与 Hb的结合
2,3-二磷酸甘油酸 （ BPG） 是血红蛋白一个重
要的别构效应剂 （ 别构抑制剂 ） 。 正常人红细胞中
约含有 4.5mmol/L的 BPG,约与血红蛋白等摩尔数 。
每个 Hb分子 （ 四聚体 ） 只有一个 BPG结合位点,
位于由 4个亚基缔合形成的中央孔穴内 。 高负电荷
的 BPG分子与每个 β链的若干个残基的带正电荷基
团通过静电结合于 Hb分子上, BPG把两个 β链交联
在一起 。 O2的结合使中央孔穴变小, 使 BPG结合变
得困难 。 在没有 BPG存在时, O2的结合容易, 而在
有 BPG存在时, O2的结合变得困难 。
BP
G
分
子
结
构
及
其
与
Hb
两
个β
链
的
离
子
结
合
BPG对 Hb氧合曲线的影响
BPG对 R态 Hb的亲和力至少比对 T态 Hb低
一个数量级, BPG对 R态 Hb的亲和力大小顺序
为,HbO2 > Hb(O2)2 > Hb(O2)3, 而对 Hb(O2)4
则完全不结合 。
BPG浓度越大, Hb的氧合曲线就越往右偏
移, 说明 BPG抑制 O2的结合, 并增加了正协同
效应 。 BPG的存在可以增加 Hb在组织中的卸
氧量 。 正常情况下供给组织的氧量约为血液所
能携带的最大氧量的 40%（ 即 ΔY = 40%） 。
BP
G
对Hb
氧
合
曲
线
的
影
响
BPG的生理作用
人的某些生理性或病理性缺氧可以通过红
细胞中 BPG浓度的升高而代偿 。 当正常人在短
时间内由海平面上升到 4500m高的高山上时,
红细胞中的 BPG浓度几个小时后就开始上升,
两天内可由 4.5mmol/L增加到 7.5mmol/L,使氧
的释放量增大 。 值得注意的是, BPG浓度增加
对肺中 Hb与 O2的结合影响不大 。
三、血红蛋白分子病
镰刀状红细胞的扫描电镜图
Β镰刀状细胞贫血病
镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病, 它的纯
合子患者有的在童年就死亡 。 杂合子患者的寿命也
不长, 但它能抵抗一种流行于非洲的疟疾 。 这种疟
疾也是一种致死性疾病, 甚至对于具有正常血红蛋
白的人死于这种疟疾的比例也很高, 常常在还没有
繁殖后代就已死去 。 Hbs杂合子患者对这种疟疾有
一定的抵抗能力, 尚能繁殖后代, 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 。
HbA和 HbS的胰蛋白酶消化液
的指纹图谱
HbA（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳） HbS
HbA和 HbS氨基酸序列的比较
HbA H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOH
HbS H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro –Val -Glu-Lys-COOH
（ Β链） 1 2 3 4 5 6 7 8
（示差异处）
HbS聚集成纤维状沉淀
β6残基位于分子表面, 当 Val取代了 Glu后,
在分子的表面多了一个疏水基团 。 血红蛋白的
氧合性质和别构性质不受此变化的影响, 但这
一变化显著地影响了血红蛋白的溶解度 。 在去
氧血红蛋白分子表面的另一处有一个疏水性口
袋, 正好能与这个 Val侧链结合, 它们可以互相
聚集成纤维状沉淀 。 氧合血红蛋白表面没有这
个疏水性口袋, 所以只有在缺氧时, 红细胞才
会成为镰刀状 。
HbS聚集成纤维状
两股 HbS链连锁在一起 14股链纤维
地中海贫血
地中海贫血可以由几条途径产生,① 缺失
一个或多个编码血红蛋白链的基因； ② 所有基
因都存在, 但一个或多个基因发生无义突变
（ nonsense mutation）, 结果产生缩短了的肽
链, 或发生移码突变, 产生无功能的肽链 。 ③
所有基因都可能存在, 但突变发生在编码区之
外, 导致不能转录, 或转录后的加工不正确 。
四、免疫系统和免疫球蛋白
（主要是免疫球蛋白部分）
免疫球蛋白 G的结构
免疫球蛋白 G的空间填充模型
免疫沉淀的交联晶格
交联晶格
抗原决定簇
抗原
（含 4个决定簇）
抗体
人免疫球蛋白的各种类型
人的免疫球蛋白除了 IgG外, 还有 IgA,IgM、
IgD和 IgE,共有 5种类型, 它们各自存在于不同的
地方, 起着不同的作用 。 Ig分子轻链恒定区 （ CL）
的氨基酸序列可分为两种基本类型,κ和 λ,一个
Ig分子只能含有其中的一种 。 重链恒定区 （ 包括
CH1,CH2和 CH3） 的序列分为 5种基本类型,γ
（ IgG）, α（ IgA）, μ（ IgM）, δ（ IgD） 和 ε
（ IgE） 。
各种 Ig的结构
IgD的结构与
IgG类似
IgG IgE IgA
IgM
IgM的结构
二硫键
酶联免疫吸附测定
（ ELISA)
免疫印迹测定
SDS凝胶电泳 免疫印迹
54× 103
（尿激酶）
1,分子量标准 2,4,尿激酶纯化前 3,5,尿激酶纯化后
尿激酶单抗检测
单克隆抗体的制备方法
?用目的抗原免疫小鼠, 取小鼠脾脏制成 B细
胞悬液；
?繁殖小鼠骨髓瘤细胞；
?将制得的 B细胞与骨髓瘤细胞融合, 产生杂
交瘤细胞；
?转移到只有杂交瘤细胞才能生长的培养基中
进行选择性培养；
?用 ELISA法筛选出能分泌目的抗体的单克隆
杂交瘤细胞株；
?扩大培养，从培养液中提取纯化单克隆抗体。
五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝
与肌肉收缩
(肌纤维的结构 )
脊椎动物的骨骼肌又称横纹肌或随意肌 。 肌肉
由许多平行的肌纤维束或称肌束组成 。 肌束中的每
个肌纤维就是一个骨骼肌细胞, 它是长柱形的多核
细胞, 直径约 在 20～ 100μm之间, 长可达 5cm以上,
人体的一些肌纤维甚至可达 50cm。 肌细胞间有少量
结缔组织, 并有毛细血管和神经纤维等 。
骨
骼
肌
的
组
织
水
平
肌纤维的细胞水平
肌纤维是由多个称为成肌细胞的肌肉前体细
胞融合而成的 。 每个肌纤维 含有约 1000个肌原纤
维, 肌原纤维直径 2μm。 这些肌原纤维处于肌浆
中 。 核一般处在细胞的周边, 质膜的内表面 。 肌
纤维中含有许多线粒体, 肌肉收缩时提供能源物
质 ATP,肌纤维中的内质网称为肌质网, 分布在
各肌原纤维的周围, 肌肉收缩时由它提供所需的
Ca2+。
肌原纤维的结构
肌原纤维呈现一个很有规则的周期性结构, 暗
带和明带交替排列 。 明带折射率是各向同性的, 因
此又称各向同性 带 （ isotropic band）, 简称 I带；暗
带 是 各 向 异 性 的, 所 以 又 称 各 向 异 性 带
（ anisotropic band）, 简称 A带 。 I带被一条称为 Z
线或 Z盘的细线分成相等的两半 。 在 A带中央有一个
较明亮的区域称为 H区, H区正中间有一个致密的
横线, 称为 M线或 M盘, 它将 H区分 成相等的两半 。
骨
骼
肌
肌
原
纤
维
的
电
镜
图
肌 节
一个肌原纤维 可以看成是由许多称为肌节
（ sarcomere） 的重复单位构成的, 重复单位是一
个 A带加上前后各半个 I带, 即从 Z线到下一个 Z线 。
一个肌节在松驰状态下长度为 2.5μm.。 上述肌纤
维结构在光学显微镜下就能观察 到 。
肌原纤维由粗丝和细丝构成
粗丝是由 250~360个肌球蛋白分子通过它们
的尾部缔合而成的分子束, 直径约为 16nm；它
们的尾都朝向 A带的中央 （ H区 ）, 长度约为
1.5μm。 结构中肌球蛋白的头部有规则地每间隔
约 14nm在两端伸出 。 粗丝上伸出的头部与相邻
的细丝接触 。
（ 粗丝的结构 ）
粗丝和细丝中的分子装配
肌原纤维由粗丝和细丝构成
（ 细丝的结构 ）
细丝由肌动 蛋白 （ actin）, 原肌球蛋白和肌钙
蛋白组成, 在低离子强度下, 肌动蛋白以单体的形
式存在, 称为 G－肌动蛋白 。 在生理条件 （ 高离子
强度 ） 下, G－肌动蛋白聚合成纤维状的 F－肌动蛋
白 。 F－肌动蛋白外观上像是右手双螺旋结构, 螺
距约 72nm。 每 7个肌动蛋白分子表面有一条原肌球
蛋白分子索, 它遮盖着肌动蛋白上能与肌球蛋白结
合的位点 。 肌钙蛋白复合体由 3个蛋白组成, 肌钙蛋
白 T,I,C。 其中 T能与原肌球蛋白结合, C能与钙
离子结合, I阻抑肌动蛋白与肌球蛋白结合 。
骨骼肌的相关蛋白质
除骨骼肌的主要蛋白质外, 还有多种蛋白质
在维持肌肉结构和调节肌肉收缩方面起着重要的
作用 。 肌球蛋白和肌动蛋白共占总肌丝蛋白质的
65%,原肌球蛋白和肌钙蛋白各占 5%,其它的
调节和结构蛋白约占肌丝蛋白质的 25%。
两个细胞骨架蛋白, 肌连蛋白和伴肌动蛋白,
它们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网 。
肌连蛋白
肌连蛋白是一种弹性蛋白质 。 它是 现在已知
最大的单链蛋白质, 人的心肌肌连蛋白由 26926
个氨基酸残基组成, 分子量为 2993× 103。 在肌
连蛋白分子中央是一个新的结构花式, 由 PEVK
的重复单位组成 。 PEVK花式可能起弹簧装置的
作用, 在肌肉伸展之后可拉动肌肉恢复原状, 并
且也可能在调节肌纤维的强度和弹性方面起作用 。
在强度特殊的肌肉中, 如心肌, PEVK区的长度
只有 163个残基, 而在弹性大的骨骼肌中 PEVK
区超过 2000个残 基 。
肌连蛋白的功能
在肌纤维中肌连蛋白形成长而柔软的细丝,
一个这样的细丝, 在松弛状态下长 1000nm,在张
力下它能伸长到 3000nm以上 。 在肌肉中肌连蛋白
从 M线的边缘开始, 沿肌球蛋白丝全长伸展至 Z盘 。
在这里肌连蛋白的作用可能是把肌球蛋白连接到 Z
盘上, 以及作为, 分子尺, 调节肌节的长度, 放
止肌肉过分伸张 。 当肌原纤维伸张过粗, 细丝的
重叠部分, 肌连蛋白则被动产生张力, 使肌原纤
维复原 。
肌丝滑动模型
在一个完全的收缩中, 每个肌节缩短约
1.0μm。 收缩时 I带和 H区几乎消失, Z盘向 A带
靠拢, 也即缩短是由 I带和 H区两者的宽度减少
造成的, 但 A带宽度 （ 即粗丝长度 ） 和 Z盘到 H
区边缘的距离 （ 即细丝长度 ） 并不改变 。
骨骼肌收缩的肌丝滑动模型
骨骼肌收缩的肌丝滑动模型
肌肉收缩的分子机制 Ⅰ
当信号通过神经传至肌细胞时, 肌细胞膜去
极化, 兴奋传至横小管系 （ 横小管系是肌膜向内
凹入形成的细管, 它围绕在每条肌原纤维的明带
与暗带交界处的表面, 直径约 20～ 40nm）, 引
起肌质网释放钙离子至肌浆, 钙离子与细丝上的
肌钙蛋白 C结合, 肌钙蛋白复合体发生构象变化,
通过肌钙蛋白 I使原肌球蛋白发生位移, 阻抑作
用解除, 暴露出肌动蛋白上与肌球蛋白的结合位
点 。
肌肉收缩的分子机制 Ⅱ
肌动蛋白上的结合位点暴露后, 肌球蛋白
的头部与肌动蛋白接触, 从而激活了肌球蛋白
头部的 ATP酶, 使结合于其上的 ATP分解, 放
出能量, 并转化为机械能, 使肌球蛋白的头部
向 M盘方向转动, 把附着在肌球蛋白头部的肌
动蛋白向 M盘方向牵引, 从而使两 Z盘之间的距
离缩短, 引起肌肉收缩 。
肌
肉
收
缩
的
分
子
机
制
肌肉松弛
肌肉收缩完成后, 钙离子被钙泵从肌浆中
回收到肌质网, 另一 ATP与肌球蛋白的头部结
合时, 肌球蛋白头部与肌动蛋白脱离, 肌球蛋
白头部又回至原位, 肌纤维松弛 。 ATP由线粒
体供给, 当机体死亡后, 线粒体停止产生 ATP，
无新的 ATP与肌球蛋白结合, 因而肌球蛋白头
部不能脱离肌动蛋白, 使肌肉长期处于收缩状
态, 称为尸僵 。
六、蛋白质的结构与
功能的进化
蛋白质的结构和功能的进化是基因突变
造成的 。 有利的突变和中性的突变被保留下
来, 不利的突变造成疾病或残疾, 致死突变
被淘汰 。
一、肌红蛋白的结构与功能
二、血红蛋白的结构与功能
三、血红蛋白分子病
四、免疫系统和免疫球蛋白
五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩
六、蛋白质的结构与功能进化
(The relation between proteins
structure and function)
一、肌红蛋白的结构与功能
肌红蛋白
肌红蛋白 （ myoglobin,Mb） 主要存在于
肌肉中, 是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和
分配氧的蛋白质 。 肌红蛋白由一条多肽链和一
个辅基血红素 （ heme） 构成, 相对分子量 16700，
含 153个氨基酸残基 。 除去血红素后仅剩下的肽
链部分称为珠蛋白 （ globin）, 它和血红蛋白的
α, β 亚基有明显的同源性, 它们的构象和功
能也极为相似 。 血红素非共价地结合在珠蛋白
的疏水空穴中 。
肌红蛋白的结构
myoglobin
抹
香
鲸
肌
红
蛋
白
的
三
级
结
构
辅基血红素
血红素由原卟啉 Ⅸ （ protoporphyrin Ⅸ ） 中
间结合一个 Fe原子构成, 原卟啉 Ⅸ 是由 4个吡咯
环通过甲叉桥连接而成的扁平环状化合物 。 卟啉
环中央结合 Fe原子, Fe原子通常是八面体配位,
应该有 6个配位键, 其中 4个与 4个吡咯环的 N原子
相连, 另两个配位键分布在卟啉环的上下 。 Fe原
子可以是二价的或三价的, 相应的血红素称为 [亚
铁 ]血红素 （ ferroheme,heme） 和高铁血红素
（ ferriheme,hematin）, 相应的肌红蛋白称为
[亚铁 ]肌红蛋白 （ ferromyoglobin） 和高铁肌红蛋
白 （ ferrimyoglobin,metmyoglobin） 。
肌红蛋白的辅基血红素
heme Protoporphyrin Ⅸ
O2与肌红蛋白的结合
血红素中的铁的第 5个配位键与珠蛋白的第 93
（ 或 F8） 位 His残基的咪唑基 N结合, 这个 His称
为近侧 His,而 O2与 Fe的第 6个配位键结合 。 在肌
红蛋白没有结合 O2时, 这个部位是空的 。 高铁肌
红蛋白不能与 O2结合, H2O分子代替 O2成为第 6个
配体 。
在血红素结合 O2的一侧, 还有一个 His残基,
即第 64（ 或 E7） 位 His残基, 称为远侧 His。 由于
这个远侧 His的存在, 使得 O2的结合受到空间位阻 。
在氧合肌红蛋白中, O2的两个原子与 Fe不成一条
直线, 而是倾斜了 30° 。
氧
合
肌
红
蛋
白
中
血
红
素
铁
离
子
的
6
个
配
体
CO的毒性作用
第 6个配位位置的空间位阻很重要 。 游离在溶
液中的铁卟啉结合 CO的能力比结合 O2强 25000倍,
但在肌红蛋白中, 血红素对 CO的亲和力仅比对 O2
的亲和力大 250倍 。 肌红蛋白 （ 还有血红蛋白 ） 降
低对 CO的亲和力, 可以有效地防止代谢过程中产
生的少量 CO占据它们的 O2结合部位 。 尽管如此,
当空气中 CO的含量达到 0.06%～ 0.08%即有中毒
的危险, 达到 0.1%则会导致死亡 。
O2和 CO与肌红蛋白血红素
Fe（ Ⅱ ） 的结合
肌红蛋白的蛋白质部分的作用
通常情况下, O2分子与 Fe（ Ⅱ ） 紧密接触
会使 Fe（ Ⅱ ） 氧化成 Fe（ Ⅲ ）, 溶液中游离的
亚铁血红素很容易被氧化成高铁血红素, 但在
肌红蛋白中, 由于血红素处于疏水环境中, 血
红素 Fe（ Ⅱ ） 不容易被氧化 。
同样是血红素, 与不同的蛋白质结合后, 具
有不同的功能, 如在细胞色素 C中, 血红素起
可逆电子载体的作用, 过氧化氢酶中, 血红素
催化 H2O2歧化成水和 O2。
肌红蛋白血红素
Fe原子的位移
肌红蛋白血红素在没有与 O2结合时, 铁原
子是向第 5 配位体方向 （ His F8） 突出的 。 当
与 O2结合时, 铁原子被拉回到卟啉平面 。
肌
红
蛋
白
血
红
素
Fe
原
子
的
位
移
肌红蛋白结合氧的定量分析
2MbO 2OMb ?
][
]][[
2
2
M b O
OMbK ?
][][
][
2
2
MbM b O
M b OY
?
?
肌红蛋白与 O2结合的反应式为
其解离常数为 K,………… ①
令 Y 为肌红蛋白的氧饱和分数，即
………… ②
将①改写为 ………… ③
K
OMbM b O ]][[][ 2
2 ?
肌红蛋白结合氧的定量分析
将③代入②得,
][
]][[
]][[
2
2
Mb
K
OMb
K
OMb
Y
?
?
1
][
][
2
2
?
?
K
O
K
O
Y
KO
OY
?
?
][
][
2
2
………… ④
根据 herry定律，溶于液体的任一种气体的浓度
与液体上面的该气体的分压成正比，即
)(][ 22 OpAO ?
………… ⑤
式中 A为比例系数,为氧气的分压。 )(
2Op
肌红蛋白结合氧的定量分析
将⑤代入④得
KOpA
OpAY
?
?
)(
)(
2
2
A
K
Op
Op
Y
?
?
)(
)(
2
2
KOp
OpY
??
?
)(
)(
2
2
………… ⑥
肌红蛋白的氧结合曲线
实验中 可以测得, 氧分压常用 torr为
单位 。 Y 值可用分光光度法测定, 因为肌红蛋白
结合了 O2时会引起吸收光谱的改变 。 Y 对
作图所得的曲线称为氧结合曲线 。
)( 2Op
)( 2Op
肌红蛋白的氧结合曲线
Hill作 图
为氧结合肌红蛋白的分数与没有结合
氧的肌红蛋白的分数之比 。
Y
Y
?1
K
Op
OpKOp
Op
KOp
Op
KOp
Op
Y
Y
?
?
???
?
??
?
??
?
?
)(
)()(
)(
)(
)(
1
)(
)(
1
2
22
2
2
2
2
2
两边取对数得
K
Op
Y
Y
???
)(lg)
1l g (
2 KOp
Y
Y ???
?
lg)(lg)
1
l g ( 2
Hill作图
以 对 作图称为 Hill作图,
肌红蛋白的 Hill图是一条直线 。 当 时,
, 这时, 这一点的
斜率称为 Hill系数, 肌红蛋白的 Hill系数等于 1，
说明 O2分子彼此独立地与肌红蛋白结合 。
)
1
lg (
Y
Y
?
)(lg 2Op
11 ?? YY
0)
1
lg ( ?
? Y
Y 502 )( PKOp ???
氧与肌红蛋白结合的 Hill图
肌红蛋白的贮氧和输氧作用
线粒体中氧浓度为 0～ 10 torr,静脉血氧浓度
为 15 torr或更高些 。 肌红蛋白的 P 50为 2 torr,所
以在大多数情况下, 肌红蛋白是高度氧合的, 是氧
的贮存库 。 如果由于肌肉收缩使线粒体中氧含量下
降, 它就可以立即供应氧 。 肌红蛋白也有利于细胞
内氧从细胞的内表面向线粒体转运, 因为这种运转
是顺浓度梯度的, 细胞内表面的氧浓度约为 10 torr
（ 肌红蛋白的氧饱和度约为 80%）, 而线粒体内的氧
浓度约为 1 torr（ 肌红蛋白的氧饱和度约为 25%）,
肌红蛋白可以从细胞内表面结合氧, 而运到线粒体
中释放氧 。
二、血红蛋白的结构与功能
血红蛋白
血红蛋白 （ hemeglobin,Hb） 存在于红
细胞中, 它的主要功能是在血液中结合并转
运氧气, 它在肺中与氧气结合, 运输到全身
各处组织中, 再释放出氧气 。
人体内有正常功能的血红蛋白
发育阶段 血红蛋白 名称 α链或 α样链 β链或 β样链 亚基组成
胚胎 δ ε δ2ε2
胎儿 HbF α γ α2γ2
出生到死亡 HbA α β α2β2
出生到死亡 HbA2 α δ α2δ2
血红蛋白的氨基酸组成
α 链或 α 样链由 141个氨基酸残基组成,
β 链或 β 样链由 146个氨基酸残基组成, 而
肌红蛋白的肽链由 153个氨基酸残基组成,
它们都叫珠蛋白 。 同一类型不同希腊字母代
表的链有个别氨基酸残基不同 。
血红蛋白的三维结构
β1 β2
α1 α2
Hb的 α链,β链和 Mb链构
象的相似性
血红蛋白 α 链, β 链及肌红蛋白链的三
级结构非常相似, 但这三种肽链的氨基酸序
列有很大不同, 141个氨基酸残基位置中只有
27个位置的残基在这三种肽链中是相同的 。
Mb Hbα Hbβ
不同物种血红蛋白氨基酸
序列的比较
比较了多种（从七腮鳗到人）不同的血红蛋
白的氨基酸序列，证明序列中有 9个位置的残基
是所有研究过的血红蛋白所共有的，这些称为高
度保守的残基。
血红蛋白内部的非极性残基可以换成另一种
非极性残基而功能不变。
血红蛋白氧合时亚基的移动
血红蛋白分子中, αβ亚基的接触有两类,
一类是 α 1β 1接触和 α 2β 2接触, 这类接触称为
装配接触；另一类是 α 1β 2接触和 α 2β 1接触,
这类接触称为滑动接触 。 氧合时, 每个 αβ二
聚体半分子作为一个刚体移动, 这两个二聚体
彼此滑动 。 我们将其中一个二聚体看作不动,
另一个二聚体将绕一个设想的偏心轴旋转 15°,
并平移 0.08nm。
血红蛋白氧合时亚基的移动
去氧血红蛋白 α1β1 的移动过程 氧合血红蛋白
血红蛋白氧合时铁原子的移动
在去氧血红蛋白中, 铁原子向近侧 His方
向凸起约 0.06nm。 氧合时, 铁原子的体积缩
小, 向卟啉环平面靠近约 0.039nm,并牵拉近
侧 His往血红素平面移动, 这些移动, 传递到
亚基的界面, 使得亚基间的相互位置发生变
化 。
血
红
蛋
白
氧
合
时
铁
原
子
的
移
动
血红蛋白的两种构象态
血红蛋白有两种主要构象态, 一种是 T态
即紧张态 （ tense state）, 另一种是 R态即松
弛态 （ relaxed state） 。 O2对 R态的亲和力明
显地高于对 T态的亲和力, 并且 O2的结合更稳定
了 R态 。 缺氧时 T态更加稳定, 因此 T态是去氧
血红蛋白的主要构象, R态是氧合血红蛋白的
主要构象 。 T态血红蛋白结合 O2后转变成 R态,
并使得分子内一些盐桥断裂 。
去氧血红蛋白中
各亚基间的盐桥
血红蛋白的别构效应
血红蛋白是一个四聚体蛋白，它与肌红蛋
白相比，出现了一些新的性质。血红蛋白的氧
合具有正协同同促效应，即一个 O2的结合促进
同一分子其它亚基与 O2的结合。具有这种性质
的蛋白质称为别构蛋白（也有负协同效应的）。
血红蛋白的协同性氧结合
24 OHb ?42 )( OHb
])([
]][[
42
4
2
OHb
OHbK ?
KOp
Op
Y
??
?
)(
)(
2
4
2
4
假设 O2与 Hb的结合是一种, 全或无, 的方式,
其结合反应式为
则解离常数 K 为 ………… ⑦
………… ⑧
按照前面肌红蛋白结合 O2的定量分析的推导
方法, Hb的氧饱和分数 Y 的方程为
血红蛋白与肌红蛋白
氧合曲线的比较
血红蛋白的实际氧合曲线
推导氧合曲线
实际氧合曲线
血红蛋白推导氧合曲线
误差的原因
血红蛋白结合 O2并不是, 全或无, 的, 各个亚
基结合 O2是依次进行的, 并且前面亚基结合了 O2对
后面亚基与 O2的结合有促进作用 。 实际测定的 n =
2.8,若 n=1,则无协同作用, 若 n >1则有正协同作
用 。 对于血红蛋白来说, 当 n=4 时正协同作用最大,
即当 1个 O2与 1个亚基结合后, 另外 3个亚基也同时
与 O2结合 。 实际情况是 n = 2.8,这样, Hb对第 4个
O2的亲和力约为与第 1个 O2亲和力的 300倍 。
血红蛋白运输氧的效率
在肺泡中, 氧分压为 100 torr,工作肌肉
的毛细血管中约为 20 torr,血红蛋白在肺泡中
Y是 0.97,在肌肉毛细血管中 Y是 0.25,释放的
O2是两个 Y值之差, 即 ΔY=0.72。 这个差值越
大, 运输 O2的效率就越高 。 肌红蛋白不能担当
此项工作 。
血红蛋白别构的异种效应
血红蛋白与 O2的结合受其它分子的调节,
如 H+, CO2 和 2,3- 二 磷 酸 甘 油 酸 （ 2,3-
bisphosphate glycerate,BPG） 等 。 虽然它们
在蛋白质分子上的结合部位离血红素很远, 但
这些分子极大地影响 Hb的氧合性质, 这是别构
效应中的异种效应 。
Bohr效应
组织中代谢作用产生 H+和 CO2,代谢越旺
盛的组织, 需要的 O2越多, 产生的 H+和 CO2促
也越多 。 CO2在体内被水合成碳酸 。
CO2水合的结果, 使组织中 pH下降, 即
[H+]上升 。 O2与血红蛋白的结合受 pH和 CO2浓
度的影响 。 去氧血红蛋白对 H+的亲和力比氧合
血红蛋白大 。 因此, 增加 H+浓度将促进 O2的释
放 。 HbO2＋ H+ HbH+＋ O2
Bohr效应
氧合血红蛋白在组织中释放的 O2量除了受到
组织中低 O2浓度的作用外, 还受组织中低 pH的
影响 。 后者叫做 Bohr效应, 因 1904年发现此现象
的丹麦生理学家 C,Bohr而得名 。
产生 Bohr效应的原因是血红蛋白中一些 pK
值处于 7附近的可解离基团的作用, 主要是 His，
它们的解离与否会影响到血红蛋白的构象, 从而
影响血红蛋白对 O2的亲和力 。
Mb和在不同 pH下 Hb的
氧合曲线
CO2与 Hb的结合
血红蛋白还能结合 CO2，结合部位是 4个亚
基 N末端的 α－ NH2，这些氨基在 T态时都处于
盐桥中，但 R态时都以游离状态存在。 CO2的结
合也能促进 O2的释放。
BPG与 Hb的结合
2,3-二磷酸甘油酸 （ BPG） 是血红蛋白一个重
要的别构效应剂 （ 别构抑制剂 ） 。 正常人红细胞中
约含有 4.5mmol/L的 BPG,约与血红蛋白等摩尔数 。
每个 Hb分子 （ 四聚体 ） 只有一个 BPG结合位点,
位于由 4个亚基缔合形成的中央孔穴内 。 高负电荷
的 BPG分子与每个 β链的若干个残基的带正电荷基
团通过静电结合于 Hb分子上, BPG把两个 β链交联
在一起 。 O2的结合使中央孔穴变小, 使 BPG结合变
得困难 。 在没有 BPG存在时, O2的结合容易, 而在
有 BPG存在时, O2的结合变得困难 。
BP
G
分
子
结
构
及
其
与
Hb
两
个β
链
的
离
子
结
合
BPG对 Hb氧合曲线的影响
BPG对 R态 Hb的亲和力至少比对 T态 Hb低
一个数量级, BPG对 R态 Hb的亲和力大小顺序
为,HbO2 > Hb(O2)2 > Hb(O2)3, 而对 Hb(O2)4
则完全不结合 。
BPG浓度越大, Hb的氧合曲线就越往右偏
移, 说明 BPG抑制 O2的结合, 并增加了正协同
效应 。 BPG的存在可以增加 Hb在组织中的卸
氧量 。 正常情况下供给组织的氧量约为血液所
能携带的最大氧量的 40%（ 即 ΔY = 40%） 。
BP
G
对Hb
氧
合
曲
线
的
影
响
BPG的生理作用
人的某些生理性或病理性缺氧可以通过红
细胞中 BPG浓度的升高而代偿 。 当正常人在短
时间内由海平面上升到 4500m高的高山上时,
红细胞中的 BPG浓度几个小时后就开始上升,
两天内可由 4.5mmol/L增加到 7.5mmol/L,使氧
的释放量增大 。 值得注意的是, BPG浓度增加
对肺中 Hb与 O2的结合影响不大 。
三、血红蛋白分子病
镰刀状红细胞的扫描电镜图
Β镰刀状细胞贫血病
镰刀状细胞贫血病是一种致死性疾病, 它的纯
合子患者有的在童年就死亡 。 杂合子患者的寿命也
不长, 但它能抵抗一种流行于非洲的疟疾 。 这种疟
疾也是一种致死性疾病, 甚至对于具有正常血红蛋
白的人死于这种疟疾的比例也很高, 常常在还没有
繁殖后代就已死去 。 Hbs杂合子患者对这种疟疾有
一定的抵抗能力, 尚能繁殖后代, 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 。
HbA和 HbS的胰蛋白酶消化液
的指纹图谱
HbA（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳） HbS
HbA和 HbS氨基酸序列的比较
HbA H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOH
HbS H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro –Val -Glu-Lys-COOH
（ Β链） 1 2 3 4 5 6 7 8
（示差异处）
HbS聚集成纤维状沉淀
β6残基位于分子表面, 当 Val取代了 Glu后,
在分子的表面多了一个疏水基团 。 血红蛋白的
氧合性质和别构性质不受此变化的影响, 但这
一变化显著地影响了血红蛋白的溶解度 。 在去
氧血红蛋白分子表面的另一处有一个疏水性口
袋, 正好能与这个 Val侧链结合, 它们可以互相
聚集成纤维状沉淀 。 氧合血红蛋白表面没有这
个疏水性口袋, 所以只有在缺氧时, 红细胞才
会成为镰刀状 。
HbS聚集成纤维状
两股 HbS链连锁在一起 14股链纤维
地中海贫血
地中海贫血可以由几条途径产生,① 缺失
一个或多个编码血红蛋白链的基因； ② 所有基
因都存在, 但一个或多个基因发生无义突变
（ nonsense mutation）, 结果产生缩短了的肽
链, 或发生移码突变, 产生无功能的肽链 。 ③
所有基因都可能存在, 但突变发生在编码区之
外, 导致不能转录, 或转录后的加工不正确 。
四、免疫系统和免疫球蛋白
（主要是免疫球蛋白部分）
免疫球蛋白 G的结构
免疫球蛋白 G的空间填充模型
免疫沉淀的交联晶格
交联晶格
抗原决定簇
抗原
（含 4个决定簇）
抗体
人免疫球蛋白的各种类型
人的免疫球蛋白除了 IgG外, 还有 IgA,IgM、
IgD和 IgE,共有 5种类型, 它们各自存在于不同的
地方, 起着不同的作用 。 Ig分子轻链恒定区 （ CL）
的氨基酸序列可分为两种基本类型,κ和 λ,一个
Ig分子只能含有其中的一种 。 重链恒定区 （ 包括
CH1,CH2和 CH3） 的序列分为 5种基本类型,γ
（ IgG）, α（ IgA）, μ（ IgM）, δ（ IgD） 和 ε
（ IgE） 。
各种 Ig的结构
IgD的结构与
IgG类似
IgG IgE IgA
IgM
IgM的结构
二硫键
酶联免疫吸附测定
（ ELISA)
免疫印迹测定
SDS凝胶电泳 免疫印迹
54× 103
（尿激酶）
1,分子量标准 2,4,尿激酶纯化前 3,5,尿激酶纯化后
尿激酶单抗检测
单克隆抗体的制备方法
?用目的抗原免疫小鼠, 取小鼠脾脏制成 B细
胞悬液；
?繁殖小鼠骨髓瘤细胞；
?将制得的 B细胞与骨髓瘤细胞融合, 产生杂
交瘤细胞；
?转移到只有杂交瘤细胞才能生长的培养基中
进行选择性培养；
?用 ELISA法筛选出能分泌目的抗体的单克隆
杂交瘤细胞株；
?扩大培养，从培养液中提取纯化单克隆抗体。
五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝
与肌肉收缩
(肌纤维的结构 )
脊椎动物的骨骼肌又称横纹肌或随意肌 。 肌肉
由许多平行的肌纤维束或称肌束组成 。 肌束中的每
个肌纤维就是一个骨骼肌细胞, 它是长柱形的多核
细胞, 直径约 在 20～ 100μm之间, 长可达 5cm以上,
人体的一些肌纤维甚至可达 50cm。 肌细胞间有少量
结缔组织, 并有毛细血管和神经纤维等 。
骨
骼
肌
的
组
织
水
平
肌纤维的细胞水平
肌纤维是由多个称为成肌细胞的肌肉前体细
胞融合而成的 。 每个肌纤维 含有约 1000个肌原纤
维, 肌原纤维直径 2μm。 这些肌原纤维处于肌浆
中 。 核一般处在细胞的周边, 质膜的内表面 。 肌
纤维中含有许多线粒体, 肌肉收缩时提供能源物
质 ATP,肌纤维中的内质网称为肌质网, 分布在
各肌原纤维的周围, 肌肉收缩时由它提供所需的
Ca2+。
肌原纤维的结构
肌原纤维呈现一个很有规则的周期性结构, 暗
带和明带交替排列 。 明带折射率是各向同性的, 因
此又称各向同性 带 （ isotropic band）, 简称 I带；暗
带 是 各 向 异 性 的, 所 以 又 称 各 向 异 性 带
（ anisotropic band）, 简称 A带 。 I带被一条称为 Z
线或 Z盘的细线分成相等的两半 。 在 A带中央有一个
较明亮的区域称为 H区, H区正中间有一个致密的
横线, 称为 M线或 M盘, 它将 H区分 成相等的两半 。
骨
骼
肌
肌
原
纤
维
的
电
镜
图
肌 节
一个肌原纤维 可以看成是由许多称为肌节
（ sarcomere） 的重复单位构成的, 重复单位是一
个 A带加上前后各半个 I带, 即从 Z线到下一个 Z线 。
一个肌节在松驰状态下长度为 2.5μm.。 上述肌纤
维结构在光学显微镜下就能观察 到 。
肌原纤维由粗丝和细丝构成
粗丝是由 250~360个肌球蛋白分子通过它们
的尾部缔合而成的分子束, 直径约为 16nm；它
们的尾都朝向 A带的中央 （ H区 ）, 长度约为
1.5μm。 结构中肌球蛋白的头部有规则地每间隔
约 14nm在两端伸出 。 粗丝上伸出的头部与相邻
的细丝接触 。
（ 粗丝的结构 ）
粗丝和细丝中的分子装配
肌原纤维由粗丝和细丝构成
（ 细丝的结构 ）
细丝由肌动 蛋白 （ actin）, 原肌球蛋白和肌钙
蛋白组成, 在低离子强度下, 肌动蛋白以单体的形
式存在, 称为 G－肌动蛋白 。 在生理条件 （ 高离子
强度 ） 下, G－肌动蛋白聚合成纤维状的 F－肌动蛋
白 。 F－肌动蛋白外观上像是右手双螺旋结构, 螺
距约 72nm。 每 7个肌动蛋白分子表面有一条原肌球
蛋白分子索, 它遮盖着肌动蛋白上能与肌球蛋白结
合的位点 。 肌钙蛋白复合体由 3个蛋白组成, 肌钙蛋
白 T,I,C。 其中 T能与原肌球蛋白结合, C能与钙
离子结合, I阻抑肌动蛋白与肌球蛋白结合 。
骨骼肌的相关蛋白质
除骨骼肌的主要蛋白质外, 还有多种蛋白质
在维持肌肉结构和调节肌肉收缩方面起着重要的
作用 。 肌球蛋白和肌动蛋白共占总肌丝蛋白质的
65%,原肌球蛋白和肌钙蛋白各占 5%,其它的
调节和结构蛋白约占肌丝蛋白质的 25%。
两个细胞骨架蛋白, 肌连蛋白和伴肌动蛋白,
它们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网 。
肌连蛋白
肌连蛋白是一种弹性蛋白质 。 它是 现在已知
最大的单链蛋白质, 人的心肌肌连蛋白由 26926
个氨基酸残基组成, 分子量为 2993× 103。 在肌
连蛋白分子中央是一个新的结构花式, 由 PEVK
的重复单位组成 。 PEVK花式可能起弹簧装置的
作用, 在肌肉伸展之后可拉动肌肉恢复原状, 并
且也可能在调节肌纤维的强度和弹性方面起作用 。
在强度特殊的肌肉中, 如心肌, PEVK区的长度
只有 163个残基, 而在弹性大的骨骼肌中 PEVK
区超过 2000个残 基 。
肌连蛋白的功能
在肌纤维中肌连蛋白形成长而柔软的细丝,
一个这样的细丝, 在松弛状态下长 1000nm,在张
力下它能伸长到 3000nm以上 。 在肌肉中肌连蛋白
从 M线的边缘开始, 沿肌球蛋白丝全长伸展至 Z盘 。
在这里肌连蛋白的作用可能是把肌球蛋白连接到 Z
盘上, 以及作为, 分子尺, 调节肌节的长度, 放
止肌肉过分伸张 。 当肌原纤维伸张过粗, 细丝的
重叠部分, 肌连蛋白则被动产生张力, 使肌原纤
维复原 。
肌丝滑动模型
在一个完全的收缩中, 每个肌节缩短约
1.0μm。 收缩时 I带和 H区几乎消失, Z盘向 A带
靠拢, 也即缩短是由 I带和 H区两者的宽度减少
造成的, 但 A带宽度 （ 即粗丝长度 ） 和 Z盘到 H
区边缘的距离 （ 即细丝长度 ） 并不改变 。
骨骼肌收缩的肌丝滑动模型
骨骼肌收缩的肌丝滑动模型
肌肉收缩的分子机制 Ⅰ
当信号通过神经传至肌细胞时, 肌细胞膜去
极化, 兴奋传至横小管系 （ 横小管系是肌膜向内
凹入形成的细管, 它围绕在每条肌原纤维的明带
与暗带交界处的表面, 直径约 20～ 40nm）, 引
起肌质网释放钙离子至肌浆, 钙离子与细丝上的
肌钙蛋白 C结合, 肌钙蛋白复合体发生构象变化,
通过肌钙蛋白 I使原肌球蛋白发生位移, 阻抑作
用解除, 暴露出肌动蛋白上与肌球蛋白的结合位
点 。
肌肉收缩的分子机制 Ⅱ
肌动蛋白上的结合位点暴露后, 肌球蛋白
的头部与肌动蛋白接触, 从而激活了肌球蛋白
头部的 ATP酶, 使结合于其上的 ATP分解, 放
出能量, 并转化为机械能, 使肌球蛋白的头部
向 M盘方向转动, 把附着在肌球蛋白头部的肌
动蛋白向 M盘方向牵引, 从而使两 Z盘之间的距
离缩短, 引起肌肉收缩 。
肌
肉
收
缩
的
分
子
机
制
肌肉松弛
肌肉收缩完成后, 钙离子被钙泵从肌浆中
回收到肌质网, 另一 ATP与肌球蛋白的头部结
合时, 肌球蛋白头部与肌动蛋白脱离, 肌球蛋
白头部又回至原位, 肌纤维松弛 。 ATP由线粒
体供给, 当机体死亡后, 线粒体停止产生 ATP，
无新的 ATP与肌球蛋白结合, 因而肌球蛋白头
部不能脱离肌动蛋白, 使肌肉长期处于收缩状
态, 称为尸僵 。
六、蛋白质的结构与
功能的进化
蛋白质的结构和功能的进化是基因突变
造成的 。 有利的突变和中性的突变被保留下
来, 不利的突变造成疾病或残疾, 致死突变
被淘汰 。
