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生物化學(xué)與分子生物學(xué):第三節(jié) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能

蛋白質(zhì)為生物高分子物質(zhì)之一,具有三維空間結(jié)構(gòu),因而執(zhí)行復(fù)雜的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系非常密切。在研究中,一般將蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)分為一級結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)兩類。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)就是蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基…

蛋白質(zhì)為生物高分子物質(zhì)之一,具有三維空間結(jié)構(gòu),因而執(zhí)行復(fù)雜的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系非常密切。在研究中,一般將蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)分為一級結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)兩類。

一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)就是蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序(sequence),也是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的。各種氨基酸按遺傳密碼的順序,通過肽鍵連接起來,成為多肽鏈,故肽鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主鍵。

迄今已有約一千種左右蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)被研究確定,如胰島素,胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的二級、三級等高級結(jié)構(gòu),成百億的天然蛋白質(zhì)各有其特殊的生物學(xué)活性,決定每一種蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性的結(jié)構(gòu)特點,首先在于其肽鏈的氨基酸序列,由于組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸各具特殊的側(cè)鏈,側(cè)鏈基團的理化性質(zhì)和空間排布各不相同,當(dāng)它們按照不同的序列關(guān)系組合時,就可形成多種多樣的空間結(jié)構(gòu)和不同生物學(xué)活性的蛋白質(zhì)分子。

圖1-1 胰島素的一級結(jié)構(gòu)

二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展,而是折疊和盤曲構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整,因此僅僅測定蛋白質(zhì)分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)。例如球狀蛋白質(zhì)(多見于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等)和纖維狀蛋白質(zhì)(角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等),前者溶于水,后者不溶于水,顯而易見,此種性質(zhì)不能僅用蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序來解釋。

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)就是指蛋白質(zhì)的二級、三級和四級結(jié)構(gòu)。

(一)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象,不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。

1.肽鍵平面(或稱酰胺平面,amide plane)。

Pauling等人對一些簡單的肽及氨基酸的酰胺等進行了X線衍射分析,得出圖1-2所示結(jié)構(gòu),從一個肽鍵的周圍來看,得知:

圖1-2 肽鍵平面示意圖

(1)

中的C-N鍵長0.132nm,比相鄰的N-C單鍵(0.147nm)短,而較一般C=N雙鍵(0.128nm)長,可見,肽鍵中-C-N-鍵的性質(zhì)介于單、雙鍵之間,具有部分雙鍵的性質(zhì),因而不能旋轉(zhuǎn),這就將固定在一個平面之內(nèi)。

(2)

 肽鍵的C及N周圍三個鍵角之和均為360°,說明都處于一個平面上,也就是說

六個原子基本上同處于一個平面,這就是肽鍵平面。肽鏈中能夠旋轉(zhuǎn)的只有α碳原子所形成的單鍵,此單鍵的旋轉(zhuǎn)決定兩個肽鍵平面的位置關(guān)系,于是肽鍵平面成為肽鏈盤曲折疊的基本單位。

(3) 肽鍵中的C-N既具有雙鍵性質(zhì),就會有順反不同的立體異構(gòu),已證實

處于反位(見圖1-3)。

圖1-3 反式肽單元和順式肽單元

2.蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的結(jié)構(gòu)單元

1)α-螺旋Pauling等人對α-角蛋白(α-keratin)進行了X線衍射分析,從衍射圖中看到有0.5~0.55nm的重復(fù)單位,故推測蛋白質(zhì)分子中有重復(fù)性結(jié)構(gòu),并認為這種重復(fù)性結(jié)構(gòu)為α-螺旋(α-h(huán)elix)見圖1-4。

圖1-4 蛋白質(zhì)分子的α-螺旋

α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點如下:

(1)多個肽鍵平面通過α-碳原子旋轉(zhuǎn),相互之間緊密盤曲成穩(wěn)固的右手螺旋。

(2)主鏈呈螺旋上升,每3.6個氨基酸殘基上升一圈,相當(dāng)于0.54nm,這與X線衍射圖符合。

(3)相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C=O和H桸形成許多鏈內(nèi)氫健,即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C=O之間形成氫鍵,這是穩(wěn)定α-螺旋的主要鍵。

(4)肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R,分布在螺旋外側(cè),其形狀、大小及電荷影響α-螺旋的形成。酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域,由于同電荷相斥,不利于α-螺旋形成;較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域,也妨礙α-螺旋形成;脯氨酸因其α-碳原子位于五元環(huán)上,不易扭轉(zhuǎn),加之它是亞氨基酸,不易形成氫鍵,故不易形成上述α-螺旋;甘氨酸的R基為H,空間占位很小,也會影響該處螺旋的穩(wěn)定。

2)β-片層結(jié)構(gòu)Astbury等人曾對β-角蛋白進行X線衍射分析,發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)α-角蛋白在濕熱條件下拉伸,可拉長到原長二倍,這種α-螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕cβ-角蛋白類似的衍射圖。說明β-角蛋白中的結(jié)構(gòu)和α-螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)相同。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈,通過氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為β-片層(β-pleatedsheet)結(jié)構(gòu)或稱β-折迭(圖1-5)。

圖1-5 蛋白質(zhì)分子中的β-片層結(jié)構(gòu)

左:順向平行 右:逆向平行

β-片層結(jié)構(gòu)特點是:

①是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu),肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀,相鄰肽鍵平面間呈110°角。氨基酸殘基的R側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或下方。

②依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的C=O與H梄形成氫鍵,使構(gòu)象穩(wěn)定。

③兩段肽鏈可以是平行的,也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的,后者是反方向的。β-片層結(jié)構(gòu)的形式十分多樣,正、反平行能相互交替。

④平行的β-片層結(jié)構(gòu)中,兩個殘基的間距為0.65nm;反平行的β-片層結(jié)構(gòu),則間距為0.7nm。

3)β-轉(zhuǎn)角

蛋白質(zhì)分子中,肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180°的回折,在這種回折角處的構(gòu)象就是β-轉(zhuǎn)角(β-turn或β-bend)。β-轉(zhuǎn)角中,第一個氨基酸殘基的C=O與第四個殘基的N桯形成氫鍵,從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(圖1-6)。

圖1-6 蛋白質(zhì)分子中的β-轉(zhuǎn)角

4)無規(guī)卷曲

沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象,肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列,屬于松散的無規(guī)卷曲(random coil)。

圖1-7 蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)示意

a.αα組合 b.βββ組合 c.βαβ組合

(二)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

超二級結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)是指在多肽鏈內(nèi)順序上相互鄰近的二級結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中靠近,彼此相互作用,形成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚集體。目前發(fā)現(xiàn)的超二級結(jié)構(gòu)有三種基本形式:α螺旋組合(αα);β折疊組合(βββ)和α螺旋β折疊組合(βαβ)(圖1-7),其中以βαβ組合最為常見。它們可直接作為三級結(jié)構(gòu)的“建筑塊”或結(jié)構(gòu)域的組成單位,是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次,故稱超二級結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)域(domain)也是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次。在較大的蛋白質(zhì)分子中,由于多肽鏈上相鄰的超二級結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系,形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別它與蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)的區(qū)別。一般每個結(jié)構(gòu)域約由100-200個氨基酸殘基組成,各有獨特的空間構(gòu)象,并承擔(dān)不同的生物學(xué)功能。如免疫球蛋白(IgG)由12個結(jié)構(gòu)域組成,其中兩個輕鏈上各有2個,兩個重鏈上各有4個;補體結(jié)合部位與抗原結(jié)合部位處于不同的結(jié)構(gòu)域。一個蛋白質(zhì)分子中的幾個結(jié)構(gòu)域有的相同,有的不同;而不同蛋白質(zhì)分子之間肽鏈中的各結(jié)構(gòu)域也可以相同。如乳酸脫氫酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等均屬以NAD+為輔酶的脫氫酶類,它們各自由2個不同的結(jié)構(gòu)域組成,但它們與NAD+結(jié)合的結(jié)構(gòu)域構(gòu)象則基本相同。

圖1-8 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)中某些次級鍵

(三)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的多肽鏈在各種二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再進一步盤曲或折迭形成具有一定規(guī)律的三維空間結(jié)構(gòu),稱為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)。蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠次級鍵,包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力(Van der Wasls力)等(圖1-8)。這些次級鍵可存在于一級結(jié)構(gòu)序號相隔很遠的氨基酸殘基的R基團之間,因此蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)主要指氨基酸殘基的側(cè)鏈間的結(jié)合。次級鍵都是非共價鍵,易受環(huán)境中pH、溫度、離子強度等的影響,有變動的可能性。二硫鍵不屬于次級鍵,但在某些肽鏈中能使遠隔的二個肽段聯(lián)系在一起,這對于蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定上起著重要作用。

現(xiàn)也有認為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子主鏈折疊盤曲形成構(gòu)象的基礎(chǔ)上,分子中的各個側(cè)鏈所形成一定的構(gòu)象。側(cè)鏈構(gòu)象主要是形成微區(qū)(或稱結(jié)構(gòu)域domain)。對球狀蛋白質(zhì)來說,形成疏水區(qū)和親水區(qū)。親水區(qū)多在蛋白質(zhì)分子表面,由很多親水側(cè)鏈組成。疏水區(qū)多在分子內(nèi)部,由疏水側(cè)鏈集中構(gòu)成,疏水區(qū)常形成一些“洞穴”或“口袋”,某些輔基就鑲嵌其中,成為活性部位。

具備三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)從其外形上看,有的細長(長軸比短軸大10倍以上),屬于纖維狀蛋白質(zhì)(fibrous protein),如絲心蛋白;有的長短軸相差不多基本上呈球形,屬于球狀蛋白質(zhì)(globular protein),如血漿清蛋白、球蛋白、肌紅蛋白,球狀蛋白的疏水基多聚集在分子的內(nèi)部,而親水基則多分布在分子表面,因而球狀蛋白質(zhì)是親水的,更重要的是,多肽鏈經(jīng)過如此盤曲后,可形成某些發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域,例如酶的活性中心等。

(四)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

具有二條或二條以上獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì),其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quarternary structure)。其中,每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。四級結(jié)構(gòu)實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間不含共價鍵,亞基間次級鍵的結(jié)合比二、三級結(jié)構(gòu)疏松,因此在一定的條件下,四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可分離為其組成的亞基,而亞基本身構(gòu)象仍可不變。

一種蛋白質(zhì)中,亞基結(jié)構(gòu)可以相同,也可不同。如煙草斑紋病毒的外殼蛋白是由2200個相同的亞基形成的多聚體;正常人血紅蛋白A是兩個α亞基與兩個β亞基形成的四聚體;天冬氨酸氨甲酰基轉(zhuǎn)移酶由六個調(diào)節(jié)亞基與六個催化亞基組成。有人將具有全套不同亞基的最小單位稱為原聚體(protomer),如一個催化亞基與一個調(diào)節(jié)亞基結(jié)合成天冬氨酸氨甲;D(zhuǎn)移酶的原聚體。

某些蛋白質(zhì)分子可進一步聚合成聚合體(polymer)。聚合體中的重復(fù)單位稱為單體(monomer),聚合體可按其中所含單體的數(shù)量不同而分為二聚體、三聚體……寡聚體(oligomer)和多聚體(polymer)而存在,如胰島素(insulin)在體內(nèi)可形成二聚體及六聚體。

圖1-9 肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)和丙糖磷酸異構(gòu)酶的三級結(jié)構(gòu)圖

quanxiangyun.cn/shiti/

圖1-10 面紅蛋白亞基結(jié)合模式圖

三、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

(一)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與其構(gòu)象及功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),特定的空間構(gòu)象主要是由蛋白質(zhì)分子中肽鏈和側(cè)鏈R基團形成的次級鍵來維持,在生物體內(nèi),蛋白質(zhì)的多肽鏈一旦被合成后,即可根據(jù)一級結(jié)構(gòu)的特點自然折疊和盤曲,形成一定的空間構(gòu)象。

Anfinsen以一條肽鏈的蛋白質(zhì)核糖核酸酶為對象,研究二硫鍵的還原和氧化問題,發(fā)現(xiàn)該酶的124個氨基酸殘基構(gòu)成的多肽鏈中存在四對二硫鍵,在大量β-巰基乙醇和適量尿素作用下,四對二硫鍵全部被還原為桽H,酶活力也全部喪失,但是如將尿素和β-巰基乙醇除去,并在有氧條件下使巰基緩慢氧化成二硫鍵,此時酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基礎(chǔ)上認為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了它的二級、三級結(jié)構(gòu),即由一級結(jié)構(gòu)可以自動地發(fā)展到二、三級結(jié)構(gòu)(圖1-10)。

一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì),其基本構(gòu)象及功能也相似,例如,不同種屬的生物體分離出來的同一功能的蛋白質(zhì),其一級結(jié)構(gòu)只有極少的差別,而且在系統(tǒng)發(fā)生上進化位置相距愈近的差異愈小(表1-2,表1-3)。

表1-2 胰島素分子中氨基酸殘基的差異部分

胰島素來源氨基酸殘基的差異部分
A5A6A10A30
ThrSerIleThr
ThrSerIleAla
ThrSerIleAla
ThrSerIleSer
AlaSerValAla
AlaGlyValAla
ThrGlyIleAla
抹香猄ThrSerIleAla
鯉猄AlaSerThrAla

表1-3 細胞色素C分子中氨基酸殘基的差異數(shù)目及分歧時間

不同種屬氨基酸殘基的差異數(shù)目分歧時間(百萬年)
人-猴150-60
人-馬1270-75
人-狗1070-75
豬-牛-羊0
馬-牛360-65
哺乳類-雞10-15280
哺乳類-猢17-21400
脊椎動物-酵母43-481,100

圖1-11 核糖核酸酶的變性和復(fù)性示意圖

(A)天然核糖核酸酶(B)變性失活(C)“錯亂”核糖核酸酶

促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)和促黑激素(MSH)均為垂體分泌的多肽激素。α-MSH和ACTh 4~10位的氨基酸結(jié)構(gòu)與β-MSH的11~17位一樣,故ACTH有較弱的MSH的生理作用(圖1-12)。

在蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)中,參與功能活性部位的殘基或處于特定構(gòu)象關(guān)鍵部位的殘基,即使在整個分子中發(fā)生一個殘基的異常,那么該蛋白質(zhì)的功能也會受到明顯的影響。被稱之為“分子病”的鐮刀狀紅細胞性貧血僅僅是574個氨基酸殘基中,一個氨基酸殘基即β亞基N端的第6號氨基酸殘基發(fā)生了變異所造成的,這種變異來源于基因上遺傳信息的突變(如圖1-13)。

圖1-12 ACTH、α-MSH和β-MSH一級結(jié)構(gòu)比較

正常DNA……TGt GGG CTT CTT TTT……
mRNAACA CCC GAA GAA AAA
DNA(β亞基)N端…蘇-脯-谷-谷-賴……
異常DNA……TGT GGG GAT CTT TTT……
mRNA……ACa CCC GUA GAA AAA……
hbs(β亞基)N端…蘇-脯-纈-谷-賴……

圖1-13 鐮刀狀紅細胞性貧血血紅蛋白遺傳信息的異常

(二)蛋白質(zhì)空間橡象與功能活性的關(guān)系

蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān),蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象是其功能活性的基礎(chǔ),構(gòu)象發(fā)生變化,其功能活性也隨之改變。蛋白質(zhì)變性時,由于其空間構(gòu)象被破壞,故引起功能活性喪失,變性蛋白質(zhì)在復(fù)性后,構(gòu)象復(fù)原,活性即能恢復(fù)。

在生物體內(nèi),當(dāng)某種物質(zhì)特異地與蛋白質(zhì)分子的某個部位結(jié)合,觸發(fā)該蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生一定變化,從而導(dǎo)致其功能活性的變化,這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的別構(gòu)效應(yīng)(allostery)。

蛋白質(zhì)(或酶)的別構(gòu)效應(yīng),在生物體內(nèi)普遍存在,這對物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)和某些生理功能的變化都是十分重要的。

現(xiàn)以血紅蛋白(hemoglobin,簡寫Hb)為例來說明構(gòu)象與功能的關(guān)系。

血紅蛋白是紅細胞中所含有的一種結(jié)合蛋白質(zhì),它的蛋白質(zhì)部分稱為珠蛋白(globin),非蛋白質(zhì)部分(輔基)稱為血紅素(見圖1-14)。Hb分子由四個亞基構(gòu)成,每一亞基結(jié)合一分子血紅素。正常成人Hb分子的四個亞基為兩條α鏈,兩條β鏈。α鏈由141個氨基酸殘基組成,β鏈由146個氨基酸殘基組成,它們的一級結(jié)構(gòu)均已確定。每一亞基都具有獨立的三級結(jié)構(gòu),各肽鏈折疊盤曲成一定構(gòu)象,β亞基中有8個α-螺旋區(qū)(分別稱A、B……H螺旋區(qū)),α亞基中有7個α-螺旋區(qū)。在此基礎(chǔ)上肽鏈進一步折疊形成球狀,依賴側(cè)鏈間形成的各種次級鍵維持穩(wěn)定,使之球形表面為親水區(qū),球形向內(nèi),在E和F螺旋段間的20多個巰水氨基酸側(cè)鏈構(gòu)成口袋形的疏水區(qū),輔基血紅素www.med126.com就嵌接在其中,α亞基和β亞基構(gòu)象相似,最后,四個亞基α2β2聚合成具有四級結(jié)構(gòu)的Hb分子(見圖1-15)。在此分子中,四個亞基沿中央軸排布四方,兩α亞基沿不同方向嵌入兩個β亞基間,各亞基間依多種次級健聯(lián)系,使整個分子呈球形,這些次級鍵對于維系Hb分子空間構(gòu)象有重要作用,例如在四亞基間的8對鹽鍵(圖1-16),它們的形成和斷裂將使整個分子的空間構(gòu)象發(fā)生變化。

圖1-14 血紅素的結(jié)構(gòu)式

圖1-15 血紅蛋白β亞基的構(gòu)象

ABCDEFGH分別代表不同的α-螺旋區(qū)。共有八個螺旋區(qū);阿拉伯?dāng)?shù)字代表在該區(qū)氨基酸殘基的序號;a-螺旋區(qū)之間的移行部位為無規(guī)卷曲,用AB,CD,EF,F(xiàn)G…等表示。C1,E7,C5,CF,C3,E3,的中間為血紅素,其中較大的黑點代表Fe2+。

圖1-16 血紅蛋白亞基間鹽鍵示意圖

圖1-7 鐵原子在氧合時落入血紅素平面

圖1-18

圖1-19 Hb的氧飽和曲線

Hb在體內(nèi)的主要功能為運輸氧氣,而Hb的別位效應(yīng),極有利于它在肺部與O2結(jié)合及在周圍組織釋放O2。

Hb是通過其輔基血紅素的Fe++與氧發(fā)生可逆結(jié)合的,血紅素的鐵原子共有6個配位鍵,其中4個與血紅素的吡咯環(huán)的N結(jié)合,一個與珠蛋白亞基F螺旋區(qū)的第8位組氨酸(F8)殘基的咪唑基的N相連接,空著的一個配位鍵可與O2可逆地結(jié)合,結(jié)合物稱氧合血紅蛋白。

在血紅素中,四個吡咯環(huán)形成一個平面,在未與氧結(jié)合時Fe++的位置高于平面0.7Å,一旦O2進入某一個α亞基的疏水“口袋”時,與Fe++的結(jié)合會使Fe++嵌入四吡咯平面中,也即向該平面內(nèi)移動約0.75Å(圖1-17),鐵的位置的這一微小移動,牽動F8組氨酸殘基連同F(xiàn)螺旋段的位移,再波及附近肽段構(gòu)象,造成兩個α亞基間鹽鍵斷裂,使亞基間結(jié)合變松,并促進第二亞基的變構(gòu)并氧合,后者又促進第三亞基的氧合(圖1-18)使Hb分子中第四亞基的氧合速度為第一亞基開始氧合時速度的數(shù)百倍。此種一個亞基的別構(gòu)作用,促進另一亞基變構(gòu)的現(xiàn)象,稱為亞基間的協(xié)同效應(yīng)(cooperativity),所以在不同氧分壓下,Hb氧飽和曲線呈“S”型(圖1-19)。

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