第5章 结构与功能的关系.pdf

第第5 5章章 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 Structure and Function of Protein 生物大分子结构与功能的关系 功能 运动着的结构 Some say Function is structure Others say Structure is function I say Functions are structures in motion 海洋生命学院海洋生命学院314 19 蛋白质结构与功能关系概述蛋白质结构与功能关系概述 蛋白质蛋白质一级结构一级结构决定蛋白质的决定蛋白质的高级结构高级结构 蛋白质 蛋白质 一级结构的变异直接影响高级结构 进而影响正一级结构的变异直接影响高级结构 进而影响正 常功能的发挥 常功能的发挥 蛋白质高级结构与蛋白质功能相适应 蛋白质高级结构与蛋白质功能相适应 结构蛋白结构蛋白 呈纤维状呈纤维状 酶多呈球形酶多呈球形 具 具运输功能的膜蛋白形运输功能的膜蛋白形 成孔道结构成孔道结构利于发挥其功能 利于发挥其功能 同种蛋白质当处于同种蛋白质当处于不同结构状态不同结构状态时发挥时发挥不同功能不同功能 结构的转换可通过结构的转换可通过去除 修饰或其他方式去除 修饰或其他方式 结构相似蛋白质其功能也具有相似性结构相似蛋白质其功能也具有相似性 肌红蛋白 肌红蛋白 和血红蛋白 和血红蛋白 一 肌红蛋白结构与功能一 肌红蛋白结构与功能 1 存在 肌红蛋白 myoglobin Mb 是哺 乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋 白质 2 一级结构 一条多肽链 辅基 M 16700 153AA 除血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白 globin 一 肌红蛋白的结构 一 肌红蛋白的结构 海洋生命学院海洋生命学院514 19 153个氨基酸残基的多肽主个氨基酸残基的多肽主 链链 由长短不等的由长短不等的8段段 螺旋组成螺旋组成 A B C D E F G H 螺旋段间为自由卷曲 其中螺旋段间为自由卷曲 其中 脯氨酸导致了脯氨酸导致了4个转折 个转折 Ser Thr Asn Ile 的连续出现的连续出现 也导致了转折 也导致了转折 整个分子分成两层 构成其整个分子分成两层 构成其 单结构域 单结构域 组氨酸 血红素血红素 铁铁 F8 E7F8 E7的的2 2个个HisHis残基夹着残基夹着 血红素血红素 F8F8的的HisHis残基连接到血红残基连接到血红 素分子的素分子的FeFe原子上原子上 亲水残基几乎在外侧亲水残基几乎在外侧 疏水残基在内侧疏水残基在内侧 半疏水残基部分暴露半疏水残基部分暴露 3 肌红蛋白的三级结构 海洋生命学院海洋生命学院614 19 辅基血红素辅基血红素 某些过渡金属的低氧态 特别是某些过渡金属的低氧态 特别是FeFe2 2 和 和CuCu 具很强的 具很强的 结合氧倾向 结合氧倾向 蛋白质不能与氧发生可逆结合 而是通过与蛋白质不能与氧发生可逆结合 而是通过与原卟啉原卟啉 固定的铁原子固定的铁原子来进行的来进行的 某些节肢动物的血蓝蛋白某些节肢动物的血蓝蛋白 hemocyaninhemocyanin 中结合氧的是中结合氧的是 CuCu 原卟啉原卟啉 属于卟啉类属于卟啉类 porphyrinsporphyrins 这类化合物在叶绿素这类化合物在叶绿素 细胞色素以及其他一些天然色素中还将遇到细胞色素以及其他一些天然色素中还将遇到 原卟啉原卟啉 与与FeFe的络合物的络合物铁原卟啉铁原卟啉 称血红素 称血红素 血红素位于血红素位于 肌红蛋白分子的一个沟缝中 肌红蛋白分子的一个沟缝中 血红素极性很强的血红素极性很强的丙酸侧链位于分子的表面丙酸侧链位于分子的表面 卟啉环的中心卟啉环的中心亚铁原子只有六个配位键 四个与平面的卟亚铁原子只有六个配位键 四个与平面的卟 啉分子结合啉分子结合 另外两个与卟啉平面垂直另外两个与卟啉平面垂直 FeFe原子原子第六第六个配价键处于开放个配价键处于开放 状态 用作为状态 用作为O O2 2的结合的结合部位 部位 Fe2 Fe2 与珠蛋白的与珠蛋白的9393位位 F8F8 HisHis的咪唑基的咪唑基N N相相 连 连 当形成氧合肌红蛋白时 当形成氧合肌红蛋白时 第第6 6个配位键与氧结合 个配位键与氧结合 当成高铁肌红蛋白时 当成高铁肌红蛋白时 第第6 6配位键被配位键被H H2 2O O分子分子 占据 占据 在氧结合一侧有一在氧结合一侧有一E7 E7 HisHis对氧结合部位形成对氧结合部位形成 空间位阻区空间位阻区 三 肌红蛋白与氧气的结合 三 肌红蛋白与氧气的结合 海洋生命学院海洋生命学院914 19 一氧化碳中毒的原理一氧化碳中毒的原理 COCO同氧气竞争结合部位同氧气竞争结合部位 游离血红素与游离血红素与COCO的结合力比氧高的结合力比氧高2500025000倍倍 肌红蛋白中血红素与肌红蛋白中血红素与COCO的结合力比氧高的结合力比氧高250250倍 倍 为什么 为什么 空间位阻空间位阻 这样可以防止代谢过程中产生的这样可以防止代谢过程中产生的COCO占据占据O2O2的结合部位 的结合部位 微环境 微环境 1 1 固定血红素辅基 固定血红素辅基 2 2 保护 保护FeFe 免遭氧化 免遭氧化 3 3 为 为O2O2提供一个合适的结合部位提供一个合适的结合部位 去氧状态铁卟啉呈圆顶状或凸形 铁位于卟啉环靠去氧状态铁卟啉呈圆顶状或凸形 铁位于卟啉环靠HisF8HisF8 一侧 一侧 氧合状态铁卟啉由圆顶状或凸形变成平面状 铁被拉回氧合状态铁卟啉由圆顶状或凸形变成平面状 铁被拉回 到卟啉环平面 到卟啉环平面 HisF8HisF8牵拉牵拉F F螺旋 微小位移将影响多肽链的构象 螺旋 微小位移将影响多肽链的构象 这对这对MbMb生物功能并没有影响 但会影响生物功能并没有影响 但会影响HbHb的性质 的性质 海洋生命学院海洋生命学院1114 19 氧的结合改变肌红蛋白的构象氧的结合改变肌红蛋白的构象 去氧状态去氧状态氧合状态氧合状态 海洋生命学院海洋生命学院1214 19 Mbo2Mb O2 2 2 MbO OMb k 或或 k O Mb MbO22 MbMbO MbO Y 2 2 kO O Y 2 2 kOp Op O O Y 2 2 2 2 结合位点总 结合位点被 解离平衡方程为 解离平衡方程为 Y在特定的氧分压条件下肌红蛋白的氧分数饱和度在特定的氧分压条件下肌红蛋白的氧分数饱和度 Henry定律 溶于液体中任一气体的浓度与液体定律 溶于液体中任一气体的浓度与液体 上面的该气体分压成正比 因此可用氧分压代替上面的该气体分压成正比 因此可用氧分压代替 氧浓度 氧浓度 即即 氧分数饱和度氧分数饱和度 氧分压氧分压 50 50 氧饱和氧饱和 度的氧分压度的氧分压 从图中可以看出 从图中可以看出 MbMb倾向于结合氧而不是释放氧 倾向于结合氧而不是释放氧 只有在只有在p Op O2 2 很低时才释放氧 很低时才释放氧 Y 1Y 1时时MbMb上所有氧气结合位点被占据 上所有氧气结合位点被占据 Y 0 5Y 0 5时 时 P50 KP50 K 线粒体氧浓度线粒体氧浓度0 0 10 torr10 torr 静脉血 静脉血 15 torr15 torr 肌红蛋白 肌红蛋白P50P50为为2torr2torr 多 多 数情况下肌红蛋白为高度氧合 数情况下肌红蛋白为高度氧合 这种差异利于氧自细胞表面到线这种差异利于氧自细胞表面到线 粒体的运输 如果由于代谢或运粒体的运输 如果由于代谢或运 动需要氧含量下降 则动需要氧含量下降 则MbMb可立即可立即 供氧供氧 肌红蛋白氧结合曲线肌红蛋白氧结合曲线 在血液中结合并转运氧在血液中结合并转运氧 二 血红蛋白的结构与功能二 血红蛋白的结构与功能 1 亚基组成 4个亚基 一 血红蛋白的结构 一 血红蛋白的结构 Mb Hb Hb 比较 Mb链 153AA153AA Hb 链 141AA141AA 缩短的 缩短的H H螺旋和缺失螺旋和缺失D D螺旋螺旋 Hb 链 146AA146AA 缩短的 缩短的H H螺旋螺旋 三级结构非常相似 2727个位置的个位置的AAAA是是3 3种珠蛋白共有的种珠蛋白共有的 海洋生命学院海洋生命学院1914 19 2 2 血红蛋白的三维结构血红蛋白的三维结构 分子是一个球体 四个亚基占据四面体的四个角 分子是一个球体 四个亚基占据四面体的四个角 血红素辅基位于分子表面血红素辅基位于分子表面E E和和F F螺旋的空穴内 每螺旋的空穴内 每 个亚基一个 个亚基一个 四个氧的结合部位彼此保持一定的距离 四个氧的结合部位彼此保持一定的距离 链 链 1 1 氧合作用显著改变氧合作用显著改变HbHb的四级结构的四级结构 2 2 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象 的转换的转换 3 3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同 的构象态的构象态 二 氧结合引起 二 氧结合引起HbHb构象改变构象改变 1 1 氧合作用显著改变氧合作用显著改变HbHb的四级结构的四级结构 血红蛋白半分子 血红蛋白半分子 二聚体的侧面观 二聚体的侧面观 装配接触装配接触 1 1 1 1和相同的和相同的 2 2 2 2接触 涉及接触 涉及 螺旋螺旋B B G G H H和非螺旋段和非螺旋段GHGH拐弯的拐弯的3030 多个残基 多个残基 接触面大 对亚基的装配接触面大 对亚基的装配 很重要 很重要 当血红蛋白从去氧变为氧合当血红蛋白从去氧变为氧合 形式时它们不变 形式时它们不变 滑动接触滑动接触 1 1 2 2和相同的和相同的 2 2 1 1接触 涉及接触 涉及 螺旋螺旋C C G G F F和非螺旋段和非螺旋段FGFG拐弯的拐弯的1919 个残基 个残基 当血红蛋白因氧合作用而发当血红蛋白因氧合作用而发 生构象变化时 这些接触也发生改变 生构象变化时 这些接触也发生改变 装配接触装配接触 滑动接触滑动接触 作为动态构象分子 血红蛋白可以看作是作为动态构象分子 血红蛋白可以看作是 二聚体的二聚体 二聚体的二聚体 1 1 1 1 亚基和亚基和 2 2 2 2 亚基对 每个亚基对 每个 二聚体作为钢体移动 当二聚体作为钢体移动 当 血红素基氧合时 分子的两个二聚体半分子彼此滑动 如果血红素基氧合时 分子的两个二聚体半分子彼此滑动 如果 一个一个 二聚体固定不动 则另一个二聚体固定不动 则另一个 二聚体将绕一个设想的二聚体将绕一个设想的 二聚体的偏心枢轴旋转约二聚体的偏心枢轴旋转约1515 并平移并平移0 08nm0 08nm 海洋生命学院海洋生命学院2314 19 去氧状态铁卟啉呈圆去氧状态铁卟啉呈圆 顶状或凸形 铁位于顶状或凸形 铁位于 卟啉环靠卟啉环靠HisF8HisF8一侧 一侧 氧合状态铁卟啉由圆顶氧合状态铁卟啉由圆顶 状或凸形变成平面状 状或凸形变成平面状 铁被拉回到卟啉环平面铁被拉回到卟啉环平面 由于卟啉平面的由于卟啉平面的 移动 牵引移动 牵引F8F8咪咪 唑环移动 螺旋唑环移动 螺旋 F F 拐弯 拐弯EFEF和和FGFG 产生位移 进而产生位移 进而 引起血红蛋白构引起血红蛋白构 象的重调 象的重调 2 2 血红素铁的微小移动导致构象的改变血红素铁的微小移动导致构象的改变 脱氧血红蛋白 紧张态 脱氧血红蛋白 紧张态 氧合血红蛋白 松驰态 氧合血红蛋白 松驰态 3 3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同 的构象态 的构象态 T T态和态和R R态 态 海洋生命学院海洋生命学院2514 19 T T态向态向R R态的转变涉及态的转变涉及 链内键的变化链内键的变化 T T态 态 8 8个离子键 盐个离子键 盐 桥 和每条链桥 和每条链HC2HC2和和 FG5FG5间形成链内氢键 间形成链内氢键 共共4 4个 维持其紧张态个 维持其紧张态 R R态 当与氧结合时 态 当与氧结合时 由于由于F F螺旋的移动 导螺旋的移动 导 致链内氢键的断裂 进致链内氢键的断裂 进 而带动链间和链内盐桥而带动链间和链内盐桥 的断裂 形成松弛态的断裂 形成松弛态 两两 亚基间无盐桥 利亚基间无盐桥 利 于于T T态时与态时与BPGBPG结合结合 HC2 FG5 由于血红蛋白亚基之间存在大量离子键 使其由于血红蛋白亚基之间存在大量离子键 使其 构象构象呈紧张态呈紧张态 对氧的亲和力很低 第一个亚基与 对氧的亲和力很低 第一个亚基与 O O2 2结合时 离子键的破坏较难 所需要的能量较多 结合时 离子键的破坏较难 所需要的能量较多 当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引起它的构象当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引起它的构象从从 紧张态变成松弛态紧张态变成松弛态 其它的离子键也依次破坏 此 其它的离子键也依次破坏 此 时破坏离子键所需要的能量也少 构象的变化导致时破坏离子键所需要的能量也少 构象的变化导致 血红蛋白对氧的亲和力大大增强 因此第四个亚基血红蛋白对氧的亲和力大大增强 因此第四个亚基 结合氧的能力比第一个大几百倍 结合氧的能力比第一个大几百倍 Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合结合 Hb与与 O2结合后称为结合后称为氧合氧合Hb 氧合氧合Hb占总占总Hb的百的百 分数分数 称称百分饱和度百分饱和度 随随O2浓度变化而改变浓度变化而改变 三 血红蛋白的协同性氧结合 三 血红蛋白的协同性氧结合 HbHb的氧结合曲线的氧结合曲线 血红蛋白是目前了解最清楚的别构蛋白质 血血红蛋白是目前了解最清楚的别构蛋白质 血 红蛋白的氧合具有正协同效应 即一个红蛋白的氧合具有正协同效应 即一个O2的结的结 合会增加同一分子中其余空的氧结合部位对合会增加同一分子中其余空的氧结合部位对O2 的亲和力 的亲和力 Hb的氧合曲线呈的氧合曲线呈S形形而非双曲线形 每个血红而非双曲线形 每个血红 蛋白分子有蛋白分子有4个血红素个血红素 因此最多只能结合 因此最多只能结合4分分 子氧 现假定子氧 现假定O2与与Hb的结合是 全或无 的的结合是 全或无 的 现象 现象 蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合 肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白 Hb O2 4 Hb O2 4 K Hb Hb O2 4 Y O2 4 K O2 4 O2 P4 O2 K P4 O2 Y O2 Hb O2 4 蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合 肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白 Hb 4 O2Hb O2 4 HbHb的氧结合曲线的氧结合曲线 蛋白质与配体的可逆结合蛋白质与配体的可逆结合 肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白与血红蛋白 血红蛋白血红蛋白 氧合曲线为氧合曲线为 S S 形形 肌红蛋白肌红蛋白 氧合曲线为氧合曲线为 双曲线形双曲线形 实际观察到的血红蛋白的氧结合曲线 蓝色 并不精确符合 曲线a 紫色 这意味着Hb实际的氧分数饱和度方程中 p O2 的指数不是4 近似等于2 8 这表明Hb和O2的结合不完 全是全或无的现象 100 80 60 40 20 0 20 P5040 60 80 100 氧 饱 和 度 氧分压 mmHg Hb Kp p Y O O 2 n 2 n 曲线a n 4 曲线b n 1 n 2 8 海洋生命学院海洋生命学院3214 19 以以log Y 1log Y 1 Y Y 为纵坐标 为纵坐标 loglog o o2 2为横坐为横坐 标作图 就是标作图 就是HillHill作图作图 HillHill图 肌红蛋白直线 当图 肌红蛋白直线 当Y 1 2Y 1 2时 时 该点斜率为该点斜率为HillHill系数 系数 nHnH表示 肌红蛋表示 肌红蛋 白为白为1 1 KOp Y Y loglog 1 log2 k Op Y Y2 1 kOp Op Y 2 2 肌红蛋白的Hill作图 为了对为了对HbHb的协同效应进行评估的协同效应进行评估 需要引入需要引入 HillHill系数系数 海洋生命学院海洋生命学院3314 19 KOp Op Y n n 2 2 K Op Y Y n 2 1 KOPn Y Y loglog 1 log 2 血红蛋白的Hill作图 Hill图表明在氧分压极高和极低时 血红蛋白Hill曲线的斜率接近1 即蛋 白各亚基间无协同性 在氧分压中间 区域 Hill曲线的斜率接近3 即蛋白 各亚基间具有很高的正协同性 但不 是完全协同 斜率不是4 Hill系数是协同性程度的一种量度 n nH H 1 1 配体结合无协同性 配体结合无协同性 MbMb n nH H 1 1 配体结合正协同性 配体结合正协同性 HbHb n nH H 1 1 负协同性负协同性 HbHb氧合协同性使得氧合协同性使得HbHb能够更有效的发挥输送氧气的功能能够更有效的发挥输送氧气的功能 组织组织 肺泡肺泡 血红蛋白血红蛋白P P50 50 26 26 torrtorr 肺 泡 氧 压 肺 泡 氧 压 PoPo2 2 100100torrtorr Y Y 0 0 9797 肌肉毛细血管 肌肉毛细血管 PoPo2 2 2020torrtorr Y Y 0 0 2525 释放氧 释放氧 Y Y 0 0 9797 0 0 2525 0 0 7272 Mb 0 97Mb 0 97 0 89 0 080 89 0 08 肌红蛋白 无协同效应 肌红蛋白 无协同效应 Y Y不足不足0 10 1 Hemoglobin Hemoglobin transports Otransports O2 2 and COand CO2 2 in in vertebrates vertebrates Myoglobin Myoglobin stores O2 instores O2 in muscle tissuesmuscle tissues 血红蛋白与血红蛋白与O O2 2的结合受环境中其他分子的影响 的结合受环境中其他分子的影响 如如H H COCO2 2和和BPGBPG等 虽然它们在蛋白质分子上等 虽然它们在蛋白质分子上 的结合部位离血红素基很远 但这些分子极大的的结合部位离血红素基很远 但这些分子极大的 影响血红蛋白的氧合性质 属于影响血红蛋白的氧合性质 属于异促别构效应异促别构效应 1 H1 H 和 和COCO2 2促进氧的释放 促进氧的释放 BohrBohr效应 效应 BPG BPG降低降低HbHb对氧的亲和力对氧的亲和力 四 四 H H CO CO2 2 和和BPGBPG对 结合氧的影响对 结合氧的影响 1 1 波耳 波耳 BohrBohr 效应 效应 19041904年丹麦生理学家年丹麦生理学家Bohr C Bohr C 发现增加发现增加H H 浓度将促浓度将促 进血红蛋白对进血红蛋白对O O2 2的释放的释放 这种这种pHpH对血红蛋白与氧亲和对血红蛋白与氧亲和 力的影响被称为波耳效应 力的影响被称为波耳效应 pHpH的降低使的降低使S S 曲线右移 曲线右移 使氧合能力降低 促使氧使氧合能力降低 促使氧 的解离的解离 生理意义 生理意义 当血液流经肌肉时 这里的当血液流经肌肉时 这里的pHpH较较 低 低 COCO2 2浓度较高 因此有利于血浓度较高 因此有利于血 红蛋白释放红蛋白释放O O2 2 使组织能比因单 使组织能比因单 纯氧分压降低获得更多的氧 但纯氧分压降低获得更多的氧 但 同时氧的释放又促使血红蛋白与同时氧的释放又促使血红蛋白与 H H 和和COCO2 2结合 以补偿组织呼吸结合 以补偿组织呼吸 引起的引起的pHpH降低 降低 当血液流经肺时 由于氧分压高当血液流经肺时 由于氧分压高 有利于血红蛋白与氧的结合 因有利于血红蛋白与氧的结合 因 此而促进了此而促进了H H 和和COCO2 2的释放 同的释放 同 时时COCO2 2的经肺呼出 的经肺呼出 2 2 32 2 3一二磷酸甘油酸 一二磷酸甘油酸 BPGBPG 对 对HbHb氧合氧合 的影响的影响 2 3 Bisphosphoglycerate BPG 高负电荷的高负电荷的BPGBPG分子通过与每个分子通过与每个 链的链的Lys 82Lys 82 EF6EF6 His His 143 H21 143 H21 和和N N 末端末端Val 1 NA1 Val 1 NA1 等残基的荷正电基团的静电相等残基的荷正电基团的静电相 互作用结合于互作用结合于HbHb分子上分子上 BPGBPG是血红蛋白的别构效应剂 一分子血红蛋白只有一分子是血红蛋白的别构效应剂 一分子血红蛋白只有一分子BPGBPG 位于由四个亚基缔合形成的中央孔穴内 位于由四个亚基缔合形成的中央孔穴内 有助于稳定去氧形式 有助于稳定去氧形式 T T态 的血红蛋白构象 促进氧的释放 态 的血红蛋白构象 促进氧的释放 BPGBPG的作用的作用 HbBPG 4O2Hb O2 4 BPG O2和BPG与Hb的结合互相排斥 BPGBPG与与HbHb的的 结合有利于结合有利于O O2 2释放 肺部的氧合过程促使释放 肺部的氧合过程促使BPGBPG离开离开HbHb 在红细胞中 在红细胞中 2 3BPG2 3BPG与血红蛋白的与血红蛋白的 浓度几乎是等摩尔的浓度几乎是等摩尔的 HbHb BPGBPG 2 3BPG 2 3BPG 的存在 可的存在 可 使氧与全血中成熟的使氧与全血中成熟的 血红蛋白结合的血红蛋白结合的P50P50大大 约提高到约提高到26torr26torr 换言之 红细胞中换言之 红细胞中 的的2 3BPG2 3BPG实质上是降实质上是降 低了脱氧血红蛋白对低了脱氧血红蛋白对 氧的亲和性 氧的亲和性 BPG调节的相关生理现象 1 高山适应的代偿性变化 高山适应的代偿性变化 2 2 血库储血时加入肌苷可防止血库储血时加入肌苷可防止BPGBPG水平下降 因为水平下降 因为 肌苷能通过红细胞膜并在胞内经一系列反应反应肌苷能通过红细胞膜并在胞内经一系列反应反应 转变为转变为BPGBPG 现在肌苷广泛用于血液的保存 现在肌苷广泛用于血液的保存 3 3 胎儿血红蛋白结构 胎儿血红蛋白结构 海洋生命学院海洋生命学院4414 19 BPG BPG 与与HbHb的结合使曲线右的结合使曲线右 移移 无无BPG BPG 肺部结合的氧在组肺部结合的氧在组 织中不能被释放织中不能被释放 BPG 0mM BPG 0mM 海平面处海平面处BPGBPG的摩尔数与的摩尔数与HbHb 相等约为相等约为4 5mol L 4 5mol L 从肺部从肺部 运送到组织中的氧运送到组织中的氧38 38 被释被释 放放 进入海拔进入海拔4500m4500m时 组织中时 组织中 获的氧降至获的氧降至30 30 2 2天后天后BPGBPG的摩尔数升至的摩尔数升至 7 5mol L 7 5mol L 组织中获的氧升组织中获的氧升 至至37 37 高山适应的代偿性变化 胎儿红细胞中HbF HbF 2 2 HbF对氧的亲和力比HbA高 因为 的Ser取代His 减少了 BPG分子结合的正电荷 降 低了HbF与BPG的亲和力 因 而增加了HBF对氧的亲和力 生理意义 胎儿能够有效的通过胎盘从 母体获得更多的氧 Hb的别构效应 S S形氧合曲线形氧合曲线 BohrBohr效应效应 BPGBPG效应物效应物 HbHb的输氧能力达到的输氧能力达到 最高效率最高效率 一 分子病是遗传的 一 分子病是遗传的 二 镰刀状细胞贫血病 二 镰刀状细胞贫血病 三 其他血红蛋白病 三 其他血红蛋白病 四 地中海贫血 四 地中海贫血 三 血红蛋白与分子病三 血红蛋白与分子病 DNADNA结构改变导致分子病发生结构改变导致分子病发生 在自然界有许多因素可以引起在自然界有许多因素可以引起DNADNA结构的改变 结构的改变 虽然细胞内具有修复虽然细胞内具有修复DNADNA损伤的功能 但并非所有的损伤的功能 但并非所有的 损伤都能被修复 一些未能修复的损伤有可能形成损伤都能被修复 一些未能修复的损伤有可能形成 DNADNA的突变 的突变 突变是一种遗传状态 是可以通过复制而遗传的突变是一种遗传状态 是可以通过复制而遗传的 突变如果发生在结构基因中 将使基因编码的蛋白质突变如果发生在结构基因中 将使基因编码的蛋白质 发生结构改变 失去原有功能 导致分子病的发生 发生结构改变 失去原有功能 导致分子病的发生 一 分子病是遗传的 一 分子病是遗传的 患有贫血病的病人的正常细胞之中存在着许多异常的镰刀患有贫血病的病人的正常细胞之中存在着许多异常的镰刀 形细胞 右图 这种血液病称之镰刀形细胞贫血病 形细胞 右图 这种血液病称之镰刀形细胞贫血病 二 镰刀状细胞贫血病 二 镰刀状细胞贫血病 1 1 镰刀状细胞贫血病是血红蛋白镰刀状细胞贫血病是血红蛋白 分子突变引起的分子突变引起的 血红蛋白的异常由基因突变引起 并通过遗传在群体血红蛋白的异常由基因突变引起 并通过遗传在群体 中散布 这是血红蛋白进化的基础 中散布 这是血红蛋白进化的基础 是最早被认识的一种分子病是最早被认识的一种分子病 它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子中氨基酸残它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子中氨基酸残 基被更换所造成的 基被更换所造成的 患者的患者的HSHS含量仅为正常人的一半 红细胞数目也是正含量仅为正常人的一半 红细胞数目也是正 常人一半左右且形态不正常常人一半左右且形态不正常 不正常的血红蛋白不正常的血红蛋白HbSHbS 1954年年指纹图谱 指纹图谱 finger print HbA HbS 胰蛋白酶胰蛋白酶28肽段肽段 28肽段 双向电泳层析 肽段 双向电泳层析 2 2 血红蛋白的氨基酸序列的细微变化血红蛋白的氨基酸序列的细微变化 DNA TGT GGG CTT CTT TTT 正常正常mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA 2亚基 亚基 N Thr Pro Glu Glu Lys DNA TGT GGG CAT CTT TTT 异常异常mRNA ACA CCC GUA GAA AAA HbS 2亚基 亚基 N Thr Pro Val Glu Lys 镰刀状红细胞性贫血的血红蛋白的异常镰刀状红细胞性贫血的血红蛋白的异常 3 3 镰刀状细胞血红蛋白可形成镰刀状细胞血红蛋白可形成 纤维状沉淀纤维状沉淀 Glu Glu 酸性氨基酸酸性氨基酸 ValVal中性氨基酸中性氨基酸 纤纤 维维 的的 形形 成成 由于伸出由于伸出Hb SHb S分子表面的分子表面的 缬氨酸侧链创造了一个 粘缬氨酸侧链创造了一个 粘 性 的突起 因而一个性 的突起 因而一个Hb SHb S 分子的 粘性 突起可以与分子的 粘性 突起可以与 另一个另一个Hb SHb S分子的互补口袋分子的互补口袋 通过疏水作用结合 最终导通过疏水作用结合 最终导 致致Hb SHb S分子的聚集沉淀 分子的聚集沉淀 脱氧 脱氧HB SHB S 电镜结果显示 沉淀由 纤维组成 每根纤维是一 个14股Hb S链的超螺旋 纤维沉淀的形成压迫细 胞质膜 使它弯曲成镰刀 状 镰刀状细胞不易通过 毛细血管 甚至破裂形成 冻胶状物质 4 4 镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正镰刀状细胞血红蛋白的治疗性矫正 在体外用氰酸钾处理镰刀状贫血病患者的红细胞 在体外用氰酸钾处理镰刀状贫血病患者的红细胞 可以防止它在去氧状态下形成镰刀状 这种细胞生存可以防止它在去氧状态下形成镰刀状 这种细胞生存 时间比处理前要长 输氧能力也有好转 时间比处理前要长 输氧能力也有好转 Hb SHb S分子的一个氨基用分子的一个氨基用KCNOKCNO修饰后就能抑制红细胞修饰后就能抑制红细胞 成镰刀状 成镰刀状 目前关于抗镰刀状化的药物研究给出了某些希望 通过适当的生目前关于抗镰刀状化的药物研究给出了某些希望 通过适当的生 物化学工程手段 可望设计出一种不仅能防止物化学工程手段 可望设计出一种不仅能防止Hb SHb S镰刀状化而且镰刀状化而且 对体内其他蛋白质无毒害的 安全的药物对体内其他蛋白质无毒害的 安全的药物 红细胞镰刀状化 氧亲和力 血红素辅基丢失 四聚体解离 三 其他血红蛋白病 三 其他血红蛋白病 血红蛋白血红蛋白MM病 病 hemoglobin M syndromehemoglobin M syndrome 是由于血红素中的铁离子处于高铁状态 该病患者是由于血红素中的铁离子处于高铁状态 该病患者 血中含有高铁血红蛋白 血中含有高铁血红蛋白 HbMHbM 血红蛋白血红蛋白MM病的分子病理基础 病的分子病理基础 当珠蛋白基因发生点突变 使当珠蛋白基因发生点突变 使 87 87的组氨酸被酪氨的组氨酸被酪氨 酸取代时 酪氨酸酚侧链上的酚基 酸取代时 酪氨酸酚侧链上的酚基 OHOH 能与 能与FeFe2 2 形成稳定的配位键 使铁处于高铁形成稳定的配位键 使铁处于高铁FeFe3 3 状态 形成高 状态 形成高 铁血红蛋白 氧亲和力下降 以致失去带氧功能 产铁血红蛋白 氧亲和力下降 以致失去带氧功能 产 生紫绀 生紫绀 概念概念 珠蛋白肽链合成受到抑制可引起的溶血性贫血 称珠蛋白肽链合成受到抑制可引起的溶血性贫血 称 地中海贫血 地中海贫血 thalassemiathalassemia 简称地贫 分为 简称地贫 分为 地贫地贫 和和 地贫 地贫 四 地中海贫血 四 地中海贫血 1 1 地中海贫血地中海贫血 地中海贫血的基本概念地中海贫血的基本概念 地中海贫血 简称地中海贫血 简称 地贫 是因地贫 是因 珠蛋白肽链的合成明珠蛋白肽链的合成明 显减少或完全不能合成所致 显减少或完全不能合成所致 地中海贫血的表型 地中海贫血的表型 纯合子产生最严重的症状 纯合子产生最严重的症状 杂合子症状较轻杂合子症状较轻 2 2 地中海贫血地中海贫血 地中海贫血的基本概念地中海贫血的基本概念 地中海贫血 简称地中海贫血 简称 地贫 是由于地贫 是由于 珠蛋白肽链 简称珠蛋白肽链 简称 链 链 的合成受到抑制而引起的溶血性贫血 是世界上最常见且发生的合成受到抑制而引起的溶血性贫血 是世界上最常见且发生 率最高的一种单基因遗传病 率最高的一种单基因遗传病 地中海贫血的分子病理基础 地中海贫血的分子病理基础 人基因组中有两个人基因组中有两个 2 2基因和两个基因和两个 1 1基因 基因缺失或变异可出基因 基因缺失或变异可出 现较复杂的组合 现较复杂的组合 可能出现可能出现4 4 3 3 2 2 1 1 0 0个拷贝个拷贝 4 4个 正常个 正常 3 3 2 2 不对称 不对称 1 1个 症状轻微个 症状轻微 0 0 致命 致命 海洋生命学院海洋生命学院6314 19 抗体 一种可溶性血清糖蛋白 抗体 一种可溶性血清糖蛋白 具有高度特异性和庞大的多样性具有高度特异性和庞大的多样性 特点 特点 免疫球蛋白的结构免疫球蛋白的结构 Ig GIg G血清中最基本的一类抗体 血清中最基本的一类抗体 四条多肽链组成 两轻 四条多肽链组成 两轻 L L 两 两 重 重 H H 通过非共价和二硫键连 通过非共价和二硫键连 接成接成Mr 150 000Mr 150 000复合体 复合体 Ig GIg G分区或结构域 分区或结构域 可变区可变区和和恒恒 定区定区 可变区