结构生物学 论文

1、血蓝蛋白的结构和功能刘雪莹 摘要：血蓝蛋白是近年来发现的一种多功能蛋白，存在于软体动物和节肢动物体内，主要功能是载氧。本文主要介绍血蓝蛋白的结构和功能。关键词：血蓝蛋白；节肢动物血蓝蛋白；软体动物血蓝蛋白；结构和功能The structure and function of hemocyaninLIU Xue-ying Abstract: Hemocyanin is a multifunctional protein and recently recognized with immune activities，it exists in arachnology, its main functio

2、n is to carry oxygen. This article mainly introduces the structure and function of hemocyanin.Keywords: hemocyanin; arthropod hemocyanin; mollusk hemocyanin; structure and function收稿日期：2012625作者：刘雪莹除极低等的少数动物外, 绝大多数动物的氧运输均需要血液中特殊蛋白质的参与, 这类参与呼吸作用的蛋白质家族统称为呼吸蛋白。动物的呼吸蛋白划3大类:血红蛋白( hemoglobin, Hb)、 血蓝蛋白( h

3、emocyanin, Hc)和蚯蚓血红蛋白( hemerythreins, Hr)。本文介绍血蓝蛋白。血蓝蛋白又称血蓝素，是位于节肢动物(螯肢类、 甲壳类、 多足类和蜘蛛类)和软体动物(腹足类和头足类)血淋巴中的含铜呼吸蛋白，脱氧状态为无色 ，氧结合状态为蓝色，此时在570nm处出现吸收峰。一般认为 ，血蓝蛋白的主要生物学功能与机体内的运输氧有关。1 但最新研究表明，血蓝蛋白不仅是一种含铜呼吸蛋白，而且还是一种重要的免疫分子，2 该蛋白参还与了能量储存、渗透压维持、蜕皮过程调节,特别是酚氧化物酶活性和抗菌等生物功能的执行。血蓝蛋白的相对分子质量一般为 50 ku75 ku ，由 7 或 8个功

4、能单位组成。组成血蓝蛋白的亚单位数目较多 ，每个亚单位都含有 2 个 Cu ( )离子。不同蛋白质所含亚单位数目不同 ,有些血蓝蛋白的分子质量可达 9 ×103ku。早在一个世纪前人们就认识了血蓝蛋白，近几十年来，由于分子生物学研究的进展，人们对它又发生了新的兴趣。1血蓝蛋白的结构1.1节肢动物的血蓝蛋白结构节肢动物门的螯肢类、 甲壳类、 多足类和蜘蛛中都含有血蓝蛋白。其血蓝蛋白的三级结构如图一。节肢动物血蓝蛋白相对分子质量约为75 000 Da ，其中第二个域为螺旋区，螯合一对Cu （I），可结合一个O2，下方为第三个域，由折叠块构成，并含有Ca 离子,功能尚不详。3 节肢动物血蓝

5、蛋白的三级结构经过进化，已分化成： 酚氧化酶原；昆虫的六聚蛋白，不螯合Cu（I），为贮藏蛋白； 甲壳类的假血蓝蛋白，也为贮藏蛋白；双翅类的六聚蛋白受体。图一 节肢动物血蓝蛋白三级结构典型的节肢动物血蓝蛋白是由六个高度螺旋的异源亚基构成的六聚体，六聚体中每个亚基折叠为三个结构域， 其中第一、 三结构域分别为亚基蛋白的N、 C 端,第二结构域含血蓝蛋白的活性部位, 活性部位结合有两个铜离子 CuA 和CuB,每个铜离子分别与蛋白质链上三个组氨酸的咪唑氮原子配位。传统上将构成六聚体的单个亚基称为血蓝蛋白的最小功能单位,或称为单体。4节肢动物血蓝蛋白四级结构如图二。图二 节肢动物血蓝蛋白四级结构1.2

6、 软体动物血蓝蛋白结构图三 软体动物血蓝蛋白三级结构血蓝蛋白三级结构第1 域为螺旋区，螯合一对 Cu（I），可结合一个 O2 ，第2 域为折叠块,可能也含有Ca 离子。用 X光晶体衍射法已在头足类的章鱼Octopus dofleini 中获得了软体动物血蓝蛋白的三维构象（图三）。5图三 软体动物血蓝蛋白三级结构软体动物血蓝蛋白的亚单位很大，相对分子质量可达350 000450 000 Da ，每个亚单位由78 个在大小上约为50 000 Da 的相似功能单位(FU)组成，命名为ah。2 个外壁(a、 b、 c 和d构成) 反向组成二聚体，5 个二聚体构成双五聚体。中心由领(collar ,即功

7、能单位 h 组成双五聚体，头足类中无领) ，领外为拱(arc ,即功能单位g组成双五聚体)，再向外为功能单位e 和f ,这三部分合成核心(core) 结构。核心结构外为外壁构成了中凹的血蓝蛋白的半个分子（图五）。6图五由8 个功能单位(ah) 组成的软体动物血蓝蛋白的模型2血蓝蛋白的功能血蓝蛋白是一种呼吸蛋白，它最主要的功能就是载氧。另外，它还有抗病毒功能、凝血功能及抗菌等功能。血蓝蛋白特别是软体动物血蓝蛋白广泛应用在抗肿瘤、 增强免疫、 检测曼氏血吸虫及日本血吸虫病和研制血吸虫病疫苗等领域， 是当前呼吸蛋白研究的热点之一。72.1载氧功能血蓝蛋白以Cu（I）作为辅基， 8主要生理功能为载氧。

8、血蓝蛋白的活性中心有两个Cu离子，脱氧状态（一价Cu离子）呈无色，氧合状态（二价Cu）离子呈蓝色。血蓝蛋白载氧亚单位分3个结构区域：区域I存在大量螺旋；区域(第176400个氨基酸残基)，含螺旋及双铜离子（氧分子键合部位）；剩余258 个氨基酸残基构成区域III,是类似于超氧化物歧化酶的折叠结构。在活性中心，每个铜离子与 3个组氨酸残基的咪唑氮配位。未氧合时，铜离子与组氨酸残基咪唑氮的配位基本上是三角形几何构型，铜离子相距46 pm，相互作用很弱。氧合后，Cu （）为四或五配位，两个铜离子与过氧阴离子和 6 个组氨酸残基中最靠近铜离子的4 个组氨基酸残基咪唑氮强配位。此时，每个铜离子呈平面正方

9、形几何构型，这是 Cu ( )最有利的配位状况。氧分子以过氧桥形式在连接两个 Cu ( )，两个 Cu ( )相距约36 pm。载氧过程可表示为图六：9图六 血蓝蛋白载氧过程2.2酚氧化物酶活性 对血蓝蛋白的进化地位进行了分析的结果提示，血蓝蛋白可能是在大约 55 亿年前由酚氧化物酶进化而来。酚氧化酶原激活系统在甲壳动物的免疫识别和防御中起着关键作用， 近年的研究表明甲壳动物血蓝蛋白与酚氧化酶在物理化学性质、蛋白质一级结构和三级结构、基因序列等方面非常相似，并发现血蓝蛋白还具有类似酚氧化酶的活性。10-112.3抗菌肽活性研究证实, 血蓝蛋白除了具有酚氧化物酶活性外， 一定条件下还可降解产生抗

10、真菌或细菌的肽段，由此直接抑制微生物入侵。从龙虾血浆中分离出种具有抗真菌活性的多肽，经 Edman 降解和质谱进一步分析，发现 3 种多肽与血蓝蛋白的 C 末端存在 95% 100%的相似性，提示这些多肽可能是由虾血蓝蛋白剪切而来。同时，对这些血蓝蛋白来源的多肽进行酶联免疫吸附和免疫印迹检测。结果发现，与对照组相比，微生物感染组的血浆抗真菌多肽的含量明显升高。由此认为，在细菌入侵的早期通过血蓝蛋白降解产生的抗菌肽可能是对虾抑制细菌的一种重要方式。12参考文献1 章跃陵, 邢立刚等. 5种凡纳滨对虾血蓝蛋白的糖基化修饰及功能对比分析 J. 中国生物化学与分子生物学报，2009，25(7):656

11、2 Lee,S.Y.,Lee,B.L.& Soderhal,l.K. Processing of an antibacterial peptide from hemocyanin of the freshwater crayfish Pacifastacus leniusculus J. J BiolChem, 2003,278: 79273 Ashida M. Purification and characterization of prophenoloxidase from hemolymph of the silkworm Bomby x mor J . Archs Bioche

12、m Biophys ,1991 ,144 :7494 潘鲁青, 金彩霞. 甲壳动物血蓝蛋白研究进展 J. 水产学报，2008，5:4855 张亚南,徐彬等. 动物呼吸蛋白的研究进展 J. 山东大学学报( 理学版)，2009，44(9):36 吕宝忠, 杨群. 血蓝蛋白分子的结构、 分类及其在进化上的演变 J. 自然杂志，2003,25（3）：1817 Harris , J. R. & Mark , J . Keyhole limpet hemocyanin (KLH ) : a biomedical review J . Micron , 1999 , 30: 597- 623. 8 李晓燕, 孙塞，路军. 血蓝蛋白模型化合物的合成和载氧性 J. 山东大学学报，1994,29（2）：969 张秀丽，刘庆慧，程江峰，陈文博.血蓝蛋白研究进展J. 动物医学进展， 2008，29（7）： 87. 10Paul R, Pirow R. The phy siological significance of respiratory proteins i n inver tebrates J . Zoology , 1998, 100: 31911Aspan A, Huang T S, Cerenius L, et al