王镜岩-生物化学I-第5章 蛋白质的共价结构-第6章 蛋白质结构与功能的关系

第五章蛋白质的共价结构

1952年丹麦人Linderstrom-Lang最早提出蛋白质的结构可以分成四个层次:

primarystructure

一级结构：氨基酸序列

secondarystructure

二级结构：α螺旋，β折叠

tertiarystructure

三级结构：所有原子空间位置

quanternarystructure

四级结构：蛋白质多聚体

1969年正式将一级结构定义为氨基酸序列和双硫键的位置。介于二级结构和三级结构之间还存在超二级结构（二级结构的组合）和结构域（在空间上相对独立）这两个层次。

蛋白质的结构层次蛋白质结构层次肽基的C、O和N原子间的共振相互作用共振产生的重要结果：

限制绕肽键的自由旋转

形成酰胺平面

产生键的平均化

肽键呈反式构型sp2sp2sp2sp3共振杂化体历史上第一个被确定

氨基酸序列的蛋白质

胰岛素

insulin胰岛素的历史第一个生化药物最小的蛋白质，由A链(21AA)和B(30AA)组成；动物胰腺ß细胞分泌的一种激素,告诉细胞往里面运输糖、氨基酸、K+；1921年Banting&Best从胰腺中抽提出了有活性的胰岛素，1923年Banting&Macleod获Nobel医学奖；1943－53年，Sanger确定了牛胰岛素的一级结构，1958年获得Nobel化学奖；1981年，Berg（因DNA重组技术得奖）在大肠杆菌中表达了人胰岛素.蛋白质一级结构测定的步骤1、蛋白质的分离纯化

2、测定蛋白质分子中多肽链的数目3、亚基分离4、二硫键的拆分与保护5、分析每一多肽链的氨基酸组成6、鉴定多肽链的N-末端和C-末端残基7、多种方法的部分水解8、测序9、重叠

10、二硫键位置的确定一级结构测定策略蛋白质一级结构测定步骤N端的测定方法1、Sanger（二硝基氟苯）法2、丹磺酰氯法3、Edman法4、酶降解法氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应

（sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)++HF弱碱中氨基酸Sanger试剂(FDNB)标记N末端Sanger试剂标记反应ABCDE↓*ABCDE↓*A，*AB，*ABC，*ABCD，*ABCDE↓*A,*A+B,……*A+B+C+D+E↓*A,*A+*B,……*A+*B+*C+*D+*E

12345

结论：ABCDEFDNBFDNB完全水解部分水解Sanger试剂标记测序H2N—CH—COOH+

RNCH3CH3O=S=OCl5-二甲氨基萘磺酰氯（DNS-Cl）pH9.740℃NCH3CH3O=S=OHN—CH—COOH

RDNS-氨基酸取代DNFB测定蛋白质N端氨基酸，灵敏度高酰化反应氨基酸与苯异硫氰酯（PITC）的反应

（Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱硷中(400

C)(硝基甲烷400

C)H+Edman降解法(I)DABITC：有色Edman试剂在Edman试剂上加发色基团Edman降解法1Edman降解法(II)Edman降解法2无冕英雄PehrVictorEdman

瑞典人,1916.4.14-1977.3.191946-47年在美国留学时想到改进1930年Abderhalden&Brockmann发明的

PITC试剂的反应,50年发明Edmandegradation反应.ActaChemScand4:283(1950)

1957年移居墨尔本,远离国际学术中心开始过隐居生活,1967年研制的自动化仪器可以达到每小时一个氨基酸的速度;他坚持不申请专利,给了美国公司得以随便开发仪器的方便.1972年到德国,77年因脑瘤过世.由于Edman降解产物需要在紫外域进行检测,只有HPLC和相应的紫外检测手段进步后才得到普及;60年代后期Moore&Stein利用该反应测定了RNase的一级结构,遗憾的是Edman没有和他们分享Nobel化学奖.1、肼法2、还原法3、酶降解法C端的测定方法蛋白质与无水肼加热

-------NH-CH-CONH-CH-COOH

|

|

Rx

Ry

--+--+NH-CH-CONH-NH2

+

NH2-CH-COOH

|

|

Rx

Ry肼(hydrazine)法测定＋NH2NH2，100℃，5～10h溶于有机溶剂而被除去多种方法确定肼法C端测定

利用外切蛋白水解酶(exo-peptidase)将肽链的氨基酸从N端

(aminopeptidase)或C端

(carboxypeptidase)一个接一个游离出来，

在不同时间取样进行分析，根据所游离的氨基酸的摩尔数的多少来判断氨基酸的排列顺序。酶解法末端测序酶解法末端测序肽键的专一性水解(化学法)化学法:CNBr,H+,NH2OH,etc化学法专一性水解消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp）（Arg.Lys）（脂肪族）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶（Phe.Trp）泛用酶：

胰蛋白酶（trypsin）；

Lys-X,Arg-X(X≠Pro)

胰糜乳蛋白酶（chymotrypsin）；Y-X（Y=Phe,Trp,Tyr;X≠Pro)

嗜热菌蛋白酶（thermolysin）；

木瓜蛋白酶（papain）；

X-Y(X=R,K,Q,H,Y)

胃蛋白酶（pepsin）；

枯草杆菌碱性蛋白酶（subtilisin）

专一酶：

Lys-X;X-Lys;Arg-X;Glu-X;X-Asp;Pro-X;Asn-X,商品名：EndoproteinaseAsn-C肽键的专一性水解(酶法)酶法专一性水解太短在多肽链中次序的决定资料：N-末端残基H,C-末端残基S;第一套肽段

第二套肽段OUS

SEOPS

WTOUEOVE

VERLRLA

APSHOWT

HO借助重叠肽确定肽段次序：末端残基HS末端肽段HOWT

APS

或

OUS第一套肽段：HOWT

OUS

EOVE

RLA

PS第二套肽段：HO

WTOU

SEO

VERL

APS推断全序列:

HOWTOUSEOVERLAPS二硫键的断裂：几条多肽链通过二硫键交联在一起。可在可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂保护生成的巯基，以防止它重新被氧化。可以通过加入盐酸胍方法解离多肽链之间的非共价力；应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。胰岛素

-巯基乙醇碘乙酸二硫键的断裂确定原多肽链重二硫键的位置：一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键的多肽链，再利用双向电泳技术分离出各个肽段，用过甲酸处理后，将每个肽段进行组成及顺序分析，然后同其它方法分析的肽段进行比较，确定二硫键的位置。二硫键的切割与保护1、过甲酸〔performicacid〕

不可逆

－CH2SO3H2、还原＋烷基化

不可逆[巯基乙醇，DTT]

＋碘乙酸等

－S-CH2-COOH二硫键的保护1、为防止Cys跟Cys-Cys发生交换反应，先将自由SH基封闭;2、进行专一性部分水解;3、纸层析分离水解产物;4、气相过甲酸法切断S-S键，作第二相纸层析;5、将迁移率发生变化的多肽进行测序经典的二硫键位置的确定法二硫键位置确定对角线电泳示意图现用蛋白质一级

结构分析方法分离纯化蛋白质酶切部分水解后分离短肽对短肽进行测序构建cDNA文库根据序列设计探针筛选cDNA文库根据cDNA序列推测蛋白质的一级结构

N末端和C末端的测序除了用于未知蛋白质的一级结构的研究以外，最常用于基因工程表达产物的末端分析。末端测序的用途常利用蛋白质数据库//www.espasy.ch/swissmod///////pdb/蛋白质氨基酸顺序与生物功能研究蛋白质一级结构与功能的关系主要是：研究多肽链中不同部位的残基与生物功能的关系。进行这方面的研究常用的方法有：同源蛋白质氨基酸顺序相似性分析、氨基酸残基的化学修饰及切割实验等。例1镰刀形贫血病患者血红细胞合成了一种不正常的血红蛋白（Hb-S）它与正常的血红蛋白（Hb-A）的差别：仅仅在于β链的N-末端第6位残基发生了变化（Hb-A）第6位残基是极性谷氨酸残基，（Hb-S）中换成了非极性的缬氨酸残基使血红蛋白细胞收缩成镰刀形，输氧能力下降，易发生溶血这说明了蛋白质分子结构与功能关系的高度统一性蛋白质一级结构的个体差异例2一级结构的局部断裂与蛋白质的激活

体内的某些蛋白质分子初合成时，常带有抑制肽，呈无活性状态，称为蛋白质原.蛋白质原的部分肽链以特定的方式断裂后，才变为活性分子.例：胰岛素，在刚合成时，是一个比成熟的胰岛素分子大一倍多的单链多肽，称为前胰岛素原前胰岛素原的N-末端有一段肽链，称为信号肽.信号肽被切去，剩下的是胰岛素原。胰岛素原比胰岛素分子多一段C肽，只有当C肽被切除后才成为有51个残基，分A、B两条链的胰岛素分子单体.例3同源蛋白同源蛋白：是指在不同有机体中实现同一功能的蛋白质.同源蛋白中的一级结构中有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称为不变残基；其他位置的氨基酸称可变残基.不同种属的可变残基有很大变化.可用于判断生物体间亲缘关系的远近.例：细胞色素C60个物种中，有28个位置上的氨基酸残基完全不变，是维持其构象中发挥特有功能所必要的部位，属于不变残基.可变残基可能随着进化而变异，而且不同种属的细胞色素C氨基酸差异数与种属之间的亲缘关系相关。亲缘关系相近者，氨基酸差异少，反之则多（进化树）.黄色：不变残基（invariableresidues）蓝色：保守氨基酸（conservativeresidues）未标记：可变残基（variableresidues）不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基

细胞色素c分子的空间结构不变的AA残基

28个不变的AA残基，是CytC的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。1410610013432302918176759525148454138848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgGlyCysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素不同生物与人的Cytc的AA差异数目生物与人不同的AA数目黑猩猩0恒河猴1兔9袋鼠10牛、猪、羊、狗11马12鸡、火鸡13响尾蛇14海龟15金枪鱼21角饺23小蝇25蛾31小麦35粗早链孢霉43酵母44

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(Therelationbetweenstructureandfunctionofproteins)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辅基血红素

血红素由原卟啉Ⅸ（protoporphyrinⅨ）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个配位键与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hemeprotoporphyrinⅨO2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个配体近侧His远侧HisCO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FreehemewithimidazoleMb:COComplexOxymyoglobin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H2O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（HisF8）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肌红蛋白结合氧的定量分析将③代入②得

，

…………④

根据henry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

[O2]=Ap

(O2)…………⑤式中A

为比例系数，p(O2)为氧气的分压。

肌红蛋白结合氧的定量分析将⑤代入④得…………⑥肌红蛋白的氧结合曲线

实验中p(O2)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p(O2)作图所得的曲线称为氧结合曲线。

1Torr=133Pa=1mmHg肌红蛋白的氧结合曲线双曲线方程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。两边取对数得

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（50%的肌红蛋白结合了氧），，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。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0～10torr，静脉血氧浓度为15torr或更高些。肌红蛋白的P

50为2torr，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。肌红蛋白的贮氧和输氧作用

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10torr（肌红蛋白的氧饱和度约为80%），而线粒体内的氧浓度约为1torr（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（hemoglobin，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β1β2α1α2Hb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。

MbHbαHbβ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α1β1接触和α2β2接触，这类接触称为装配接触；另一类是α1β2接触和α2β1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（tensestate），另一种是R态即松弛态（relaxedstate）。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（其它蛋白质也有负协同效应的）。

血红蛋白的协同性氧结合

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

的表达式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图中的n为Hill系数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100torr，工作肌肉的毛细血管中约为20torr，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-bisphosphateglycerate，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。

2,3-二磷酸甘油酸2,3-bisphosphateglycerate，BPGBohr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+＋O2Bohr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

，结合部位是亚基N末端游离的α－NH2。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。BPG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%）。BPG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细胞贫血病

镰刀状细胞贫血病（sickle-cellanemia）是最早被认识的一种分子病。这种病在非洲某些地区十分流行（高达40%），它是由于遗传基因的突变导致血红蛋白分子中氨基酸残基被改变造成的。镰刀状细胞贫血病人血红蛋白含量仅为正常人（15～16g/100ml）的一半，红细胞数目也是正常人（4.6～6.2×106个/ml）的一半左右，而且红细胞的形态也不正常，除了有非常大量的未成熟红细胞外，还有很多成镰刀状的红细胞。当红细胞脱氧时，镰刀状红细胞的数量明显增加。这种病人的血红蛋白称为HbS。

正常红细胞与镰刀状红细胞贫血病人的红细胞比较镰刀状细胞贫血病

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（先垂直方向滤纸层析，后水平方向电泳）HbAHbSHbA和HbS氨基酸序列的比较HbAH2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys……C端HbSH2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val

-Glu-Lys……C端

（β链）12345678（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