第6章 蛋白质结构与功能的

体移动。
6.2.2.2 血红素铁的微小移动导致血红蛋白构 象的转换
O2与血红蛋白的结合
O2与血红蛋白的结合的实质是O2与亚铁离子的结合
高铁血红蛋白（含Fe3+）不能结合O2。
血红蛋白的结构与功能
O2的结合改变了血红蛋白的构象 O2的结合使亚铁离子的位臵与卟啉环平面的关系发 生改变（将亚铁离子拉回卟啉环平面，铁卟啉由圆顶 状变成平面状） 这一位移通过His F8进一步影响蛋白质的构象和四 级结构
4
p(O2 ) Y p(O2 ) K
血红蛋白的结构与功能
100
曲线a, n=4 Hb n≈2.8
氧 80 饱 和 60 度
曲线b, n=1
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。
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。 由一条多肽链和一个辅基血红素构成，含 153 个氨基酸残基。 除血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白 (globin) 。
Myoglobin
Function
of myoglobin:
As a transport protein, myoglobin facilitates oxygen diffusion in muscle. Myoglobin is particularly abundant in the muscles of diving mammals such as seals and whales, where it also has an oxygen storage function.
6.1.3 O2与肌红蛋白的结合
肌红蛋白中血红素铁在第 5配位键与珠蛋 白第93（或F8）位His残基，称近侧(proximal) 组氨酸的咪唑N结合，第6配位被O2分子所占 据。 在去氧肌红蛋白 (deoxymyoglobin) 中 , 第 6 个 配位位置是空的。 在高铁肌红蛋白中氧结合部位失活， H2O 分 子代替O2填充该部位，成为三价铁Fe(Ⅲ)原子 的第6个配体。 肌红蛋白分子内部的疏水环境(His F8和His E7 除外)中，血红素Fe（Ⅱ）则不易被氧化。
肌肉 静脉血
20 40 60 80
肺泡 动脉血 氧分压 (mmHg)
100
肌红蛋白与血红蛋白的氧合曲线有何不同？ 试解释之 肌红蛋白为双曲线儿血红蛋白为“S”型曲线； 这是因为： 肌红蛋白为单体蛋白，在氧分压较低时即易 于与氧结合；并随氧分压的增加逐渐达饱和； 而血红蛋白为寡聚蛋白，在氧分压较低时难 于与氧结合； 血红蛋白的一个亚基在结合氧之后，其构像 发生改变，由于其寡聚蛋白的协同效应，影 响到其他亚基构像也发生改变，由“紧张型” 转变为易于与氧结合的“松弛型”； “松弛型”的血红蛋白在氧分压有较小改变 时，及与氧结合，并随氧分压的增加逐渐接 近于饱和。
氧合血红蛋白的构
象态：R态（松弛
态，relaxed state） O2
去氧血红蛋白的构 象态：T态（紧张 Hb T 态和 R 态互变
态，tense state）
血红蛋白的结构与功能
T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐 键起着稳定作用,四个亚基的C-末端处 于受束缚的状态。
6.2.3 血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧 结合曲线）
Y log( ) n log p(O 2 ) log K 1Y
以 log(Y/(1-Y)) 对 logp(O2) 作图得到血红蛋白的Hill图
血红蛋白的结构与功能
由实测数据得到的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）。
第6章 蛋白质结构 与功能的关系
structure －function relationship
动态的球状蛋白质如何在与其它分子的 相互作用中行使他们的生物功能 ?
IAYKPAG 。。。。。 。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。 。。。。。。。。 。 。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。
log(Y/(1-Y))
logp(O2) 肌红蛋白、血红蛋白Hill图
如果曲线斜率小于1，则表明 各亚基间有负协同性。
血红蛋白的结构与功能
血红蛋白氧合协同性的作
用：
有利于血红蛋白更有效地 运输氧气，增加血红蛋白运 输氧气的效率
100
Mb
氧 80 饱 和 60 度 (%)
40 20 0
Hb
正协同效应(positive cooperativity)
肌红蛋白的结构与功能
铁原子可以是亚铁（ Fe2+ ）或高铁（ Fe3+ ）氧化态， 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)。
100 氧 80 饱 和 60 度 40 20 0 P50 20 40 60 80 100 静脉血 氧分压 (mmHg)
(%)
动脉血
以肌红蛋白的氧饱和度Y和氧分压p(O2)作图，得肌红蛋 白的氧结合曲线：
100 当Y=1时，所有肌红蛋白的 氧 80 饱 和 60 度 40 20 0 P50 20 40 60 静脉血 氧合位臵均被占据，即肌 红蛋白被氧饱和。
6.1.2 辅基血红素 某些过渡金属的低氧态（特别是 Fe2+ 和 Cu+） 具很强的结合氧倾向。
某些节肢动物的血蓝蛋白 (hemocyanin)中结合氧的是 Cu+ 。 原卟啉Ⅸ属于卟啉类 (porphyrins) ，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。 血卟啉（血红素）使血液呈红色，叶绿蛋白中的镁卟 啉（叶绿素）是植物成绿色的原因。
6.1.3 O2与肌红蛋白的结合
珠蛋白的作用：

固定血红素辅基（非共价结 保护血红素亚铁免遭氧化； 为氧气分子提供一个合适的
合）；


结合部位（被结合的 O2夹在远 侧组氨酸（HisE7）咪唑环N和 Fe2+原子之间，氧结合部位是 一个空间位阻区域）。
6.1.3 O2与肌红蛋白的结合
4。O2的结合改变了肌红蛋白的构象
Hb A1c是Hb A的葡糖基化形式，它的形成与血中的葡萄糖浓度有关。 Hb A1c在总Hb中的比例是在红细胞生活周期（约120天）内平均葡萄糖 浓度的量度，临床上可做糖尿病人在两次就诊之间血糖控制的指标。
血红蛋白的结构与功能
血红蛋白的结构特点 球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基 两条α链，两条β链，α2β2 含四个血红素辅基 亲水性侧链基团在
6.1 肌红蛋白的结构与功能
在蛋白质与其他分子的相互作用中能被它可逆结合的 其他分子称为配体。
如 血红蛋白及肌红蛋白与氧 酶与底物或抑制剂 抗体与抗原
蛋白质与配基
Protein Function
Ligand
Structure
Binding site
6.1.1 肌红蛋白的三级结构
(%)
40 20
0
20 P50 40 60 80 100
p (O2 ) Y n p (O2 ) K
动脉血
n
静脉血 氧分压 (mmHg)
血红蛋白的结构与功能
Hill图： 将
p n (O2 ) Y n p (O2 ) K
Y p n (O2 ) 1 Y K
加以变换，
得：
两边取对数，得：
分子中多肽主链由 长短不等的8段直 的α螺旋组成 最大的螺旋含23个 残基 最短的7个残基， 分子中几乎80%的 氨基酸残基都处于 α螺旋区中。 拐弯是由1—8个残 基组成的无规卷曲。
肌红蛋白的结构与功能
肌红蛋白的结构与功能 肌红蛋白中4个脯氨酸残基各自处在一 个拐弯处； 处在拐弯处的残基还有Ser、Thr、Asn 和Ile，他们如果在 肽链上连续紧挨排 列，则由于其侧链 的形状或体积的原 因不利于形成α螺旋。
血红蛋白的结构与功能
Hb + 4O2 Hb(O2)4 Hb(O2)4 Hb + 4O2
解离平衡常数：
[Hb][O2 ] K [Hb(O2)4]
4
Hb的氧分数饱和度方程为：
Y
[Hb(O2)4] [Hb(O2)4] [Hb]
p (O2 ) Y 4 p (O2 ) K
以 Y 对 p(O2) 作图，所得曲线即为前述S型曲线。
构象的改变影响影响肌红蛋白的生物功能
血红蛋白的结构与功能
血红素与氧结合后，铁原子半径变小，加之其 他空间和化学键的变化，使铁原子进入卟啉环的小
孔中，继而引起肽链位臵的变动。
氧牵引亚铁离子接近卟啉平面
血红蛋白的结构与功能
血红蛋白构象的变化： 当亚铁离子移动时，它同 时拖动His F8残基，进一 步导致蛋白质的构象发生
p(O2 ) Y p(O2 ) K
(%)
Y=0.5时，肌红蛋白的一半 被氧饱和，p(O2)=K，常
数K称为P50，即肌红蛋白 80 100 动脉血
一半被氧饱和时的氧压。
氧分压 (mmHg)
6.2 血红蛋白的结构与功能
血红蛋白的主要功能是在血液中结合并转运氧。
血红蛋白以高浓度（约为质量的34%）溶解于 红细胞 溶胶中。