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血红蛋白结构与功能-介绍血红蛋白的三维结构、氧的运输功能、结构与功能的适应性1、血红蛋白的结构 血红蛋白由四个亚基组成各亚基三级结构具有相似性胎儿血红蛋白为HbF，亚基组成为22，亚基与亚基相似，氨基酸组成中H21残基为Ser，非His残基，不能与BPG结合，增强氧的亲和力。利于从胎盘中获取氧。血红蛋白的三维结构 亚基一级/二级结构：链146个残基（肌红蛋白153），H螺旋缩短；链141残基，H螺旋缩短，D螺旋缺失。Max Perutz利用X射线晶体学研究其三维结构。亚基三级结构：、亚基与肌红蛋白结构非常相似，与其氧运输功能相适应。内部为疏水残基，稳定蛋白质三维结构和保护二价铁 血红蛋白三维结构 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E和F螺旋的空穴内，每个亚基一个。四个氧的结合部位彼此保持一定的距离-链-链 血红蛋白（Hb）是由两个亚基和两个亚基组成的四聚体，它的和亚基的结构很类似于肌红蛋白（Mb），但是Mb中许多亲水残基在Hb中却被疏水残基取代，问：这种现象如何与疏水残基折叠到分子内部的原则相一致？在维持Hb四级结构作用力方面，你能得出什么结论？2、氧结合引起的血红蛋白构象变化 氧合作用显著改变Hb的四级结构 装配接触：11接触和相同的22接触，接触面积大，对亚基装配很重要。滑动接触：1 2接触，21接触，因氧合作用而发生变化时，这些接触也发生变化滑动接触装配接触装配接触 四聚体可以看作原聚体的二聚体，去氧合状态到氧合状态两个二聚体间滑动过程。血红素铁的微小移动导致构象的改变去氧状态铁卟啉呈圆顶状或凸形，铁位 于 卟 啉 环 靠HisF8一侧氧合状态铁卟啉由圆顶状或凸形变成平面状，铁被拉回到卟啉环平面由于卟啉平面的移动，牵引F8咪唑环移动，螺旋F、拐弯EF 和 FG 产生位移，进而引起血红蛋白构象的重调。血红蛋白存在两种构象态：T态和R态 T态是去氧Hb的主要构象，R态氧合Hb的主要构象 R态比T态更容易结合氧，缺氧时T态血红蛋白稳定；氧同T态血红蛋白亚基结合将引发T态向R态转变。去氧和氧合血红蛋白代表不同的构象态间离子键中央孔穴中央孔穴中央孔穴新形中央孔穴新形成的离子键成的离子键间离子键断裂T态向R态的转变涉及链内键的变化T态：8个离子键（盐桥）和每条链HC2和FG5间形成链内氢键，共4个，维持其紧张态R态：当与氧结合时，由于F螺旋的移动，导致链内氢键的断裂，进而带动链间和链内盐桥的断裂，形成松弛态两亚基间无盐桥，利于T态时与BPG结合 去氧和氧合血红蛋白代表不同的构象态HC2FG53、血红蛋白的氧结合曲线组织肺高亲和态低亲和态由低亲和态向高亲和态转变:S 型曲线4224OHbOHb 4242OHbOHbkKOpOpY2424KOpOpYnn22KOpYYn21KOPnYYloglog1log2解离常数解离常数 血红蛋白氧结合的协同效应协同效应：寡聚蛋白分子中，一个亚基构象和功能的改变影响其他亚基构象和功能状态的改变；有正协同效应和负协同效应的不同。Hb正效应：Hb分子中一个亚基底物对不同亚基功能间影响。亚基结合或失去O2后，可以导致该亚基构象发生改变，进而改变其它亚基和整个蛋白质分子的构象，使其它亚基对O2结合能力突然增加或变小。n=1，无协同作用；n1，正协同；（n1，负协同）组织肺高亲和态低亲和态由低亲和态向高亲和态转变:S 型曲线四级结构寡聚蛋白决定亚基间具有协同效应，氧结合曲线呈S形，根据左图说明这种S形曲线为什么有利于氧的运输？H+、CO2促进氧的释放（波耳效应）1904年丹麦生理学家Bohr C.发现增加H+浓度将提高氧从血红蛋白的释放这种pH对血红蛋白与氧亲和力的影响被称为波耳效应。4、H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响pH的降低使S 曲线右移，使氧合能力降低，促使氧的解离生理意义组织呼出释放CO2进入红细胞H+促使Hb-O2解离因而有利于向组织中输送氧H和 CO2的结合利于Hb从组织运送到肺部；HCO+3从血浆运送至肺肺部的高分压使O2和Hb结合，促使H+和CO2的解离；H+与HCO+3结合为H2CO3，然后再分解为H2O和CO2经肺排出。碳酸酐酶碳酸酐酶 2、3-二磷酸甘油酸（BPG）降低血红蛋白氧亲合力BPG是血红蛋白的别构效应物，红血球中浓度为4.5 mmol/L，位于四个亚基形成的孔穴中；BPG和血红蛋白亚基的离子链有助于T态构象而血红蛋白的R态构象孔穴变小无法容纳BPGO2与BPG与Hb的结合是互相排斥的BPG与Hb的结合有利于O2释放肺部的氧合过程促使BPG离开HbBPG调节的相关生理现象：高山适应的代偿性变化；血液保存；胎儿血红蛋白结构。T态态R态态2,32,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸右图为2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）浓度对血红蛋白氧结合曲线的影响。当从青岛出发到海拔4500米香格里拉景点后，人体红细胞中2,3-BPG浓度几小时后会开始上升，两天内可由4.5 mmol/L增加到7.5 mmol/L，请根据右图所包含的科学含义，回答以下问题：如右图所示在低海拔或高海拔，为何血红蛋白氧结合曲线为S形？(3分)依据右图数据解释红细胞发生上述高山适应性代偿反应的生理学意义。(4分)红细胞内通过什么途径调控2,3-BPG浓度？(4分)通常情况下，组织中CO2分压大于肺中，请问在组织中血红蛋白的氧亲和力与肺中相比强还是弱？为什么？(4分)5、血红蛋白的变异和分子病：镰刀状细胞贫血病 镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的 在非洲某些地区流行，由遗传基因的突变导致血红蛋白分子中氨基酸残基被更换造成蛋白质异常，反映了氨基酸顺序决定二、三、四级结构中的作用。患者血红蛋白含量和红细胞数仅为正常人的一半，红细胞中有大量的镰刀状或新月形细胞。脱氧时镰形红细胞明显增加，细胞的变形是由不正常的血红蛋白分子造成的。镰刀状红细胞血红蛋白的氨基酸顺序的变化造成不正常血红蛋白分子 年V.Ingram等人将两种血红蛋白用胰蛋白酶水解成28个肽段，进行滤纸上双相电泳。分析结果发现链上第6位氨基酸残基由谷氨酸变成缬氨酸。在血红蛋白分子的四条链的574个氨基酸残基中只有两条链发生了如上变化。镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化从三级结构来看谷氨酸变成了缬氨酸等于在分子的表面安装一个非极性的侧链。氧气浓度高时，从四级结构来看不影响氧亲和力和别构性质；但却影响去氧血红蛋白的溶解度。镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀氧气浓度低时，血红蛋白分子上的互补口袋通过疏水作用而聚集沉淀，血红蛋白溶解度急剧下降分子缔合形成长链由多条长链进一步聚合成多股螺旋的微管纤维束血红蛋白纤维沉淀的形成压迫细胞膜，使它弯曲成镰刀状，这即是导致红细胞变形溶血的原因