血紅蛋白和肌紅蛋白

1、第四章 血紅蛋白和肌紅蛋白,作為生物體主要色素來源的鐵卟啉( heme) 是含有四個(gè)吡咯環(huán)和四個(gè)次甲基(-CH= )交替相連組成的大環(huán) ,是血紅蛋白及細(xì)胞色素等的輔基。由于四個(gè)吡咯環(huán)的共軛效應(yīng),使其性質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定。,第一節(jié) 卟啉,卟啉普遍存在于微生物及動(dòng)植物間,在人體中發(fā)現(xiàn)的卟啉化合物是作為血紅素生物合成的中間體而存在。正常健康人體內(nèi)主要存在尿卟啉( uroporphyrin) 、糞卟啉( coproporphyrin) 和原卟啉(

2、protoporphyrin) ,而其它卟啉化合物常常可從遺傳性的卟啉病患者或肝和血液病患者的尿、血液和糞便中檢出。,1 　卟啉化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分類 卟啉是通過亞甲基把四個(gè)吡咯環(huán)相連而成的環(huán)狀化合物,四個(gè)吡咯環(huán)處于同一平面,形成具有26 個(gè)π電子的共軛大π鍵,具有較強(qiáng)的芳香性。在400 nm 附近有較強(qiáng)的吸收帶。,,卟啉化合物在紫外光照射下具有紅色熒光,而其還原型卟啉則不具有熒光。生物體內(nèi)在亞鐵螯合酶的作用下

3、和亞鐵離子形成配合物—原血紅素(鐵原卟啉，protoheme）。卟啉化合物根據(jù)其側(cè)鏈基團(tuán)的不同共有14 種形式。,圖4－3 鐵原卟啉IX（原血紅素）,鐵原卟啉是血紅蛋白、肌紅蛋白和細(xì)胞色素c中的輔基組成部分。,細(xì)胞色素c,第二節(jié) 血紅蛋白和肌紅蛋白,攜氧的血是鮮紅色的，當(dāng)你被劃傷時(shí)，你看到的是鮮紅的攜氧血。不攜氧的血是深紫色的：當(dāng)你獻(xiàn)血或者在醫(yī)院抽血樣時(shí)，血被抽到一個(gè)試管里，里面沒有氧氣，所以你看到的血是深紫色的。但是深紫色的無氧血流經(jīng)

4、我們的靜脈時(shí)卻呈蘭色，特別是皮膚白皙的人。另外一些生物，如蛇類和蟹類，用銅來運(yùn)輸氧氣，所以他們有真正的藍(lán)血。,一、結(jié)構(gòu),1、肌紅蛋白（Myoglobin，Mb） 是由一條多肽鏈（珠蛋白，globin）和一個(gè)血紅素（鐵原卟啉）組成。分子量17，800。 肌紅蛋白是用來在肌肉和其他組織來儲(chǔ)存氧氣的。人體內(nèi)70％的鐵形成血紅蛋白和肌紅蛋白。,2. 血紅蛋白（hemoglobin，Hb）血紅蛋白是使血液呈紅色的蛋白，它由四條

5、鏈組成（蛋白質(zhì)亞基），兩條α鏈（相同）和兩條β鏈，每一條鏈有一個(gè)包含一個(gè)血紅素。每一條蛋白鏈和肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)相似。 氧氣結(jié)合在鐵原子上，Hb起氧的載體。,Hb and Mb have distinct sequences,Hb的結(jié)構(gòu),Myoglobin and Hemoglobin,Function: to transport O2 from lungs to tissue via blood. Need O2 in t

6、issue to drive oxidation of metabolic（新陳代謝） fuels – recovery of energy from food. Mb has higher affinity for O2 than Hb, so increases transport – gives O2 higher solubility in tissues so diffuses faster.,Mb and Hb are c

7、losely related proteins,Both are ?-helical proteins. Mb monomer, Hb tetramer (? and ? subunits). Mb and both subunits of Hb have similar sequences and structures.,Myoglobin,153 aa, (first protein structure XRC, Kendrew

8、 1959) 8 helices (A-H), 44x44x25 ÅRole: O2 transport into muscle –O2 faster than other tissues.O2 has low solubility in blood (10-4 M).,Myoglobin,Binds heme pocket. Polar groups exposed to solvent, Non-polar gro

9、ups buried.,Mb uses heme to bind O2,Fe-protoporphyrin IXHeme is planar.Iron atom at center. Coordinated to 4 N’s,Mb uses heme to bind O2,Fe bound to His (F8) side chain, and O2 or CO2His E7 H-bonds to O2 to stabilize.

10、(CO binds more tightly than O2).,E-7,F-8,Hemoglobin,4 subunits ?1, ?1, ?2, ?2. Forms two dimers.,Hb and Mb have very similar structures,Overlay of Mb with Hb a and ? sununits.,Blue Blood and Red Blood,,O2,Oxyhemoglobin

11、 low-spin Fe2+OctahedralThe metal is in the plane.,,,,,,,,,,,Deoxyhemoglobin high-spin Fe2+Square PyramidalThe metal is below the plane.,,,,,,,,,,,,xy,xz, yz,z2,x2-y2,xy,xz, yz,z2,x2-y2,二、血紅蛋白、肌紅蛋白的功能,紅細(xì)胞內(nèi)含大量血紅蛋白(H

12、b)，紅細(xì)胞的機(jī)能主要由血紅蛋白完成。血紅蛋白的主要功能在于攜帶氧氣(O2)和二氧化碳(CO2)。 　　 血紅蛋白分子是由珠蛋白（globin，globulin)、原卟啉和二價(jià)鐵離子(Fe2+)所組成的結(jié)合蛋白質(zhì)。有4條肽鏈各結(jié)合一個(gè)輔基即血紅素，即O2結(jié)合于Fe2+上，血紅蛋白與氧疏松結(jié)合形成氧合血紅蛋白(HbO2)，這種氧合作用于氧分壓高時(shí)容易進(jìn)行，于氧分壓低時(shí)易于解離。,血紅蛋白和肌紅蛋白能很快地與氧可逆結(jié)

13、合。 肌紅蛋白存在于肌肉中，它結(jié)合從紅細(xì)胞釋放出的氧，貯存并運(yùn)送氧到線粒體，使葡萄糖氧化成二氧化碳和水，并產(chǎn)生能量。,紅細(xì)胞結(jié)合和攜帶O2的過程并不影響二價(jià)鐵離子，也即是說不能氧化為三價(jià)鐵離子；Fe3+無帶O2能力，只見于異常的高鐵血紅蛋白。CO與Hb的親和力大于O2 （200 times），結(jié)合成HbCO后不能重新分離致使Hb喪失運(yùn)輸O2和C O2 的機(jī)能，此稱一氧化碳中毒。,第三節(jié) 氧合作用的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué),

14、氧的飽和度,Hb 曲線與Mb是不一樣的。它們之間存在協(xié)同效應(yīng)（cooperativity）,式中 當(dāng) n＝1 沒有協(xié)同效應(yīng)；N<4, 說明協(xié)同效應(yīng)中等。,影響氧合曲線有三個(gè)重要因素：pH, 溫度和2，3－二磷酸甘油酯。血液的pH值下降，Hb對(duì)氧的結(jié)合下降－Bohr效應(yīng)。,低pH, 結(jié)合力差，容易放出氧，,當(dāng)血液進(jìn)入組織時(shí)，二氧化碳分壓增大，pH下降，有利于血液釋放氧；使細(xì)胞獲得更多的氧。血液中HbO2放出氧后，促使Hb與