谷彦冰农科院果树所吴志超农科院作物所-abc.PDF

血红蛋白 May 2003 Molecule of the Month by Shuchismita Dutta and David Goodsell 译者：谷彦冰（农科院果树所） 吴志超（农科院作物所） 关键词：氧气运输；血液生理学；红细胞；变构性；变构蛋白；一氧 化碳；镰状细胞性贫血病 红血，蓝血 每个人都好奇为什么血管是蓝色的？血液是鲜红色的：当你割破 手指时，你看到的是鲜红色的含氧血。去氧血是深紫色的：你献血时 所献的血和在医生实验室保存的血液样本一样，都要去氧后保存在真 空管中，所以你看到的是深紫色的。然而深紫色的去氧血在静脉中流 过时显示的是蓝色，皮肤白皙的人更是如此。这是由于不同颜色的光 穿过皮肤时的吸收率不一样：蓝光在皮肤表面发生反射，红光穿透的 更深。静脉中的血液吸收更多的红光（即使蓝光也达到同样的深度）， 所以我们看到的是皮肤表面反射的蓝光。有些生物，像蜗牛和螃蟹， 使用含铜蛋白来运输氧气，所以它们的血液是蓝色的。 血红蛋白使血液的颜色为红色。血红蛋白包含4 条蛋白质链，2 条α亚基和；两条β亚基，而且每个环血红素蛋白组包含一个铁原子。 氧气在血液中运输时可逆的和铁原子结合。肌红蛋白在肌肉和其它组 织中用来储藏氧气，它的每条蛋白质链在结构上和血红蛋白的相似。 然而血红蛋白的4 条蛋白质链有额外的功能。 血红蛋白的使用和滥用 除去运输氧气，血红蛋白可以结合和运输其它分子，像一氧化氮 和一氧化碳。一氧化氮可以影响细胞壁，使它变得松弛，这反过来又 降低了血压。最近的研究表明，一氧化氮可以和血红蛋白中的特殊的 半胱氨酸残基和环血红素中的铁原子绑定。因此，血红蛋白调节血压 的功能被一氧化氮减弱了。一氧化碳从另一方面来讲，是一种毒气。 它可以替代血红素中的氧气，形成难以分离的稳定复合体。这都影响 了氧气的正常结合和释放，从而使周边的细胞缺氧。 人造血 输血拯救了无数人的生命。然而，血型需要配对，血液储藏时间 短，可能存在的污染仍然是影响输血的主要因素。基于生物化学和结 晶结构数十年的研究，人们弄清了血红蛋白的运作方式，这为血液代 替品和人造血的研究提供了可能。最明显的方法是用纯血红蛋白溶液 来代替失去额血液。这种方法的主要挑战是保持血红蛋白四条亚基之 间的整体性。缺乏红细胞的保护作用，四条亚基发生分离。为了避免 这种问题发生，新的血红蛋白分子在每两个亚基之间设计都有由两个 甘氨酸残基形成的物理连接。 血红蛋白的表亲 通过查找蛋白质数据银行，你会发现有很多不同的血红蛋白分子。 你可以找到马克斯·佩鲁茨氏发现的马血红蛋白结构，这具有开创性 的意义，文章中会有图片展示。这里有人类成年和胎儿时期的血红蛋 白结构。你同样可以找到不寻常的血红蛋白，像在豆类植物中发现的 豆血红蛋白。它可能用于保护植物根部对氧敏感的固氮细菌。这些蛋 白在过去几年里被称作截断蛋白，就像在蛋白质数据银行中血红蛋白， 它的几部分经典结构已经被鉴定出来。在这个蛋白质亚基中起重要作 用的、被绝对保留下来的氨基酸是和血红素中的铁原子结合的组氨酸。 合作起来发挥功能更容易 血红蛋白是一个很不寻常的分子机器，它通过运动和小的结构改 变来调节功能。氧气和血红蛋白中的血红素上的四个结合位点的结合 不是同时发生的。一旦第一个血红素结合氧气，它会导致相应的蛋白 质链发生结构上的改变。这些改变会使临近链进入到容易结合氧气的 状态。因此，第一个氧分子的结合是困难的，但是第二个、第三个、 第四个氧分子的结合会变得越来越容易。这为血红蛋白发挥功能提供 了很大的有利条件。当血液流经含氧丰富的肺部时，氧气容易和第一 个亚基结合并且容易结合余下的部分。当氧气流经身体，氧的水平下 降，二氧化碳的含量上升。在这种环境下，血红蛋白释放结合的氧气。 一旦第一个氧分子释放掉，蛋白质结构会立马改变。这促使余下的三 个氧分子快速的释放。这种方法，血红蛋白在肺部尽最大可能的负载 氧，在需要氧的地方释放氧。 在这个动画图中，血红素组的一个亚基在一个小的圆形窗口中展 示，它保持在一个位置，所以当它结合氧时，你能看到蛋白的运动。 氧气分子用蓝色、绿色来表示。当它与血红素中心的铁原子结合时， 促使组氨酸向血红素的底部运动。这改变了整个α螺旋的位置，在这 里用血红素下面的橙色表示。这种运动传导至整个蛋白质链和其它链， 最终导致两个蛋白质亚基的大摆动，这里用蓝色表示。这两种结构在 蛋白质数据库中都有。 麻烦的血红