血红蛋白的结构详解(血液病学 血红蛋白的结构与功能)

血红蛋白和其他许多功能蛋白质一样，其分子结构可划分为一、二、三级或四级。如前所述，人血红蛋白是由4个亚单位组成的，每个亚单位含有一个亚铁血红素和一条多肽链。组成Hb的多肽链分为两大类：①α类链：ζ、α和θ链；②非α类链：ε、γ、β、δ链。α链由141个氨基酸组成，其N-末端为缬氨酸（Val），C-端为精氨酸（Arg）。ε、γ、β、δ链由146个氨基酸组成，除γ链N-末端氨基酸为甘氨酸（Gly）外，β、δ链的N-末端为Val，β、δ、γ链C-末端均为组氨酸（His）。

所谓Hb的一级结构（化学结构）是指氨基酸残基在珠蛋白肽链上的线性排列顺序，两个相邻氨基酸之间以肽键（—CONH—）相连。一级结构对Hb的立体结构起决定性作用，对于了解血红蛋白病的分子病理学是很重要的。珠蛋白肽链氨基酸顺序测定是Ingram（1958）指纹技术和通过Edman逐步降解技术测定各个酶解肽段的顺序而完成的。从氨基端排起，下图中已指出全链α和β链的一级结构，上一篇图表中有列出各功能珠蛋白链的氨基酸排列顺序。

血红蛋白α链和β链 的一级结构和二级结构：A.α链；B.β链

血红蛋白的二级结构：指多肽链主链骨架中若干肽段在一个方向上按一定规律盘绕成α螺旋结构（称为二级结构）。α螺旋结构是链内肽链间氢键使肽链中有些段落以3. 6个氨基酸残基为一周，盘成一个右手螺旋。珠蛋白肽链的70%以上氨基酸处于螺旋形位置，组成7或8个节段，称为螺旋段（下图），每两个节段之间为少数处于非螺旋形结构的氨基酸。α链有7个螺旋段，分别用A，B，C，E，F，G，H来表示；β链有8个螺旋段，分别用A，B， C，D，E，F，G，H来表示。非螺旋段位于其间，分别用CD，EF等来表示。每个氨基酸残基的位置可以用从N端开始的序号表示，也可以用在区段的序号表示。比较已知20多个物种，（从鳗鱼到人）的血红蛋白的一级结构，发现有9个位置在所有或几乎所有已被研究的物种中含有相同的氨基酸。这些保守的位置对血红蛋白分子的功能至关重要，有一些直接参与血红素与氧的结合过程，而CH2位的酪氨酸残基的羟基与FG5位缬氨酸残基形成氢键加强了分子的稳定性。β₆甘氨酸残基体积最小，使螺旋区B和螺旋区E得以充分靠近，另外C2脯氨酸的存在使螺旋区终结。

β-珠蛋白链的螺旋节段示意图

血红蛋白中的保守氨基酸残基

血红蛋白的三级结构：指在二级结构的基础上，珠蛋白肽链借助于次级键（主要是疏水键），又可按一定方式再盘曲折叠，使其本来较长的肽链，在空间上形成较紧密的球状三维构象（下图），其内部多为疏水性氨基酸，为血红素提供了必要的疏水环境，而外部多为极性氨基酸，是Hb分子高度可溶、具有稳定的立体结构。血红素位于E，F螺旋段和CD非螺旋段组成的疏水性“口袋”中（称为“血红素袋”），通过次级键固定在一定的位置上。分析可见，血红素与珠蛋白链相结合，主要有以下三种方式：①血红素中的Fe²⁺与F8组氨酸（近位组氨酸）咪唑基的N原子之间的配位键；②卟啉环上一个丙酸侧链与FG2组氨酸及H5谷氨酰胺形成氢链，另一个丙酸侧链与CD3精氨酸形成氢键；③珠蛋白与血红素之间还有很多非极性相互作用，“血红素袋”周围多为疏水性氨基酸，在使血红素-珠蛋白复合物稳定中，疏水基团起着重要作用。血红素中Fe²⁺与O₂相连是在卟啉环平面的另一侧。具体说，在血红素的两侧各有一个组氨酸残基（F8和E7），其中F8的位置距血红素很近，称为近位组氨酸，E7组氨酸距血红素很远，称为远位组氨酸，与血红素没有直接联系，但起着“血红素袋”门户作用。

血红蛋白的三级结构

血红蛋白的四级结构：组成血红蛋白的四条肽链（亚基）在三级结构的基础上，借助亚基间的次级键，按一定空间关系相互组成一个完整的、呈椭圆形的四聚体——有功能的血红蛋白分子，其大小约为6. 4nm×5. 5nm×5. 0nm。Monod等人指出，每个血红蛋白分子以两种不同的物理形式存在，也就是采取两种不同的四级结构，一种是易和氧结合、高亲和力的R型（松弛态），另一种形式是易于放氧、低亲和力的T型（紧张态）。T型构象血红蛋白分子（脱氧Hb）中，其四条多肽链之间由8对盐键相连而成为受约束的强制状态，其中包括末端氨基和末端羧基之间、末端羧基和46位赖氨酸残基的侧链之间、141位精氨酸残基的侧链和94位天冬氨酸残基的侧链之间，以及146位组氨酸残基和94位天冬氨酸残基之间形成的盐键。当血红蛋白氧合后转为R型构象，上述盐键全部破坏，使肽链的羧基端完全自由。在血红蛋白分子之中，四个亚基对称排列形成α₁β₁ 和α2β2两个重要接触面（下图）。这两种接触面的划分，主要是根据Hb分子氧合和脱氧是二者的移动情况，在氧合和脱氧过程中移动较小的（约1Å），称为α₁β₁接触面或α₂β₂接触面；在氧合和脱氧过程中移动较大（约7Å），则称为α₁β₂接触面或α₂β₁接触面。α₁β₁接触面相对较大较长（包括34个残基和110个原子），对Hb分子的稳定性很重要，α₁β₁接触面相对较小较短（包括19个残基和80个原子），在结合配体（O₂）时发生T→R构象跃进中可产生7Å左右的滑动，因此α₁β₁接触面对Hb分子对氧的亲和力很重要。一切在接触面中突变都会减小血红素-血红素之间的相互作用，从而影响血红蛋白分子的氧亲和性，而α₁β₁接触面中的突变一般并不这样。

血红蛋白与氧结合前后的构象变化：A.脱氧血红蛋白（T-构象）；B.氧合血红蛋白（IR-构象）

血红蛋白的X射线晶体衍射分析始于1936年，化学家佩鲁茨（Max Perutz）及其同事应用X线衍射技术，费时20余年，才确定了血红蛋白分子中数万个原子坐标，完成了脱氧和氧合血红蛋白的三维结构分析，终于从立体化学上揭开了分子呼吸（Hb分子摄氧和释氧）的奥秘，并建立了描述Hb变构效应的模型。后来，他们又从立体化学角度阐述氧亲和性改变的异常Hb病的发病机制。由于这项杰出工作，Perutz和研究肌红蛋白的Kendrew分享1962年诺贝尔化学奖。