【4.1.1】正协同效应

血红蛋白与氧气结合的正协同效应(Positive Cooperativity of the binding of O2 to Hb )

Hb的正协同效应是指Hb有一个亚基结合O2后,其构象会发生变化,使得其他亚基对O2的亲和力突然增强。

Hb的正协同效应是指Hb分子有一个亚基结合O2后,其构象会发生变化,使得其他亚基对O2的亲和力突然增强。协同效应可使用齐变或序变模型来解释。两种模型都假定血红蛋白存在两种构象,即紧张态(tense state,T态)和松弛态(relaxed state,R态)。在没有结合氧气时,Hb的四条链之间结合紧密,这种构象称为T态,这种紧密结合是由盐键以及结合在2条β链之间缝隙中的甘油酸-2,3-二磷酸(2,3-Bisphosphoglycerate,2,3-BPG)造成的,它们屏蔽了分子表面疏水的空穴,使得Hb结合O2的能力降低(游离的α链和β链结合氧气的能力与Mb相同)。

在脱氧状态下,Hb上的Fe2+由于邻近His残基和吡咯环N原子之间的空间位阻,而略偏离血红素平面(0.04nm)。然而,一旦氧合, Fe2+就移向卟啉环,以便O2能更紧密的结合。Fe2+的移位将近端His拉向血红素,近端His的移动又带动F螺旋也随之移动,而F螺旋的移动势必影响到它与相邻亚基的C螺旋之间的相互作用,最终导致相邻亚基的构象发生改变。这真可谓“牵一发而动全身”!于是,相邻肽链之间的盐键遭到破坏,Hb的四级结构也随之改变。这时2个二聚体(αβ)之间发生滑移,移动15°,将BPG挤出。随后,四级结构发生进一步的变化,每条链表面疏水的空穴都暴露在外,这种构象称为R态,而这时Hb结合氧气的能力变强了。

概况

  1. Hb的氧合曲线为S型,不同于Mb的双曲线(The binding of O2 to Mb follows a hyperbolic curve, while the binding of O2 to Hb follows a sigmoidal curve) .
  2. S型曲线意味着1个O2的结合可增强Hb与其他O2结合的亲和力。这种 效应叫正协同效应(The sigmoidal nature of the O2 binding curve for Hb suggests that the binding of one O2 to Hb increases its affinity for binding additional oxygen molecules. This effect is known as positive cooperativity)
  3. Hb在没有结合O2的时候,Hb的亚基处在紧张态的构象。这种构象与 O2的亲和力低。结合O2后,血红素Fe2+被拉到卟啉环中央。 Fe2+的移 动带动了近端组氨酸残基,而撕破了α1β1和α2β2这之间的界面,从而 导致两个二聚体之间发生了15°的旋转。这种旋转使得α1和β2、α2和 β1之间的盐键发生重排,有利于亚基以松弛态构象存在。松弛态的构 象与O2的亲和力高(In the absence of bound O2, the Hb subunits are in a low affinity state or T state. Binding of O2 to Hb pulls the Fe2+ into the plane of the porphyrin ring. This pulls the proximal His into a new position and disrupts the interface between the α1β1 and α2β2dimers. As a result, the α1β1 dimer rotates by 15°relative to the α2β2 dimer This rotation is accompanied by the rearrangement of salt bridges between the α1 and β2 subunits as well as between the α2and β1 subunits. These conformational changes stabilize the high affinity state of Hb or R state).
  4. 正协同效应的好处就是使得血红蛋白更适合充当氧气的运输者(The advantage carried by positive cooperativity is to make HbA more suitable for serving as a O2 carrier).

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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