生化小课 | 血红蛋白协同结合氧气

血红蛋白协同结合氧气

血红蛋白必须在肺中有效地结合氧气，其中pO2约为13.3kPa，并且它必须在组织中释放氧气，其中pO2约为4kPa。肌红蛋白，或任何以双曲线结合氧的蛋白质，都不适合这种功能，原因如图5-12所示。以高亲和力结合O2的蛋白质将在肺部有效地结合O2，但不会在组织中释放太多。如果蛋白质以足够低的亲和力结合氧气，将其释放到组织中，它将不会在肺部吸收太多氧气。

血红蛋白通过随着更多O2分子的结合而从低亲和力状态（T状态）转变为高亲和力状态（R状态）来解决这个问题。因此，血红蛋白对氧具有混合的S形或S形结合曲线（图5-12）。具有单个配体结合位点的单个亚基蛋白不能产生S形结合曲线——即使结合会引起构象变化——因为每个配体分子独立结合，不能影响配体与另一个分子的结合。相反，O2与血红蛋白的单个亚基结合可以改变相邻亚基对O2的亲和力。与脱氧血红蛋白相互作用的第一个O2分子结合较弱，因为它与处于T状态的亚基结合。然而，它的结合会导致构象变化，这些变化会传递给相邻的亚基，使额外的O2分子更容易结合。实际上，一旦O2与第一个亚基结合，第二个亚基更容易发生T→R转变。最后一个(第四个)O2分子与已经处于R态的亚基中的血红素结合，因此它的结合亲和力比第一个分子高得多。

变构蛋白是指配体与一个位点的结合影响同一蛋白质上另一个位点结合特性的蛋白质。“变构(allosteric)”一词来源于希腊语的allos和stereos。变构蛋白是指由被称为调节剂的配体结合诱导的具有“其他形状”或构象的蛋白质。由调节剂引起的构象变化使蛋白质的活性形式和活性形式相互转换。变构蛋白的调节剂可以是抑制剂或激活剂。当正常配体和调节剂相同时，这种相互作用被称为同向性。当调节剂是正常配体以外的分子时，相互作用是异向的。一些蛋白质具有两种或多种调节剂，因此可以有同向性和异向性相互作用。

配体与多聚体蛋白的协同结合，如我们观察到的O2与血红蛋白的结合，是变构结合的一种形式。一个配体的结合影响任何剩余的未填充结合位点的亲和力，O2可以被认为是配体和活化的同向调节剂。每个亚基上只有一个O2的结合位点，因此引起协同性的变构效应是由亚基-亚基相互作用从一个亚基传递到另一个亚的构象变化介导的。S形结合曲线用于诊断协同结合。它允许对配体浓度做出更敏感的反应，并且对许多多亚单位蛋白的功能很重要。异构体的原理很容易扩展到调节酶，将在第6章中进一步说明。

与肌红蛋白的情况一样，氧以外的配体也可以与血红蛋白结合。一个重要的例子是一氧化碳，它与血红蛋白的结合能力是氧的250倍（O2和远端His之间的关键氢键在人类血红蛋白中不如在大多数哺乳动物肌红蛋白中那么强，因此相对于 CO 而言，O2 的结合力没有那么强）。人类暴露于CO可能会造成悲剧性后果。

Principles of Biochemistry

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