血红蛋白序列、结构和功能分析 - abc

血 红 蛋 白 序 列 、 结 构 和 功 能 分 析CAAS08S1报 告 人 : 李 庆 超

主 要 内 容• 一 、 血 红 蛋 白 及 其 基 因 家 族 序 列 分 析 ( 摘 录 )• 二 、 血 红 蛋 白 结 构 及 功 能 分 析1、 蛋 白 质 结 构 与 氧 合 曲 线2、 镰 刀 细 胞 型 贫 血 症 的 蛋 白 质 结 构 水 平 成 因

Hemoglobin• Hemo-globin• Hemoglobin the iron-containing oxygentransportmetalloprotein

Types in humans• In the embryo:• Gower 1 (ζ2ε2)• Gower 2 (α2ε2) 2) (PDB1A9W)• Hemoglobin Portland(ζ2γ2)• In the fetus:• Hemoglobin F (α2γ2)(PDB 1FDH)据 统 计 至 今 已 发 现 异 常 血 红 蛋 白200 多 种 , 异 常 血 红 蛋 白 携 带 者 有一 亿 多 人 .hemoglobinopathy 血 红 蛋 白 病• In adults:• Hemoglobin A (α2β2)(PDB 1BZ0) 95%• Hemoglobin A2 (α2δ2)1.5-3.5%• Hemoglobin F (α2γ2) 有 限 人 群• Variant forms(hemoglobinopathy)• Hemoglobin S (α2βS2)镰 刀 型 细 胞 贫 血 症• Hemoglobin C (α2βC2)慢 性 溶 血 性 贫 血

Other oxygen-binding proteins• Myoglobin: 肌 红 蛋 白 。 脊 椎 动 物 肌 肉 组 织 , 序 列 及 结 构 与 血红 蛋 白 相 似 , 单 体 , 储 氧• Hemocyanin: 血 蓝 蛋 白 。 自 然 界 中 第 二 大 运 氧 蛋 白 ; 节 肢 动物 与 软 体 动 物 ; 含 铜 附 基 , 氧 合 状 态 为 蓝 色• Hemerythrin: 蚯 蚓 血 红 蛋 白 。 多 种 海 洋 无 脊 椎 动 物 及 少 量 环 节动 物 ; 含 铁 但 不 具 血 红 素 ; 氧 合 粉 红 , 无 氧 无 色• Chlorocruorin: 血 绿 蛋 白 ? 许 多 环 节 动 物 ; 氧 合 红 色 , 无 氧 绿色• Vanabins: 钒 产 色 原 ? 海 鞘 , 可 能 以 钒 作 蛋 白 附 基• Erythrocruorin: 无 脊 椎 动 物 血 红 蛋 白 。 多 数 环 节 动 物 , 巨 型 蛋白 复 合 体 , 分 子 量 达 350 万 道 尔 顿• Pinnaglobin: 平 那 珠 蛋 白 。 仅 见 于 软 体 动 物 Pinna squamosa.褐 色 含 锰 及 卟 啉• Leghemoglobin: 豆 血 红 蛋 白 。 蝶 形 花 科 植 物 ; 吸 收 游 离 氧 保护 根 部 固 氮 菌

一 、 血 红 蛋 白及 其 基 因 家 族 序 列 分 析

FAD:flavin-binding domainMyr: millions of years ago

主 要 启 示• 来 源 相 同 、 结 构 相 似 、 功 能 相 关 : 基 因 家 族• 基 因 家 族 成 员 串 联 排 列 : 基 因 簇• 复 制 是 新 基 因 产 生 的 重 要 方 式• 串 联 重 复 基 因 为 进 化 提 供 素 材• 编 码 序 列 的 改 变 、 内 含 子 数 目 增 删 、 单 个 内 含子 序 列 长 度 的 变 化 、 内 含 子 序 列 变 化 。

二 、 血 红 蛋 白 结 构 及 功 能 分 析

研 究 历 史• 1851 年 Otto Funke 获 得 氧 合 血 红 蛋 白 晶 体• 随 后 , Felix Hoppe-Seyler 描 述 了 血 红 蛋白 与 氧 的 可 逆 结 合 过 程1959 年 M P t 鉴 定 了 其 分 子 结 构 并• 1959 年 Max Perutz 鉴 定 了 其 分 子 结 构 , 并因 此 获 得 1962 年 的 诺 贝 尔 化 学 奖

Otto FunkeOtto Funke (October 27, 1828 - August 17, 1879)was a German physiologist who was a native of Chemnitz.

Max Ferdinand d Perutz,(May 19, 1914, Vienna, Austria – February 6,2002, Cambridge, UK) was an Austrian-Britishmolecular biologistAt Cambridge hesupervised thePhD work ofFrancis Crick andJames Watson inthe CavendishLaboratory as theydetermined thestructure of DNAin 1953

课 题 目 的 :初 步 探 索 氧 合 曲 线 的 成 因 及 协 同 作 用 的 分 子 机 制揭 示 镰 刀 型 细 胞 贫 血 症 的 蛋 白 质 水 平 致 病 机 制• 使 用 工 具 :Swiss-PdbViewer• 研 究 对 象 :脱 氧 型 人 类 变 异 血 红 蛋 白 结 构 (2HBS),脱 氧 型 人 类 血 红 蛋 白 结 构 (3HHB),氧 合 型 人 类 血 红 蛋 白 结 构 (2DN1),

1、 、 蛋 白 质 结 构 与 氧 合 曲 线

• 协 同 效 应• 首 个 亚 基 氧 合 困 难• alpha 亚 基 ;beta 亚 基• 一 旦 首 个 亚 基 氧 合 , 则 利 于 其 他 亚 基 的 构 象 变 化

蛋样白 的结 结构 合的解变 离化 造成整个血红

alpha

结 合 氧 分 子

alpha beta

—+beta Try35 Arg141 alpha Asp126

eta Try35alpha Arg141alpha Asp126betaalphaalphabeta

氧 合 作 用 中 alpha Arg141 侧 链 位 置 发 生 重 大 变 化alpha Arg141 与 相 邻 的 beta Try35 和 alpha Asp126形 成 离 子 键 , 氧 合 作 用 必 须 破 坏 之

eta

His2Glu6Lys8Glu22Arg40Phe41Lys61Lys66Phe71Asp73Lys82His97Lys99Phe103Arg104Lys120情 况 比 较 复 杂

贡 献 率 不 同

氧 合 后 Arg104 从 分 子 中 心 “ 抬 离 ”

—+Arg104 参 与 形 成 分 子 中 央 正 电 荷 区 , 吸 引 两 侧 负 电 荷 区

分 子 中 心 电 荷 分 布 情 况

A-Tyr42B-Asp99两 个 负 电 荷 中 心 区A-Asp94B-Glu101BGlu101Asp99VsAAsp94Tr42 Tyr421 2

氧 合 作 用 后 Arg104 从 分 子 中 央 正 电 荷 区 抽 离

Beta Arg104 参 与 形 成 分 子 中 央 正 电 荷 区 , 吸 引 两 侧 负 电荷 区 :beta -Glu101、Asp99 /alpha -Asp94、Tyr42首 次 氧 合 作 用 必 须 克 服 此 电 荷 吸 引 作 用 。刘 三 姐隔 江 对 歌

Beta 亚 基 氧 合 促 使 其 他 亚 基 的 结 构 变 化

氧 合

Bate-Arg104BGlu101Asp99VsAAsp94Tyr42氧合BGlu101Asp99Asp94Tyr42A

氧 合 作 用 下 ,Beta Arg104 从 分 子 中 央 正 电 荷 区 撤 离 ,导 致 负 电 荷 区 变 形 , 引 发 其 他 亚 基 的 构 象 变 化O 2 灯 都 点 了 ,该 回 家 了 !

斑 头 雁 、 灰 雁 和 人 血 红 蛋 白 比 较与 氧 合 特 征兰 军 李 瑶 唐 然 杨 萍

• 斑 头 雁 (Anser indicus) 生 活 在 海 拔 4000-6000 米 的 中 国 青 海 湖 区 域 , 它 们 能 忍 受 高海 拔 的 缺 氧 环 境 , 每 年 深 秋 经 过 喜 马 拉 雅山 ( 海 拔 约 9000 米 ) 迁 徙 到 印 度 。• 灰 雁 与 斑 头 雁 亲 缘 关 系 很 近 , 长 年 生 活 在印 度 平 原 , 但 是 它 们 却 不 能 承 受 缺 氧 的 环境 。

斑 头 雁 和 灰 雁 血 红 蛋 白 的 序 列 比 对 结 果斑 头 雁 和 灰 头 雁 血 红 蛋 白 仅 有 4 个 氨 基 酸 的 差 异

斑 头 雁 α 链 119 位 Ala β 链 125 位 Asp灰 雁 Pro Glu它 们 位 于 血 红 蛋 白 α 链 和 β 链 的 结 合 处

灰 雁 α 链 119 位 Pro 周围 4 埃 的 氨 基 酸斑 头 雁 α 链 119 位 Ala周 围 4 埃 的 氨 基 酸灰 雁 α 链 119 位 Pro 与 β 链55Leu 之 间 的 距 离斑 头 雁 α 链 119 位 Ala 与 β 链55Leu 之 间 的 距 离

人 和 斑 头 雁 血 红 蛋 白 的 序 列 比 对

斑 头 雁 α 链 119 位 Ala 周围 4 埃 的 氨 基 酸人 α 链 119 位 Pro 周 围 4埃 的 氨 基 酸

• 与 人 和 灰 雁 比 较 , 斑 头 雁 血 红 蛋 白 α 链 119位 Ala 使 亚 基 间 距 离 减 小 , 导 致 分 子 疏 松 、亚 基 间 牵 制 作 用 弱 , 从 而 更 易 结 合 氧 气 分子 。 推 测 其 氧 合 曲 线 趋 于 平 缓 , 这 符 合 斑头 雁 在 高 原 缺 氧 情 况 下 结 合 氧 气 的 需 求 。• α-119 在 血 红 蛋 白 氧 亲 和 力 上 起 到 了 非 常 重要 的 作 用 。 因 此 可 以 通 过 改 变 这 一 残 基 来提 高 血 红 蛋 白 的 氧 亲 和 力 。

α 链 119 位 与 氧 合 曲 线 关 系10 1.0氧分数饱和度肌 红 蛋 白人 工 突 变 人 血 红 蛋 白斑 头 雁 血 红 蛋 白灰 雁 血 红 蛋 白人 血 红 蛋 白P(O 2 )

H+、CO2促 进 氧 的 释 放BPG 降 低 Hb 对 氧 的 亲 和 力氧 合 曲 线 右 移BPG:2、3— 二 磷 酸 甘 油 酸

调 控 亚 基 基 因 时 序 表 达导 致 的 血 红 蛋 白 氧 合 特 征 改 变

人 的 各 发 育 阶 段 血 红 蛋 白 所 含 亚 基 种 类 及 比 例

γ 亚 基 与 BPG 的 亲 和 性 低 于 β 亚 基 , 胚 儿 血 红 蛋 白 对 氧γ 亚 基 与 BPG 的 亲 和 性 低 于 β 亚 基 , 胚 儿 血 红 蛋 白 对 氧气 亲 和 力 高 , 利 于 从 母 体 血 红 蛋 白 夺 取 氧 气

2、 、 镰 刀 细 胞 型 贫 血 症 的蛋 白 质 结 构 水 平 成 因

镰 刀 型 细 胞 贫 血 症• 镰 刀 型 细 胞 贫 血 症 患 者 的 血 红 蛋 白 异 常• 血 红 蛋 白 的 溶 解 度 下 降 1• 在 低 氧 毛 细 血 管 区 3 , 血 红 蛋 白 形 成 纤 维 结 构 2 ,导 致 红 细 胞 扭 曲 成 镰 刀 状 ( 即 镰 变 )• 这 种 僵 硬 的 镰 状 红 细 胞 不 能 通 过 毛 细 血 管 , 加 上血 红 蛋 白 的 凝 胶 化 使 血 液 的 粘 滞 度 增 大 , 阻 塞 毛细 血 管 , 引 起 局 部 组 织 器 官 缺 血 缺 氧 , 产 生 脾 肿大 、 胸 腹 疼 痛 ( 又 叫 做 “ 镰 形 细 胞 痛 性 危 象 ”) 等临 床 表 现• 此 种 红 细 胞 也 容 易 破 裂 造 成 溶 血 4。

1 变 异 血 红 蛋 白 表 面 特 性 及 其 溶 解 性

谷 氨 酸缬 氨 酸主 要 是 氨 基 酸 残 基 侧 链 的 差 异

突 变 发 生 在 蛋 白 质 表 面 , 主 要 影 响 到 蛋 白 质 表 面 性 质 ,导 致 其 溶 解 性 的 降 低

2 变 异 血 红 蛋 白 形 成 纤 维

氨 基 酸 残 基 的 取 代 没 有 导 致 单个 血 红 蛋 白 结 构 的 重 大 变 化

正常的血红蛋白表面

突变的血红蛋白表面

分 属 于 不 同 血 红 蛋 白 的 两 个 β 链 之 间 形 成 疏 水 作 用 力β 链 6 位 缬 氨 酸 与 另 一 蛋 白 的 β 链 85 位 苯 丙 氨 酸

正 常 血 红 蛋 白 不 具 有 此 种 关 系

异 常 血 红 蛋 白 由 此 形 成 蛋 白 纤 维

Figure 2. Fo − Fc omit map contoured at 3.0 σdepicting the area immediately surrounding themutant valine from the 2β2S β chain. This residueis involved in lateral contact 1 of the crystalstructure. Below and to the right of the centrallylocatedvaline side-chain is 1β1S Phe85, part ofthe hydrophobic patch from a second tetramerwith which 2β2S Val6 interacts. Three watermolecules are also visible to the left of the valineside-chain. (Figure generated with O, [Jones etal 1991]).Figure 3. Two depictions of the double strand of hemoglobinmolecules found in the crystal. On the left, the strand is shown asa transparent t molecular l surface, with heme groups colored red,and the mutant valine residues blue. In the representation on theright, the protein backbones are shown as white coils, with thecolor scheme for heme groups and mutant valine residuesremaining the same as the left. The axial contacts are locatedbetween molecules within a single strand in the vertical direction.Lateral contacts involving the blue valine residues act to associatethe two single strands into the double strand. (Figure generatedusing GRASP, [Nicholls et al 1993]).

突 变 的 β 链 6 位 缬 氨 酸 与 另 一 蛋 白 的 β 链 85 位 苯 丙 氨 酸 主导 形 成 疏 水 作 用 力 , 使 变 异 血 红 蛋 白 形 成 纤 维 凝 胶突 变

3 低 氧 下 发 生 形 成 纤 维

脱氧血红蛋白氧合血红蛋白85位位85Phe 位位于蛋白表面Phe 不不参与蛋白表面形成

氧 合 导 致 β 链 85 位 苯 丙 氨 酸 位 置 加 深 , 埋 在 蛋 白 质分 子 内 部 , 破 坏 了 疏 水 作 用 形 成 条 件 , 因 此 富 氧 区不 易 形 成 镰 刀 型 红 细 胞

• 变 异 血 红 蛋 白 形 成 蛋 白 纤 维 还 与 血 红 蛋 白 的 分 布特 殊 性 相 关 : 种 类 单 一 、 数 量 巨 大• 每 个 红 血 球 含 有 两 亿 到 二 亿 个 血 红 蛋 白 分 子 , 占红 血 球 湿 重 的 35%、 干 重 量 的 97%• 缺 氧 区 二 氧 化 碳 含 量 高 , 血 液 含 更 多 的 氢 离 子 和碳 酸 氢 根 离 子 , 可 能 也 促 使 了 蛋 白 纤 维 的 形 成• 氢 离 子 与 二 氧 化 碳 促 进 氧 合 血 红 蛋 白 脱 氧 , 导 致生 成 易 于 凝 集 的 脱 氧 型 异 常 血 红 蛋 白• 碳 酐 酶

4 镰 刀 型 细 胞 贫 血 症 与 疟 疾

Sickle_cell_distributioncellMalaria_distribution

• 疟 原 虫 具 有 复 杂 的 生 活 周 期 , 其 中 一 段 时 期 存 在于 红 细 胞 内 。• 镰 刀 型 红 细 胞 十 分 脆 弱 , 疟 原 虫 的 侵 袭 很 容 易 使其 崩 解 。 导 致 疟 原 虫 的 原 质 团 不 能 进 行 复 制• 疟 原 虫 的 表 面 抗 原 更 迭 和 生 殖 期 隐 蔽 在 血 红 细 胞是 其 逃 避 寄 主 免 疫 系 统 的 重 要 手 段• 另 外 , 异 常 的 血 红 蛋 白 也 使 疟 原 虫 难 以 定 植• 疟 原 虫 营 养 及 氧 气 匮 乏• 平 衡 多 态 性 现 象 : 纯 合 子 致 死 性 与 杂 合 子 抗 病 性

谢 谢 !