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機轉深潛層 · 來自 Williams Hematology 拆解筆記 034005_hemoglobin-synthesis-function

血紅蛋白合成、結構與功能

基本特徵

氧運輸與包裝

  • Hb 是體內主要含氧蛋白 (oxygen-binding protein)
    • 量足以將肺部充足氧運至組織滿足細胞氧化 (oxidative) 代謝需求
    • 數量龐大：正常大小人類體內任何時刻存在 ~2 磅 Hb

為何需要 RBC 包裝

  • 血流中遊離 (free) Hb 在數分鐘內被分解並由腎臟排泄
  • 必須在 RBC 內包裝 → 保存新合成分子供整個 4 個月 RBC 壽命
  • 否則日常 Hb 喪失替代所需熱量和生物合成 (biosynthesis) 資源將禁止

RBC 的雙重功能

  • 主要：封裝 Hb 並保護其，以便作為氧運輸器運行延長期
  • 次要：調節血管張力 (vascular tone)：
    • Hb 運輸 一氧化氮 (nitric oxide, NO)
    • 可能也運輸 亞氮化物 (N_2O)

血流學與濃度限制

  • 血液細胞內容物影響其黏度 (viscosity)；特別是存在過多迴圈 RBC → 血液黏度受損（黏度與血細胞比容 (hematocrit) 特別相關）
  • 提供充足氧運輸（足夠 Hb 分子）同時維持可容忍黏度 → 每個 RBC 內高濃度 Hb：
    • 32~35 g/100 mL 細胞質
    • 接近生理食鹽水中 Hb 的溶解度 (solubility) 限制
  • 即使細微擾動也可能有災難性結果：
    • Hb 分子內：例如氧化
    • 環境變化：例如 pH 或離子強度 (ionic strength) 改變
  • 多聚 (polymerize) 或沉澱 (precipitate)** 的 Hb**：
    • 改變細胞內黏度
    • 觸發導致 RBC 氧化損傷的蛋白水解 (proteolytic) 反應
    • 損害氧運輸
  • RBC 命運與其龐大 Hb 補體的狀態緊密相連

血紅蛋白結構

四聚體組成與基本特性

  • Hb 四聚體 (tetramer) = 兩對不同珠蛋白 (globin) 多肽鏈，各與一個珠蛋白基團 (heme) 相關聯
  • 正常 Hb：2 個 α-珠蛋白 + 2 個非 α-珠蛋白鏈
    • 鏈間相互作用 → 責成 Hb 的四級結構 (quaternary structure)** 和正常氧運輸
  • 功能性：
    • 每個珠蛋白基因第二外子 → 編碼珠蛋白基團結合袋的主要成分
    • 第三外子 → 調節 α 與非 α 接觸

一級結構與同源性

  • Hb 行為 = 其一級結構 (primary structure)** 決定（氨基酸的共價 (covalent)** 連結）
  • Hb 高級結構 = 依賴構成珠蛋白鏈的氨基酸序列
  • 鏈長度：
    • α-珠蛋白鏈：141 個殘基 (residue)
    • β-珠蛋白樣鏈：146 個氨基酸 (amino acid)（見 Fig. 34.1）
  • 珠蛋白間同源性 (homology) 顯著，特別是非 α-珠蛋白鏈
  • α-珠蛋白基因 (HBA2, HBA1)：極古代的基因複製
  • 非 α-珠蛋白基因 (HBE, HBG2, HBG1, HBD, HBB)：較近期基因複製，彼此更相似，不如 α 樣基因相似
  • 基因轉換 (gene conversion) 事件 → 確保複製基因的相似性

二級結構

  • ~75% 珠蛋白多肽鏈 形成 α-螺旋 (alpha helix)
  • 8 個螺旋段 (segment)（A~H），分隔短非螺旋延伸（見 Fig. 34.1、34.2）
  • 非螺旋段：
    • 允許多肽自身摺疊 (fold)
    • 常由脯氨酸 (proline)** 殘基指導（脯氨酸通常無法參與 α-螺旋形成）
  • α-珠蛋白與非 α-珠蛋白螺旋段不完全對應
  • 可透過螺旋和非螺旋殘基編號對齐所有珠蛋白多肽的氨基酸 → 增進珠蛋白間同源性理解（見 Fig. 34.3）
  • 不變的或保守 (conserved) 殘基：
    • 在整個進化過程中保留
    • 出現在對分子穩定性和功能至關重要的部位
    • 例如：珠蛋白基團結合殘基、分子內部的疏水 (hydrophobic)** 氨基酸、α_1–β_2 界面某些亞單位 (subunit)** 接觸
  • 突變引入 α-螺旋段的脯氨酸 → 中斷 α-螺旋，導致 Hb 分子不穩定

三級結構

  • 蛋白摺疊定律 (protein folding law)（方向不甚明確）→ 珠蛋白三級結構 (tertiary structure)（見 Fig. 34.2）
  • 極性 (polar) 或帶電 (charged)** 氨基酸**：位於分子外部
  • 珠蛋白基團環 (heme pocket)：位於 E 和 F 螺旋間疏水 (hydrophobic) 壁龕 (pocket)**
  • 與珠蛋白基團相連：
    • 近端 (proximal, F8) 組氨酸 (histidine) 與 遠端 (distal, E7) 組氨酸
    • 多項非共價 (noncovalent)** 鍵形成於珠蛋白基團與周圍珠蛋白氨基酸殘基間

四級結構

  • 2 個 α-珠蛋白 + 2 個非 α-珠蛋白 具體結合形成 Hb 四聚體：
    • 分子量 ≈ 64,000 Da (Dalton)
    • 四級結構見 Fig. 34.4
  • 個別珠蛋白鏈的運動 + 珠蛋白鏈在含氧和脫氧期間相對彼此的運動 → Hb 作為呼吸 (respiratory)** 蛋白的獨特用處

珠蛋白折疊與組裝

  • 珠蛋白摺疊 (folding)** 和鏈二聚體 (dimer)** 及四聚體組裝：
    • 曾認為發生自發性
    • 現知伴隨分子伴侶蛋白 (molecular chaperone) → 協助摺疊和組裝（詳見第 7 章）

血紅蛋白功能

進化適應與變異

  • 進化已將不同物種 Hb 四聚體磨煉成分子變體，理想適應其任務
  • 人類 Hb：適應主要在海平面附近生活
    • 行為異於高海拔居住物種或居住缺氧環境物種的 Hb
  • 多種相同基本分子設計變體已進化
  • 分子進化必然性 → 所有動物（含人類）基因組中，多種不同珠蛋白基因的傳播嘗試
  • 所有變體共有高度可逆氧結合和細胞質高溶解度特性
  • Hb 功能知識 > 幾乎任何其他蛋白（該機制知識提供數十年許多研究者研究的完美且智力滿足的culmination）

氧解離曲線—協同性

  • Hb 氧解離曲線 (oxygen dissociation curve)（見 Fig. 34.3）：描述不同氧分張力下 Hb 的氧飽和百分比
  • 曲線乙狀結構：Hb 亞單位間相互作用的結果
  • 珠蛋白內通訊 = 珠蛋白基團-珠蛋白基團相互作用 (heme-heme interaction) 或 協同性 (cooperativity)
    • 四個珠蛋白基團不同時含氧或脫氧
    • 每個珠蛋白基團單位關於有無結合氧的狀態 → 影響其他珠蛋白基團的氧結合
  • 肌動球蛋白 (myoglobin)：
    • 珠蛋白基團結合蛋白，三級結構幾乎與珠蛋白相同
    • 肌肉中作單體 (monomer)** 存在
    • 氧平衡曲線 = 矩形雙曲線
    • 生理上：在低氧分張力快速完全飽和，隨著氧分張力高原維持飽和
  • Hb vs 肌動球蛋白之氧平衡曲線差異 = 四聚體性質和相似但不同亞單位相關協同性：
    • 肌動球蛋白：P_50 非常低（ = 低氧分張力時完全飽和 = 氧親和力極高）
    • 肌動球蛋白無法用於向組織運輸氧
    • 肌動球蛋白中氧傳遞至線粒體 (mitochondrium)（進行氧化代謝）
  • Hb 氧解離曲線的乙狀形狀 → 表示：
    • 完全脫氧 Hb 四聚體 → 含氧速度慢
    • 隨著含氧進行 → 珠蛋白基團與氧的反應加速
    • Perutz 比喻：「珠蛋白基團對氧的『胃口』隨著『進食』而增長」，反之亦然，珠蛋白基團失氧 → ↓ 其他珠蛋白基團的氧親和力
  • Hill 係數 (n) = 可從氧平衡曲線圖計算
    • 描述珠蛋白基團-珠蛋白基團相互作用或協同性
    • 解釋 Hb 與肌動球蛋白的部分氧結合特性
    • 肌動球蛋白：n = 1（無協同性）
    • 正常人類 HbA：n ≈ 3

異位調節因子—P_50 的影響

  • Hb 內 RBC 的氧親和力 ≠ 僅依賴四聚體內在特性
  • Hb 氧解離曲線位置 及 P_50 ← 許多異位調節因子 (allosteric regulator) 影響：
    • 溫度 (temperature)
    • pH
    • 細胞內小有機磷酸分子
    • 這些調節因子對 P_50 的效應見 Fig. 34.3

異位蛋白—2,3-BPG 的角色

  • Hb 是異位蛋白 (allosteric protein) 原型；結構與功能受其他分子影響
  • 2,3-BPG (2,3-bisphosphoglycerate)（雙磷酸甘油酸）：人類 RBC 內 Hb-氧親和力的主要細胞內調節劑
    • 醣解 (glycolysis) 中間產物
    • 在 RBC 內濃度 等莫爾於 Hb
    • 合成 酶調節
    • 濃度依進存在條件改變
  • 2,3-BPG 與 Hb 的相互作用：
    • 立體特異性 (stereospecific) 結合 = Hb 四聚體中心腔內
    • 無 2,3-BPG 製備的 Hb → 氧親和力非常高
    • 向 Hb 溶液加 2,3-BPG → 氧親和力進行性↓
    • 2,3-BPG = 多陰離子 (polyanionic) → 強結合於 Hb 脫氧形，弱結合於含氧或其他配體形
  • 2,3-BPG 結合的特定氨基酸：
    • β-鏈殘基：
      • N 端纈氨酸 (valine)
      • H21 組氨酸（位置 143）
      • EF6 賴氨酸 (lysine)（位置 82）
  • 含氧血紅蛋白中 → β-鏈 H 螺旋傳播不足 → 不允許 2,3-BPG 牢固結合
    • 此加上其他構象 (conformation)** 改變 → 偏向 2,3-BPG 與脫氧形而非含氧形相結合
  • 2,3-BPG 結合 → 穩定四聚體的緊張態 (tense, T) 結構 代價犧牲含氧血紅蛋白的放鬆態 (relaxed, R) 結構

脫氧/含氧轉變與 T/R 態

  • 脫氧 (tense, T) 到含氧 (relaxed, R) 態的轉變：
    • 伴隨 αβ 二聚體 (dimer) 沿 α_1–β_2 接觸區旋轉（見 Fig. 34.5）
    • T 結構 = 由鹽橋 (salt bridge) 穩定 → 分子轉換至 R 結構時被破壞
  • 氧親和力內在高或 P_50 低的異常 Hb：
    • 來自於氨基酸替換 → 喪失穩定四聚體於 T 構象 (conformation)** 之鍵

Bohr 效應與二氧化碳運輸

  • 氫離子 (hydrogen ion)、氯化物 (chloride) 和二氧化碳：都 ↓ Hb 對氧的親和力
    • 透過強化將分子鎖定於 T 構象之鹽橋
  • 質子 (proton) 對 Hb-氧親和力降低的推論：Hb 在脫氧時與質子結合
    • Bohr 效應 (Bohr effect) = 已知 = 血液中二氧化碳運輸的責成
    • 脫氧血紅蛋白 ↓ 與二氧化碳與水反應產生之氫離子結合 → ↑ 碳酸氫鹽 (bicarbonate)** 濃度
    • 肺內：Hb 結合氧 → 失去氫離子 → 二氧化碳離開溶液 → 透過肺排泄
    • 脫氧血紅蛋白也可直接結合二氧化碳，但此過程涉及 RBC 運輸的少數二氧化碳

胎兒 Hb (HbF) 與氧親和力

  • 高水準 Hb F 的 RBC：高氧親和力
    • 因為與 2,3-BPG 結合差
  • 生理預測：胎兒 Hb 應代價母體 HbA 而含氧
  • 高氧親和力成因 (HbF)：
    • 一級結構中單一變化
    • 螺旋位置 H21 中絲氨酸 (serine) 代替 β-珠蛋白鏈中發現的組氨酸
    • 此 → ↓ 2,3-BPG 結合，穩定分子於 R 態

一氧化氮 (nitric oxide, NO) 與血管張力

  • Hb 與 NO 的相互作用 = 近期調查重點
  • NO 產生：
    • 由 NO 合酶 (nitric oxide synthase) 從 l-精氨酸 (l-arginine)** 產生
    • 啟動可溶鳥苷酸環化酶 (soluble guanylate cyclase) → 產生第二信使環鳥苷一磷酸 (cyclic guanosine monophosphate, cGMP)
    • 有力血管擴張劑 (vasodilator) = 重要血管張力 (vascular tone) 調節劑
  • 自由 NO 與 RBC 相互作用：擴散受限
    • 通常：主要 NO-Hb 加合物 = 亞硝基 (nitrosyl) Hb (HbFe[II]NO)
  • RBC 內：
    • β93 半胱氨酸 (cysteine)** 被還原
    • 似乎無法進行 NO 儲存和傳遞（如原始提議的 S-亞硝基血紅蛋白）
  • 早期假說：
    • NO → 在肺形成 S-亞硝基血紅蛋白（Hb 於 R 或含氧態）
    • 在微迴圈釋放 NO（R → T 脫氧誘發的構象轉變釋放 NO）
  • 當前研究 → NO 與珠蛋白基團結合生理上為快速可逆過程
    • 支持不同於 β93 半胱氨酸脫離的 Hb NO 傳遞模式
    • 小亞硝基 (nitrosyl)** 硫醇分子可能也涉及 NO 轉移
    • 因此：Hb 的硫基 ← 可與小亞硝基硫醇交換 NO（由遊離半胱氨酸和麩胱甘肽 (glutathione)** 衍生）
    • Hb 硫基可結合和轉移 NO 或與小接駁分子交換 NO → ↑ 缺血組織灌注
  • 建議的機制：
    • 細胞骨架和其他 RBC 蛋白 → 減緩 NO 流入細胞，加上 NO 珠蛋白基團結合 → 保存 NO 生物活性
    • NO-Hb 相互作用（無論透過 β93 半胱氨酸 S-亞硝基血紅蛋白形成或亞硝基中間體形成）→ 可能生理上重要
  • 血紅蛋白從血管內溶血 (intravascular hemolysis) 的 RBC 釋放 → 快速失活 NO
    • RBC 裂解時：
      • 精氨酸酶 (arginase)** 也釋放 ↓ NO 合酶底物 (l-精氨酸)
    • 共同 → 生物活性 NO ↓
  • 乳酸脫氫酶 (lactate dehydrogenase) （也從溶血 RBC 釋放）：
    • 極好標誌 = 這些併發症
  • 溶血情況 (hemolytic condition)（如鐮刀形細胞病 (sickle cell disease)** 或地中海貧血 (thalassemia)**）：
    • NO 生物可利用性 (bioavailability)** ↓ → 與病併發症相關：
      • 肺高血壓 (pulmonary hypertension)
      • 腿潰瘍 (leg ulcer)
      • 陰莖異常勃起 (priapism)
      • 可能↑ 中風 (stroke)** 風險

概括

  • α-珠蛋白和非 α-珠蛋白鏈的一級氨基酸結構 → 決定必然的四級結構
    • 內居 Hb 作為呼吸 (respiratory)** 蛋白的能力
  • 協同性 (cooperativity) → 確保：
    • 肺部快速氧結合
    • 組織氧卸載
    • 類似地，二氧化碳從組織運輸至肺
  • Hb 的功能 ← 可受突變 (mutation) 和 異位效應物 (allosteric effector)（如質子和 2,3-BPG）影響
  • 分子本身改變形狀 當它為代謝提供氧 → 它是肺臟的微縮版，隨著身體呼吸而呼吸

See Also

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