生物化学 · 原理精讲 · 中英对照

第四章 蛋白质的生物学功能

《Lehninger 生物化学原理》第八版 — 第5章 蛋白质的功能

Lehninger Principles of Biochemistry, Eighth Edition — Chapter 5 Protein Function · David L. Nelson; Michael M. Cox · 121 段教材原文 · 22 幅插图
From the textbook

Knowing the three-dimensional structure of a protein is an important part of understanding protein function, and structural biology often offers insights into molecular interactions. However, the protein structures we have examined so far are deceptively static. Proteins function by interacting dynamically with — binding to — other molecules. We divide these interactions into two types. In some interactions, the result is a reaction that alters the chemical configuration or composition of a bound molecule, with the protein acting as a reaction catalyst, or enzyme; we discuss enzymes and their properties in Chapter 6. In other interactions, neither the chemical configuration nor the composition of the bound molecule is changed; such interactions are the subject of this chapter.

开篇导读

了解蛋白质的三维结构,是理解蛋白质功能的重要一环,结构生物学也常常为分子间的相互作用提供洞见。然而,我们迄今考察过的那些蛋白质结构只是貌似静止。蛋白质靠与其他分子动态地相互作用——也就是结合——来行使功能。我们把这类相互作用分为两类。在一类相互作用中,结果是发生一个反应,改变被结合分子的化学构型或化学组成,蛋白质充当反应催化剂,即酶;第6章讨论酶及其性质。在另一类相互作用中,被结合分子的化学构型和化学组成都不改变;本章讨论的正是这一类相互作用。

章首导言:蛋白质功能的六条基本原理(配体、结合位点、诱导契合)Chapter 5 Introduction: Six Key Principles of Protein Function

笔记 考点一:蛋白质功能的多样性
Original text

The functions of many proteins involve the reversible binding of other molecules. A molecule bound reversibly by a protein is called a ligand. A ligand may be any kind of molecule, including another protein. The transient nature of protein-ligand interactions is critical to life, allowing an organism to respond rapidly and reversibly to changing environmental and metabolic circumstances.

中文翻译

许多蛋白质的功能都涉及可逆地结合其他分子。被蛋白质可逆结合的分子称为配体(ligand)。配体可以是任何一类分子,也包括另一种蛋白质。蛋白质-配体相互作用具有瞬时性,这一点对生命至关重要,它让生物体能够对不断变化的环境条件和代谢状况作出迅速且可逆的响应。

§Chapter 5 引言(蛋白质功能的六条原理)· 教材 p. 615
Original text

A ligand binds a protein at a binding site that is complementary to the ligand in size, shape, charge, and hydrophobic or hydrophilic character. The interaction is specific: the protein can discriminate among the thousands of different molecules in its environment and selectively bind only one or a few types. A given protein may have separate binding sites for several different ligands.

中文翻译

配体在结合位点(binding site)上与蛋白质结合,这个位点在大小、形状、电荷以及疏水或亲水性质上都与配体互补。这种相互作用具有特异性:蛋白质能在周围环境成千上万种不同分子中加以辨别,只选择性地结合其中一种或少数几种。同一种蛋白质可以为几种不同配体分别设有独立的结合位点。

§Chapter 5 引言(蛋白质功能的六条原理)· 教材 p. 615
Original text

Proteins are flexible. Changes in conformation may be subtle, reflecting molecular vibrations and small movements of amino acid residues throughout the protein. Changes in conformation may also be more dramatic, with major segments of the protein structure moving as much as several nanometers. Specific conformational changes are frequently essential to a protein’s function.

中文翻译

蛋白质具有柔性。构象变化可以很细微,只反映分子振动以及整个蛋白质中氨基酸残基的小幅位移。构象变化也可以相当剧烈,蛋白质结构的大段区域移动可达几个纳米。特定的构象变化往往是蛋白质行使功能所必需。

§Chapter 5 引言(蛋白质功能的六条原理)· 教材 p. 616
Original text

The binding of a protein and a ligand is often coupled to a conformational change in the protein that makes the binding site more complementary to the ligand, permitting tighter binding. The structural adaptation that occurs between protein and ligand is called induced fit.

中文翻译

蛋白质与配体的结合常常与蛋白质的构象变化相偶联,这一构象变化使结合位点与配体更加互补,从而结合得更紧。蛋白质与配体之间发生的这种结构适应称为诱导契合(induced fit)。

§Chapter 5 引言(蛋白质功能的六条原理)· 教材 p. 616
原理解读

【六条原理的完整清单】教材把"通过可逆相互作用发挥功能的蛋白质"归纳为六条原理,上面四段引文覆盖前四条,剩下两条原文太短(分别只有 17 词和 8 词),不满足逐字引用的长度要求,这里直接讲清:第五条——在多亚基蛋白中,一个亚基的构象变化常常影响其他亚基的构象(原文:In a multisubunit protein, a conformational change in one subunit often affects the conformation of other subunits.);第六条——配体与蛋白质之间的相互作用可以被调节(原文:Interactions between ligands and proteins may be regulated.)。 【为什么这六条要背】本章后面讲的肌红蛋白与血红蛋白,正是逐条兑现这六条原理:血红素可逆结合 O2 兑现第一条;血红素口袋与远端 His 的互补兑现第二条;侧链快速摆动产生瞬时空腔("呼吸")兑现第三条;O2 结合引起血红素变平、F 螺旋位移兑现第四条;T→R 转变经 α1β2 界面传向其他亚基兑现第五条(这是协同性的结构基础);H+、CO2、BPG 对氧亲和力的调节兑现第六条。考研简答题"以血红蛋白为例说明蛋白质结构与功能的关系",答题骨架就是这六条。 【常见考法】名词解释:配体、结合位点、诱导契合。选择题常考"诱导契合=配体使蛋白质构象改变、结合位点与配体更互补",注意与刚性的"锁钥模型"区分。另外要记住:本章讨论的相互作用不改变被结合分子的化学构型和组成(这与第6章的酶促催化正好相反),且不包括水的非特异性结合。

术语对照
  • 配体ligand名词解释高频:被蛋白质可逆结合的分子,可以是小分子、离子,也可以是另一种蛋白质
  • 结合位点binding site在大小、形状、电荷、疏水/亲水性上与配体互补,决定结合的特异性
  • 诱导契合induced fit名词解释高频:结合引起构象变化,使位点与配体更互补、结合更紧
  • 辅基prosthetic group与蛋白质永久缔合并参与其功能的化合物,如血红素

氧可结合到血红素辅基上:铁的化学与防止 Fe2+ 氧化的三道保险Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group

笔记 考点一:蛋白质功能的多样性笔记 考点二:肌红蛋白:贮存氧
Original text

Myoglobin and hemoglobin may be the most-studied and bestunderstood proteins. They were the first proteins for which threedimensional structures were determined, and these two molecules illustrate almost every aspect of that critical biochemical process: the reversible binding of a ligand to a protein. This classic model of protein function tells us a great deal about how proteins work.

中文翻译

肌红蛋白和血红蛋白也许是研究得最多、了解得最透彻的蛋白质。它们是最早被测定出三维结构的蛋白质,而且这两个分子几乎展示了那一关键生化过程——配体与蛋白质可逆结合——的方方面面。这一经典的蛋白质功能模型,告诉我们大量关于蛋白质如何工作的知识。

§5.1 Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group · 教材 p. 618
Original text

Oxygen is poorly soluble in aqueous solutions (see Table 2-2) and cannot be carried to tissues in sufficient quantity if it is simply dissolved in blood serum. Also, diffusion of oxygen through tissues is ineffective over distances greater than a few millimeters. The evolution of larger, multicellular animals depended on the evolution of proteins that could transport and store oxygen. However, none of the amino acid side chains in proteins are suited for the reversible binding of oxygen molecules. This role is filled by certain transition metals, among them iron and copper, that have a strong tendency to bind oxygen. Multicellular organisms exploit the properties of metals, most commonly iron, for oxygen transport.

中文翻译

氧在水溶液中溶解度很低(见表2-2),若只是溶解在血清里,就无法以足够的量运送到组织。而且氧在组织中的扩散,一旦距离超过几毫米就不再有效。更大的多细胞动物之所以能演化出来,依赖于能够运输和贮存氧的蛋白质的演化。然而,蛋白质中没有任何一种氨基酸侧链适合可逆地结合氧分子。担当这一角色的是某些过渡金属,其中包括铁和铜,它们有很强的结合氧的倾向。多细胞生物正是利用金属(最常见的是铁)的这一性质来运输氧。

§5.1 Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group · 教材 p. 618
Original text

Iron used in cells is therefore bound in forms that sequester it and/or make it less reactive. In multicellular organisms, iron is often incorporated into a protein-bound prosthetic group called heme (or haem). (Recall from Chapter 3 that a prosthetic group is a compound permanently associated with a protein that contributes to the protein’s function.) Heme is found in many oxygen-transporting proteins, as well as in some proteins, such as the cytochromes, that participate in oxidationreduction (electron-transfer) reactions (Chapter 19).

中文翻译

因此细胞里使用的铁,都被结合成能把它隔离起来、和/或降低其反应性的形式。在多细胞生物中,铁常常被装配进一个与蛋白质结合的辅基(prosthetic group),这个辅基称为血红素(heme,亦写作 haem)。(回忆第3章:辅基是与蛋白质永久缔合、并对该蛋白质功能有贡献的化合物。)血红素存在于许多运氧蛋白中,也存在于一些参与氧化还原(电子传递)反应的蛋白中,例如细胞色素(第19章)。

§5.1 Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group · 教材 p. 619
Original text

Heme consists of a complex organic ring structure, protoporphyrin, to which is bound a single iron atom in its ferrous (Fe2+) state (Fig. 5-1). The iron atom has six coordination bonds: four to nitrogen atoms that are part of the flat porphyrin ring system, and two perpendicular to the porphyrin.

中文翻译

血红素由一个复杂的有机环状结构——原卟啉(protoporphyrin)——构成,其上结合一个处于亚铁(Fe2+)状态的铁原子(图5-1)。该铁原子有六个配位键:四个指向构成平面卟啉(porphyrin)环系的氮原子,另外两个垂直于卟啉环平面。

§5.1 Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group · 教材 p. 619
图5-1 血红素。血红素基团存在于肌红蛋白、血红蛋白以及许多其他蛋白质中,这些蛋白统称血红素蛋白。血红素由一个复杂的有机环状结构——原卟啉 IX——构成,其上结合一个处于亚铁(Fe2+)状态的铁原子。(a) 卟啉(原卟啉 IX 只是其中一例)由四个吡咯环通过次甲基桥连接而成,在标为 X 的一个或多个位置上带有取代基。
图注 · 图5-1 血红素。血红素基团存在于肌红蛋白、血红蛋白以及许多其他蛋白质中,这些蛋白统称血红素蛋白。血红素由一个复杂的有机环状结构——原卟啉 IX——构成,其上结合一个处于亚铁(Fe2+)状态的铁原子。(a) 卟啉(原卟啉 IX 只是其中一例)由四个吡咯环通过次甲基桥连接而成,在标为 X 的一个或多个位置上带有取代基。
Caption · FIGURE 5-1 Heme. The heme group is present in myoglobin, hemoglobin, and many other proteins, designated heme proteins. Heme consists of a complex organic ring structure, protoporphyrin IX, with a bound iron atom in its ferrous (Fe2+) state. (a) Porphyrins, of which protoporphyrin IX is just one example, consist of four pyrrole rings linked by methene bridges, with substitutions at one or more of the positions denoted X.
怎么看 · 先用 (a) 记住卟啉=4 个吡咯环由次甲基桥连成的共轭大环,X 处取代基不同就得到不同卟啉(原卟啉 IX 带 4 甲基、2 乙烯基、2 丙酸基)。真正的考点在 (b)(d):Fe²⁺ 共 6 个配位键,4 个在卟啉平面内与吡咯 N 结合,第 5 位垂直向下接近端组氨酸 His F8,第 6 位垂直向上留给 O₂——这是简答题「血红素结构与载氧机制」的标准答题骨架。
讲解 · 看图抓三点:①四个吡咯环+四个次甲基桥=卟啉母核,再加上特定取代基(甲基、乙烯基、丙酸基)才叫原卟啉 IX;②中心铁必须是 Fe2+(亚铁),Fe3+ 的高铁血红素不结合 O2;③六配位:四个在卟啉平面内配位于氮,两个垂直于平面,一个被近端 His 占据,另一个留给 O2。考试常问"血红素铁有几个配位键、分别配位什么",按这三点作答即可。
图内标注中英对照 · 19 条
English中文
(a)(a) 分图 a——卟啉环的通式骨架
XX(取代基位点,共 8 处;不同卟啉在此换上不同基团)
NN(吡咯环氮原子)
NHNH(未去质子的吡咯环 N—H)
HNHN(未去质子的吡咯环 N—H)
(b)(b) 分图 b——原卟啉 IX 与铁配位的平面结构式(即血红素)
O⁻O⁻(丙酸侧链羧基的负氧)
OO(丙酸侧链羧基氧)
CC(碳原子,含羧基碳与吡咯环碳)
CH₂CH₂(亚甲基;见于 2 条丙酸侧链与 2 个乙烯基末端)
CH₃CH₃(甲基取代基,共 4 个)
CHCH(次甲基桥碳/乙烯基的次甲基碳)
HCHC(次甲基桥碳,连接相邻吡咯环)
HH(次甲基桥碳上的氢)
NN(4 个吡咯氮,位于卟啉平面内与 Fe 配位)
FeFe(血红素中心的亚铁离子 Fe²⁺;红色箭头示 4 个平面内配位键)
(c)(c) 分图 c——血红素的空间填充模型(灰=C,白=H,红=O,橙=Fe,蓝=N)
(d)(d) 分图 d——铁的第 5、6 配位键,垂直于卟啉平面(上下各一)
FeFe(分图 d 中位于卟啉平面中心的铁原子)
Original text

Iron in the Fe2+ state binds oxygen reversibly; in the Fe3+ state it does not bind oxygen. The structure of heme and the globins to which it is bound represents an evolutionary adaptation to prevent Fe2+ oxidation. Free heme molecules (heme not bound to protein) leave Fe2+ with two “open” coordination bonds. Simultaneous reaction of one O2 molecule with two free heme molecules (or two free Fe2+) can result in irreversible conversion of Fe2+ to Fe3+. The coordinated nitrogen atoms (which have an electron-donating character) help prevent conversion of the heme iron to the ferric (Fe3+) state. In hemecontaining proteins, this reaction is further prevented by sequestering each heme deep within the protein structure. Thus, access to the two open coordination bonds is restricted. In the globins that will shortly become the focus of our narrative, one of these two coordination bonds is occupied by a side-chain nitrogen of a highly conserved His residue referred to as the proximal His.

中文翻译

处于 Fe2+ 状态的铁可逆地结合氧;处于 Fe3+ 状态时则不结合氧。血红素以及与之结合的珠蛋白,其结构代表了一种防止 Fe2+ 被氧化的演化适应。游离血红素分子(未与蛋白质结合的血红素)让 Fe2+ 留下两个"开放的"配位键。一个 O2 分子同时与两个游离血红素分子(或两个游离 Fe2+)反应,可使 Fe2+ 不可逆地转变为 Fe3+。配位的氮原子(具有给电子性质)有助于阻止血红素铁转变为高铁(Fe3+)状态。在含血红素的蛋白质中,每个血红素被深埋进蛋白质结构内部,从而进一步阻止了这一反应。这样,通向那两个开放配位键的通路就受到限制。在马上要成为我们叙述重点的珠蛋白中,这两个配位键之一被一个高度保守 His 残基的侧链氮占据,该残基称为近端 His(proximal His)。

§5.1 Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group · 教材 p. 620
Original text

The other is the binding site for molecular oxygen (O2) (Fig. 5-2). When oxygen binds, the electronic properties of heme iron change; this accounts for the change in color from the dark purple of oxygen-depleted venous blood to the bright red of oxygen-rich arterial blood. Some small molecules, such as carbon monoxide (CO) and nitric oxide (NO), coordinate to heme iron with greater affinity than does O2.

中文翻译

另一个配位键则是分子氧(O2)的结合位点(图5-2)。氧一旦结合,血红素铁的电子性质就发生改变;这就解释了血液颜色为何会从缺氧静脉血的暗紫色变成富氧动脉血的鲜红色。有些小分子,例如一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO),与血红素铁配位的亲和力比 O2 还高。

§5.1 Oxygen Can Bind to a Heme Prosthetic Group · 教材 p. 620
原理解读

【原理主线】为什么运氧非要用"铁+卟啉",不能直接用氨基酸侧链?因为二十种标准氨基酸的侧链都不能可逆地结合 O2,只有过渡金属(Fe、Cu)有这个本事。但游离铁会促进羟自由基等高活性氧的生成,损伤 DNA 和其他大分子,所以细胞必须把铁"锁"起来——这就是血红素辅基存在的理由:既保留铁结合 O2 的能力,又压住它的自由基化学。 【防止 Fe2+ 被氧化的三道保险】①卟啉四个配位氮具有给电子性,稳定 Fe2+;②血红素被深埋在蛋白质内部,两个"开放"配位键的通路受限,避免两个血红素桥连同一个 O2(那会把 Fe2+ 不可逆氧化成 Fe3+);③其中一个轴向配位键被近端 His(His F8)占死,只剩另一侧留给 O2。这三条正是简答题"珠蛋白如何防止血红素铁被氧化"的标准答案。 【易错点】1)Fe2+ 结合 O2 之后并不真的被氧化成 Fe3+,仍是可逆结合,只是形成部分极化的 Fe—O2 复合物;一旦真被氧化成 Fe3+,就成了高铁血红蛋白(正铁血红蛋白,methemoglobin),完全丧失携氧能力。2)血液颜色变化的本质是血红素铁的电子性质改变,不是"氧本身有颜色"。3)CO 与 NO 对血红素铁的亲和力都高于 O2,这是 CO 中毒的化学基础(见 BOX 5-1);蛋白质包裹血红素的作用之一,正是控制小分子接近血红素铁的通路。 【与图5-2 的联系】教材图5-2 从侧面看血红素:两个垂直于卟啉环的配位键,一个是近端 His(肌红蛋白中为 His93,即 His F8,α 螺旋 F 的第 8 个残基),另一个是氧结合位点。这句原文被分页和小节标题打断,无法逐字引用,故在此说明。

术语对照
  • 血红素heme原卟啉 IX +一个 Fe2+;名词解释高频
  • 卟啉porphyrin四个吡咯环经次甲基桥连成的平面大环
  • 原卟啉 IXprotoporphyrin IX血红素中具体的卟啉种类
  • 近端组氨酸proximal His (His F8)占据血红素铁第五配位键,肌红蛋白中为 His93
  • 配位键coordination bond血红素铁共六个:四个在卟啉平面内,两个垂直于平面
  • 高铁血红蛋白methemoglobin血红素铁被氧化为 Fe3+,不能结合 O2;理解 Fe2+ 必要性的反例

珠蛋白家族与肌红蛋白:珠蛋白折叠、单一氧结合位点与螺旋编号法Globins Are a Family of Oxygen-Binding Proteins / Myoglobin Has a Single Binding Site for Oxygen

笔记 考点二:肌红蛋白:贮存氧
Original text

The globins are a widespread family of proteins. Globins are commonly found in eukaryotes of all classes, as well as in archaea and bacteria. All evolved from a common ancestral protein. Their tertiary structure is highly conserved, made up of eight α-helical segments connected by bends. This folding pattern, illustrated by myoglobin (Fig. 5-3), constitutes a structural motif known as the globin fold. The primary amino acid sequence of globins is less conserved, well reflecting both the ancient origins of this protein family and the evolutionary relatedness of species from which globin comparisons might be made.

中文翻译

珠蛋白(globin)是一个分布极广的蛋白质家族。各类真核生物中普遍存在珠蛋白,古菌和细菌中也有。它们全都由同一个共同祖先蛋白演化而来。珠蛋白的三级结构高度保守,由八段 α 螺旋通过转角连接构成。这种折叠方式以肌红蛋白为代表(图5-3),构成一种称为珠蛋白折叠(globin fold)的结构基序。珠蛋白的一级氨基酸序列保守性则差得多,这既反映了该蛋白家族的古老起源,也反映了可供比较珠蛋白的各物种之间的演化亲缘关系。

§5.1 Globins Are a Family of Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 622
图5-3 肌红蛋白。八段 α 螺旋(此处画成圆柱)依次标为 A 到 H。连接它们的转角中的非螺旋残基标为 AB、CD、EF 等,表示它们所连接的两段螺旋。有几个转角(包括 BC 和 DE)非常急促,不含任何残基;这些有时不加标注。血红素结合在一个主要由 E 螺旋和 F 螺旋构成的口袋中,不过蛋白质其他区段的氨基酸残基也参与其中。[数据来自 PDB ID 1MBO,S. E. Phillips, J. Mol. Biol. 142:531, 1980.]
图注 · 图5-3 肌红蛋白。八段 α 螺旋(此处画成圆柱)依次标为 A 到 H。连接它们的转角中的非螺旋残基标为 AB、CD、EF 等,表示它们所连接的两段螺旋。有几个转角(包括 BC 和 DE)非常急促,不含任何残基;这些有时不加标注。血红素结合在一个主要由 E 螺旋和 F 螺旋构成的口袋中,不过蛋白质其他区段的氨基酸残基也参与其中。[数据来自 PDB ID 1MBO,S. E. Phillips, J. Mol. Biol. 142:531, 1980.]
Caption · FIGURE 5-3 Myoglobin. The eight α-helical segments (shown here as cylinders) are labeled A through H. Nonhelical residues in the bends that connect them are labeled AB, CD, EF, and so forth, indicating the segments they interconnect. A few bends, including BC and DE, are abrupt and do not contain any residues; these are sometimes not labeled. The heme is bound in a pocket made up largely of the E and F helices, although amino acid residues from other segments of the protein also participate. [Data from PDB ID 1MBO, S. E. Phillips, J. Mol. Biol. 142:531, 1980.]
怎么看 · 圆柱=8 段 α 螺旋,按 A~H 编号;两字母(AB、CD、EF、FG、GH)是连接相邻螺旋的非螺旋转角,BC、DE 因过于急促可不含残基。考研重点是记住血红素夹在 E、F 螺旋之间的疏水口袋里,近端 His F8(His93)与 Fe 配位、远端 His E7(His64)不配位但压弯 O2 结合角度——这是第 5 章后续所有氧结合讨论的结构基础。
讲解 · 这是"珠蛋白折叠"的标准图。记忆要点:八段螺旋 A–H,属全 α 类;血红素口袋主要由 E、F 两段螺旋围成——F 螺旋上有近端 His F8,E 螺旋上有远端 His E7。把这两个 His 的位置记牢,后面讲 O2 与 CO 的选择性结合、以及 T→R 转变时 F 螺旋的位移,都要用到。
图内标注中英对照 · 18 条
English中文
Carboxyl terminus羧基末端(C 端)
FGFG 转角(连接 F、G 螺旋的非螺旋区)
CC 螺旋
CDCD 转角
DD 螺旋
BB 螺旋
HH 螺旋
His93 (His F8; proximal His)His93(His F8;近端组氨酸——与血红素 Fe 直接配位)
GG 螺旋
DEDE 转角(急转弯,不含残基)
FF 螺旋
His64 (His E7; distal His)His64(His E7;远端组氨酸——位于血红素另一侧,不直接配位)
Amino terminus氨基末端(N 端)
EE 螺旋
GHGH 转角
ABAB 转角
EFEF 转角
AA 螺旋
Original text

Most globins function in oxygen transport or storage, although some play a role in the sensing of oxygen, nitric oxide, or carbon monoxide. The simple nematode worm Caenorhabditis elegans has genes encoding 33 different globins. In humans and other mammals, there are at least four kinds of globins. The monomeric myoglobin facilitates oxygen diffusion in muscle tissue.

中文翻译

多数珠蛋白执行运氧或贮氧功能,不过也有一些参与感受氧、一氧化氮或一氧化碳。结构简单的线虫——秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)——拥有编码 33 种不同珠蛋白的基因。人和其他哺乳动物至少有四类珠蛋白。单体的肌红蛋白促进氧在肌组织中的扩散。

§5.1 Globins Are a Family of Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 623
Original text

The tetrameric hemoglobin is responsible for oxygen transport in the bloodstream. The monomeric neuroglobin is expressed largely in neurons and helps to protect the brain from hypoxia (low oxygen) or ischemia (restricted blood supply). Cytoglobin, another monomeric globin, is found at high concentrations in the walls of blood vessels, where it functions to regulate levels of nitric oxide, a localized signal for muscle relaxation (see Box 12-2).

中文翻译

四聚体的血红蛋白负责在血流中运输氧。单体的脑红蛋白(neuroglobin)主要在神经元中表达,帮助保护脑免受低氧(缺氧)或缺血(血供受限)的损伤。另一种单体珠蛋白胞红蛋白(cytoglobin)在血管壁中浓度很高,在那里调节一氧化氮水平——一氧化氮是引起肌肉舒张的局部信号(见框12-2)。

§5.1 Globins Are a Family of Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 624
Original text

Any detailed discussion of protein function inevitably involves protein structure. Myoglobin (Mr 16,700; abbreviated Mb) is a single polypeptide of 153 amino acid residues with one molecule of heme (Fig. 5-3). About 78% of the amino acid residues in the protein are found in the eight α helices typical of the globin fold, named A through H.

中文翻译

任何关于蛋白质功能的详细讨论,都不可避免地要涉及蛋白质结构。肌红蛋白(Mr 16,700;缩写 Mb)是一条含 153 个氨基酸残基的单一多肽链,带一分子血红素(图5-3)。该蛋白约 78% 的氨基酸残基位于珠蛋白折叠所特有的那八段 α 螺旋中,这八段螺旋依次命名为 A 到 H。

§5.1 Myoglobin Has a Single Binding Site for Oxygen · 教材 p. 624
Original text

An individual amino acid residue is designated either by its position in the amino acid sequence or by its location in the sequence of a particular α-helical segment. For example, the His residue coordinated to the heme in myoglobin — the proximal His — is His93 (the ninety-third residue from the amino-terminal end of the myoglobin polypeptide sequence) and is also called His F8 (the eighth residue in α helix F).

中文翻译

单个氨基酸残基的标示方式有两种:或按它在氨基酸序列中的位置,或按它在某一段 α 螺旋序列中的位置。例如,肌红蛋白中与血红素配位的那个 His 残基——近端 His——是 His93(从肌红蛋白多肽序列氨基端数起的第 93 个残基),也叫 His F8(α 螺旋 F 中的第 8 个残基)。

§5.1 Myoglobin Has a Single Binding Site for Oxygen · 教材 p. 624
原理解读

【珠蛋白家族要背的四位成员】人和哺乳动物至少四类珠蛋白:①肌红蛋白(Mb,单体)——促进 O2 在肌肉中扩散;在海豹、鲸等潜水海洋哺乳动物的肌肉中特别丰富,在那里还兼作长时间潜水的贮氧库(这一句在教材中被分页打断,无法逐字引用,故在此讲述);②血红蛋白(Hb,四聚体)——在血流中运氧;③脑红蛋白(neuroglobin,单体)——主要在神经元表达,保护脑抵御低氧与缺血;④胞红蛋白(cytoglobin,单体)——高浓度存在于血管壁,调节 NO 水平。 【结构保守 vs 序列保守】这是本节最容易出简答题的地方:珠蛋白家族三级结构高度保守(都是珠蛋白折叠,八段 α 螺旋),但一级序列保守性差得多。结论:结构比序列更保守——序列可以变,只要折叠不变,功能就能保住。这一条要与后面"Mb、Hbα、Hbβ 三者只有 27 个残基完全相同、三维结构却极为相似"对照记忆。 【肌红蛋白数据表(背下来)】Mr 16,700;153 个氨基酸残基;1 分子血红素;1 个氧结合位点;约 78% 残基处在 α 螺旋中;八段螺旋 A–H;转角标 AB、CD、EF、FG、GH。 【螺旋编号法】"His93 = His F8"是必考点:前者是线性序列编号,后者是螺旋位置编号。珠蛋白之间比较时用螺旋编号更有意义——远端 His 在 Mb、Hbα、Hbβ 中都是 His E7,但线性编号分别是 His64、His58、His63。若问"为什么要用 E7、F8 这种编号",答:便于在序列已经分歧的同源珠蛋白之间对应功能等价的残基位置。 【功能对照】肌红蛋白只有一个氧结合位点 → 结合曲线只能是双曲线型 → 对氧浓度的小变化不敏感 → 适合贮氧;血红蛋白有四个位点、亚基间能通讯 → S 形曲线 → 对氧浓度的小变化高度敏感 → 适合运氧。这条对照贯穿整个 §5.1,必须张口就来。

术语对照
  • 珠蛋白globin含血红素的运氧/贮氧蛋白家族,同源演化自共同祖先
  • 珠蛋白折叠globin fold八段 α 螺旋经转角连接的全 α 型结构基序,高度保守
  • 肌红蛋白myoglobin (Mb)Mr 16,700,153 残基,单体单血红素,肌肉贮氧;名词解释高频
  • 脑红蛋白neuroglobin神经元表达,抗低氧/缺血
  • 胞红蛋白cytoglobin血管壁高浓度,调节 NO 水平
  • 远端组氨酸distal His (His E7)位于 E 螺旋,与结合的 O2 形成氢键;Mb 中为 His64

配体结合的定量描述(一):缔合常数 Ka、速率常数与饱和度 YProtein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively (Ka, rate constants, and the fraction Y)

笔记 考点二:肌红蛋白:贮存氧
Original text

The function of myoglobin depends on the protein’s ability not only to bind oxygen but also to release it when and where it is needed. Function in biochemistry often revolves around a reversible protein-ligand interaction of this type. A quantitative description of this interaction is a central part of many biochemical investigations.

中文翻译

肌红蛋白的功能不仅取决于它能结合氧,还取决于它能在需要的时间、需要的地点把氧释放出来。生物化学中的功能,往往就围绕这种可逆的蛋白质-配体相互作用展开。对这种相互作用作定量描述,是许多生化研究的核心内容。

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 625
Original text

where ka and kd are rate constants (more on these below). The term Ka is an association constant (not to be confused with the Ka that denotes an acid dissociation constant; p. 57) that describes the equilibrium between the complex and the unbound components of the complex. The association constant provides a measure of the affinity of the ligand L for the protein. Ka has units of M−1; a higher value of Ka corresponds to a higher affinity of the ligand for the protein.

中文翻译

式中 ka 和 kd 是速率常数(下面还会细说)。Ka 一项是缔合常数(不要与表示酸解离常数的 Ka 混淆,见 p. 57),它描述复合物与其未结合组分之间的平衡。缔合常数衡量配体 L 对蛋白质的亲和力。Ka 的单位是 M−1;Ka 的数值越大,配体对蛋白质的亲和力越高。

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 626
Original text

The equilibrium term Ka is also equivalent to the ratio of the rates of the forward (association) and reverse (dissociation) reactions that form the PL complex. The association rate is described by the rate constant ka, and dissociation is described by the rate constant kd. As discussed further in the next chapter, rate constants are proportionality constants, describing the fraction of a pool of reactant that reacts in a given amount of time. When the reaction involves one molecule, such as the dissociation reaction PL → P + L, the reaction is first order and the rate constant (kd) has units of reciprocal time (s−1). When the reaction involves two molecules, such as the association reaction P + L → PL, it is called second order, and its rate constant (ka) has units of M−1 s−1.

中文翻译

平衡项 Ka 还等于生成 PL 复合物的正向(缔合)反应速率与逆向(解离)反应速率之比。缔合速率由速率常数 ka 描述,解离速率由速率常数 kd 描述。下一章还会进一步讨论:速率常数是比例常数,描述在给定时间内反应物库中发生反应的那一部分所占比例。当反应只涉及一个分子时,例如解离反应 PL → P + L,该反应是一级反应,速率常数(kd)的单位是时间的倒数(s−1)。当反应涉及两个分子时,例如缔合反应 P + L → PL,该反应称为二级反应,其速率常数(ka)的单位是 M−1 s−1。

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 626
原理解读

【KEY CONVENTION(关键约定)】原文只有一句、17 词,达不到逐字引用的长度门槛,故在此写明:"平衡常数用大写 K 表示,速率常数用小写 k 表示"(Equilibrium constants are denoted with a capital K and rate constants are denoted with a lowercase k.)。这条约定看着琐碎,却是判断题的常客:Ka(缔合常数)、Kd(解离常数)是平衡常数,用大写;ka(缔合速率常数)、kd(解离速率常数)是速率常数,用小写。 【三条式子的来龙去脉】①式5-1:P + L ⇌ PL;②式5-2:Ka = [PL]/([P][L]) = ka/kd,单位 M−1,数值越大亲和力越高;③式5-3:把式5-2 变形得 [PL]/[P] = Ka[L],即"结合态与游离态蛋白之比,与游离配体浓度成正比"(这一句原文只有 27 词,不够引用长度,故在此说明)。 【一个关键前提】推导中默认 [L] ≫ 结合位点浓度,因此结合几乎不改变游离配体浓度,[L] 可视为常数。细胞内大多数蛋白-配体体系都满足这个条件,正是它让结合平衡的处理大为简化。考试若给出"蛋白浓度远高于配体浓度"的情境,上述简化就不成立,这是常见的陷阱设问。

Original text

When the concentration of the ligand is much greater than the concentration of ligand-binding sites, the binding of the ligand by the protein does not appreciably change the concentration of free (unbound) ligand — that is, [L] remains constant. This condition is broadly applicable to most ligands that bind to proteins in cells, and it simplifies our description of the binding equilibrium.

中文翻译

当配体浓度远大于配体结合位点浓度时,蛋白质对配体的结合不会明显改变游离(未结合)配体的浓度——也就是说,[L] 保持恒定。这一条件对细胞内大多数与蛋白质结合的配体都广泛适用,它也使我们对结合平衡的描述得以简化。

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 627
Original text

The value of Ka can be determined from a plot of Y versus the concentration of free ligand, [L] (Fig. 5-4a). Any equation of the form x = y/(y + z) describes a hyperbola, and Y is thus found to be a hyperbolic function of [L]. The fraction of ligand-binding sites occupied approaches saturation asymptotically as [L] increases. The [L] at which half of the available ligand-binding sites are occupied (that is, Y = 0.5) corresponds to 1/Ka.

中文翻译

把 Y 对游离配体浓度 [L] 作图,即可求出 Ka 的数值(图5-4a)。任何形如 x = y/(y + z) 的方程都描述一条双曲线,因此可知 Y 是 [L] 的双曲线型函数。随 [L] 升高,被占据的配体结合位点分数以渐近方式趋近饱和。使可利用的配体结合位点恰好被占据一半(即 Y = 0.5)时的 [L],等于 1/Ka。

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 628
图5-4 配体结合的图示。纵轴为被占据的配体结合位点分数 Y,横轴为游离配体浓度。两条曲线都是直角双曲线。(a) 某配体 L 的假想结合曲线。使可利用的配体结合位点被占据一半时的 [L],等于 1/Ka,也就是 Kd。该曲线在 Y = 1 处有一条水平渐近线,在 [L] = −1/Ka 处有一条垂直渐近线(图中未画出)。(b) 描述氧与肌红蛋白结合的曲线。溶液上方空气中 O2 的分压以千帕(kPa)表示。氧与肌红蛋白结合得很紧,P50 仅为 0.26 kPa。
图注 · 图5-4 配体结合的图示。纵轴为被占据的配体结合位点分数 Y,横轴为游离配体浓度。两条曲线都是直角双曲线。(a) 某配体 L 的假想结合曲线。使可利用的配体结合位点被占据一半时的 [L],等于 1/Ka,也就是 Kd。该曲线在 Y = 1 处有一条水平渐近线,在 [L] = −1/Ka 处有一条垂直渐近线(图中未画出)。(b) 描述氧与肌红蛋白结合的曲线。溶液上方空气中 O2 的分压以千帕(kPa)表示。氧与肌红蛋白结合得很紧,P50 仅为 0.26 kPa。
Caption · FIGURE 5-4 Graphical representations of ligand binding. The fraction of ligand-binding sites occupied, Y, is plotted against the concentration of free ligand. Both curves are rectangular hyperbolas. (a) A hypothetical binding curve for a ligand L. The [L] at which half of the available ligand-binding sites are occupied is equivalent to 1/Ka, or Kd. The curve has a horizontal asymptote at Y = 1 and a vertical asymptote (not shown) at [L] =−1/Ka. (b) A curve describing the binding of oxygen to myoglobin. The partial pressure of O2 in the air above the solution is expressed in kilopascals (kPa). Oxygen binds tightly to myoglobin, with a P50 of only 0.26 kPa.
怎么看 · 两图都是直角双曲线,横轴换成 pO2 后 Kd 就写作 P50——务必理解「Kd = 1/Ka,Kd 越小亲和力越高」。考研常考对比点:本图是单一结合位点的双曲线(肌红蛋白),与后面血红蛋白的 S 形(协同性)曲线形成对照,判断题常拿「肌红蛋白曲线为 S 形」设错。
讲解 · 这张图是"双曲线型结合曲线"的原型,必须与后面图5-12 的 S 形曲线成对记忆。三个读图要点:①曲线在 Y = 1 处渐近饱和,永远达不到完全饱和;②Y = 0.5 对应的横坐标就是 Kd(等于 1/Ka),这是从图上读 Kd 的唯一方法;③肌红蛋白 P50 = 0.26 kPa,远低于组织中的 pO2(约 4 kPa),说明 Mb 在生理条件下几乎完全饱和、不肯放氧——这正是它只能贮氧、不能运氧的定量依据。
图内标注中英对照 · 19 条
English中文
1.01.0(纵轴 Y 的上限刻度)
Y = [L] / ([L] + Kd)Y = [L] /([L] + Kd)(结合位点被占据分数的公式)
YY(配体结合位点被占据的分数)
0.50.5(半饱和刻度)
00(原点刻度)
KdKd(解离常数,此处对应 Y = 0.5 时的游离配体浓度)
55(横轴刻度)
1010(横轴刻度)
(a)(a)
[L] (arbitrary units)[L](游离配体浓度,任意单位)
1.01.0(下图纵轴上限刻度)
YY(氧结合位点被占据的分数,即氧饱和度)
0.50.5
00
P50P50(使 Y = 0.5 的氧分压;肌红蛋白仅 0.26 kPa)
55(横轴刻度)
1010(横轴刻度)
(b)(b)
pO2 (kPa)pO2(氧分压,单位 kPa)
Original text

It is more common (and intuitively simpler), however, to consider the dissociation constant, Kd, which is the reciprocal of Ka (Kd = 1/Ka) and has units of molar concentration (M). Kd is the equilibrium constant for the release of ligand. The relevant expressions change to

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不过,更常用(直觉上也更简单)的做法是考虑解离常数 Kd,它是 Ka 的倒数(Kd = 1/Ka),单位为摩尔浓度(M)。Kd 是配体释放反应的平衡常数。相应的表达式改写为

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 630
原理解读

【Y(饱和度 θ)的推导,一步不能少】①定义:Y = 被占据的结合位点 / 总结合位点 = [PL]/([PL] + [P])(式5-4);②把式5-3 的 [PL] = Ka[L][P] 代入并整理,得 Y = Ka[L]/(Ka[L] + 1) = [L]/([L] + 1/Ka)(式5-5);③改用 Kd = 1/Ka,得到最常用的形式 Y = [L]/([L] + Kd)(式5-8),同时 [PL] = [P][L]/Kd(式5-7)、Kd = [P][L]/[PL] = kd/ka(式5-6)。 【为什么一定是双曲线】x = y/(y + z) 型方程恒为双曲线,所以单一结合位点的蛋白(如肌红蛋白)的结合曲线必定是双曲线型,永远不可能是 S 形。这是判断"某蛋白是否有协同性"的第一眼判据。 【Kd 与 Ka 的换算与方向感(极易记反)】Kd = 1/Ka;Ka 越大 → 亲和力越高;Kd 越小 → 亲和力越高。Kd 的物理含义:使一半结合位点被占据时的配体摩尔浓度,此时蛋白达到"半饱和"。实际工作中几乎都用 Kd 而不用 Ka 来表示亲和力。 【常见计算题模板】已知 Kd 求达到某饱和度所需 [L]:由 Y = [L]/([L] + Kd) 解出 [L] = Y·Kd/(1 − Y)。代入 Y = 0.5 得 [L] = Kd;Y = 0.9 得 [L] = 9Kd(即要占满 90% 的位点,配体浓度必须是 Kd 的 9 倍)。这两个数字直接背下来。

术语对照
  • 缔合常数association constant (Ka)Ka = [PL]/([P][L]) = ka/kd,单位 M−1,越大亲和力越高
  • 解离常数dissociation constant (Kd)Kd = 1/Ka,单位 M;等于半饱和时的配体浓度;越小亲和力越高。名词解释高频
  • 饱和度fractional saturation (Y, θ)被占据的结合位点占总位点的分数;Y = [L]/([L] + Kd)
  • 双曲线型结合曲线hyperbolic binding curve单一结合位点、无协同性的标志
  • 半饱和half-saturationY = 0.5,此时 [L] = Kd

配体结合的定量描述(二):Kd 的实际含义、两个例题与用 pO2、P50 表述氧结合Kd in Practice, WORKED EXAMPLE 5-1 and 5-2, and Oxygen Binding Expressed by pO2 and P50

笔记 考点二:肌红蛋白:贮存氧
Original text

The mathematics can be reduced to simple statements: Kd is equivalent to the molar concentration of ligand at which half of the available ligand-binding sites are occupied. At this point, the protein is said to have reached half-saturation with respect to ligand binding. The more tightly a protein binds a ligand, the lower the concentration of ligand required for half the binding sites to be occupied, and thus the lower the value of Kd. Some representative dissociation constants are given in Table 5-1; the scale shows typical ranges for dissociation constants found in biological systems.

中文翻译

这套数学可以归结为几句简单的话:Kd 等于使可利用的配体结合位点被占据一半时的配体摩尔浓度。此时称蛋白质在配体结合方面达到了半饱和。蛋白质结合配体越紧,占满一半结合位点所需的配体浓度就越低,Kd 的数值也就越小。表5-1 给出了一些有代表性的解离常数;表中的标尺显示了生物体系中解离常数的典型范围。

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 631
Original text

A reported dissociation constant is valid only for the particular solution conditions under which it was measured. Kd values for a protein-ligand interaction can be altered, sometimes by several orders of magnitude, by changes in the solution’s salt concentration, pH, or other variables.

中文翻译

一个报道出来的解离常数,只在测定它时所用的那一特定溶液条件下才成立。改变溶液的盐浓度、pH 或其他变量,都可以改变某个蛋白质-配体相互作用的 Kd 值,有时可改变好几个数量级。

§5.1 表5-1 脚注 a(Protein Dissociation Constants: Some Examples and Range)· 教材 p. 632
原理解读

【表5-1 要记的数量级】亲和素(avidin,蛋清)—生物素 Kd ≈ 1 × 10−15 M(紧到可视为不可逆,这正是生物素-亲和素系统被广泛用于亲和纯化和检测的原因);胰岛素受体—胰岛素 ≈ 1 × 10−10 M;抗 HIV 免疫球蛋白—gp41 ≈ 4 × 10−10 M;镍结合蛋白(大肠杆菌)—Ni2+ ≈ 1 × 10−7 M;钙调蛋白—Ca2+ 从 3 × 10−6 M 到 2 × 10−5 M(钙调蛋白有四个钙结合位点,这两个数字分别是同一组测定中亲和力最高和最低的位点)。 【读表的两个考点】①Kd 越小亲和力越高——亲和素-生物素是全表最小的 Kd,也是最紧的结合;②同一个蛋白的多个位点可以有不同 Kd(钙调蛋白就是例子),这是"位点非等价"的直接证据。③序列特异性的蛋白-DNA 相互作用,指蛋白结合到 DNA 上某一特定核苷酸序列,与它对任意 DNA 位点的一般性结合要区分开。

Original text

We can determine the dissociation constants by inspecting the graph. Because Y represents the fraction of binding sites occupied by ligand, the concentration of ligand at which half the binding sites are occupied — that is, the point where the binding curve crosses the line where Y = 0.5 — is the dissociation constant. For A, Kd = 2μM; for B, Kd = 6μM. Because A is half-saturated at a lower [L], it has a higher affinity for the ligand.

中文翻译

我们可以通过观察图形来确定解离常数。因为 Y 代表被配体占据的结合位点分数,所以使一半结合位点被占据时的配体浓度——也就是结合曲线与 Y = 0.5 那条线相交的那一点——就是解离常数。对 A 来说,Kd = 2 μM;对 B 来说,Kd = 6 μM。因为 A 在更低的 [L] 下就达到半饱和,所以 A 对该配体的亲和力更高。

§5.1 WORKED EXAMPLE 5-1 Receptor-Ligand Dissociation Constants · 教材 p. 633
原理解读

【WORKED EXAMPLE 5-2 蛋白质-配体结合(原文为分行排版的公式,无法逐字引用,此处完整复述解法)】题目:某蛋白的 Kd 为 2.0 μM,求 Y = 0.6 时的 [L]。 解:从式5-8 出发 Y = [L]/([L] + Kd),两边同乘分母得 [L] = Y([L] + Kd);右边展开得 [L] = Y[L] + Y·Kd;两边同减 Y[L] 得 [L] − Y[L] = Y·Kd;左边提取 [L] 得 [L](1 − Y) = Y·Kd;两边同除以 (1 − Y) 得最终表达式 [L] = Y·Kd/(1 − Y)。代入题给数值:[L] = 0.6 × (2.0 μM)/(1 − 0.6) = 3.0 μM。 【这两个例题考什么】例题5-1 考"从结合曲线上读 Kd"——看曲线与 Y = 0.5 的交点,并由此比较亲和力高低(半饱和所需浓度越低 → 亲和力越高)。例题5-2 考"由 Kd 与 Y 反解 [L]"——把 [L] = Y·Kd/(1 − Y) 这个变形式背熟,代入 Y = 0.5、0.6、0.9 分别得 Kd、1.5Kd、9Kd。计算题多半就是这两类的变体。

Original text

The binding of oxygen to myoglobin follows the patterns discussed above. However, because oxygen is a gas, we must make some minor adjustments to the equations so that laboratory experiments can be carried out more conveniently. We first substitute the concentration of dissolved oxygen for [L] in Equation 5-8 to give

中文翻译

氧与肌红蛋白的结合遵循上面讨论的规律。不过,由于氧是气体,我们必须对这些方程作一些小的调整,以便实验室实验做起来更方便。首先,把式5-8 中的 [L] 换成溶解氧的浓度,得到

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 635
Original text

In experiments using oxygen as a ligand, it is the partial pressure of oxygen (pO2) in the gas phase above the solution that is varied, because this is easier to measure than the concentration of oxygen dissolved in the solution. The concentration of a volatile substance in solution is always proportional to the local partial pressure of the gas. So, if we define the partial pressure of oxygen at [O2]0.5 as P50, substitution in Equation 5-10 gives

中文翻译

在以氧作配体的实验中,被改变的是溶液上方气相中的氧分压(pO2),因为测量氧分压比测量溶解在溶液中的氧浓度更容易。溶液中挥发性物质的浓度,总是与该气体的局部分压成正比。因此,如果把 [O2]0.5 处的氧分压定义为 P50,代入式5-10 就得到

§5.1 Protein-Ligand Interactions Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 636
原理解读

【从 Kd 到 P50,三步换元(必须能自己推)】①式5-9:把 [L] 换成溶解氧浓度 [O2],得 Y = [O2]/([O2] + Kd);②式5-10:对氧而言 Kd 就等于半饱和时的氧浓度 [O2]0.5,于是 Y = [O2]/([O2] + [O2]0.5)(这句原文仅 24 词,不足引用长度,故在此说明);③式5-11:实验上改变并测量的是气相氧分压 pO2,而溶液中挥发性物质浓度与其分压成正比,把 [O2]0.5 对应的分压定义为 P50,得到 Y = pO2/(pO2 + P50)。 【P50 的定义与意义】P50 = 使血红素蛋白半饱和(Y = 0.5)所需的氧分压,它是氧亲和力的定量指标:P50 越小,亲和力越高。肌红蛋白 P50 = 0.26 kPa,血红蛋白 P50 ≈ 3.5 kPa(后面小节还会用到),肺中 pO2 ≈ 13.3 kPa,组织中 pO2 ≈ 4 kPa。把这四个数字连起来就能一句话答清"为什么 Mb 只能贮氧、Hb 才能运氧"。 【单位提醒】教材用 kPa;旧文献常用 torr(1 kPa ≈ 7.5 torr)。答题时单位要跟着题目走,不要自行换算后忘记注明。

术语对照
  • P50P50使 Y = 0.5 的氧分压;氧亲和力指标,越小亲和力越高。名词解释高频
  • 氧分压partial pressure of oxygen (pO2)实验中以气相分压代替溶解氧浓度,单位 kPa 或 torr
  • 半饱和浓度[O2]0.5对氧而言 Kd = [O2]0.5,对应的分压即 P50

蛋白质结构如何影响配体结合:远端 His、CO 与 O2 的选择性,以及蛋白质的“呼吸”运动Protein Structure Affects How Ligands Bind

笔记 考点二:肌红蛋白:贮存氧
Original text

The binding of a ligand to a protein is rarely as simple as the above equations would suggest. The interaction is greatly affected by protein structure and is often accompanied by conformational changes. For example, the specificity with which heme binds its various ligands is altered when the heme is a component of myoglobin.

中文翻译

配体与蛋白质的结合,很少像上面那些方程所暗示的那样简单。这种相互作用受蛋白质结构的极大影响,而且常常伴随构象变化。例如,当血红素成为肌红蛋白的一个组分时,它结合各种配体的特异性就被改变了。

§5.1 Protein Structure Affects How Ligands Bind · 教材 p. 636
Original text

For free heme, the tighter binding by CO reflects differences in the way the orbital structures of CO and O2 interact with Fe2+. Those same orbital structures lead to different binding geometries for CO and O2 when they are bound to heme (Fig. 5-5a, b). The change in relative affinity of CO and O2 for heme when the heme is bound to a globin is mediated by the globin structure.

中文翻译

对游离血红素而言,CO 结合得更紧,反映的是 CO 与 O2 的轨道结构同 Fe2+ 相互作用的方式不同。同样是这些轨道结构,导致 CO 和 O2 结合到血红素上时采取不同的结合几何构型(图5-5a、b)。当血红素被结合到珠蛋白中之后,CO 与 O2 对血红素的相对亲和力发生改变,这一改变由珠蛋白的结构所介导。

§5.1 Protein Structure Affects How Ligands Bind · 教材 p. 637
图5-5 配体结合到肌红蛋白血红素上所引起的空间位阻效应。(a) 氧结合到血红素上时,O2 轴呈一定角度,这种结合构象很容易被肌红蛋白容纳。(b) 一氧化碳结合到游离血红素上时,CO 轴垂直于卟啉环平面。(c) 肌红蛋白血红素的另一视角,显示血红素周围关键氨基酸残基的排布。结合的 O2 与远端 His,即 His E7(His64),形成氢键,与结合到游离血红素上相比,这促进了 O2 的结合。[(c) 数据来自 PDB ID 1MBO,S. E. Phillips, J. Mol. Biol. 142:531, 1980.]
图注 · 图5-5 配体结合到肌红蛋白血红素上所引起的空间位阻效应。(a) 氧结合到血红素上时,O2 轴呈一定角度,这种结合构象很容易被肌红蛋白容纳。(b) 一氧化碳结合到游离血红素上时,CO 轴垂直于卟啉环平面。(c) 肌红蛋白血红素的另一视角,显示血红素周围关键氨基酸残基的排布。结合的 O2 与远端 His,即 His E7(His64),形成氢键,与结合到游离血红素上相比,这促进了 O2 的结合。[(c) 数据来自 PDB ID 1MBO,S. E. Phillips, J. Mol. Biol. 142:531, 1980.]
Caption · FIGURE 5-5 Steric effects caused by ligand binding to the heme of myoglobin. (a) Oxygen binds to heme with the O2 axis at an angle, a binding conformation readily accommodated by myoglobin. (b) Carbon monoxide binds to free heme with the CO axis perpendicular to the plane of the porphyrin ring. (c) Another view of the heme of myoglobin, showing the arrangement of key amino acid residues around the heme. The bound O2 is hydrogen-bonded to the distal His, His E7 (His64), facilitating the binding of O2 compared with its binding to free heme. [(c) Data from PDB ID 1MBO, S. E. Phillips, J. Mol. Biol. 142:531, 1980.]
怎么看 · (a)(b) 对比看结合几何:O2 以「折角」方式结合,CO 与游离血红素则垂直结合;蛋白口袋(远端 His E7)以位阻迫使 CO 也偏斜,从而把 CO/O2 亲和力比从游离血红素的约 20000 倍压到约 250 倍。(c) 记住四个残基分工:His F8 配位、His E7 与 O2 氢键(提高 O2 亲和力)、Phe CD1 与 Val E11 构成疏水口袋——这是「蛋白如何调节小分子结合」的经典考点。
讲解 · 这张图解释了"为什么珠蛋白能部分抵抗 CO 中毒",是理解 BOX 5-1 的结构基础。两条机制要分清:①空间位阻——CO 偏好垂直于卟啉环结合,而肌红蛋白的口袋(远端 His 等残基)不利于这种垂直取向;O2 则以倾斜角度结合,口袋乐于容纳。②静电稳定——远端 His E7 的咪唑侧链与结合的 O2 形成氢键,专门稳定极性的 Fe—O2 复合物,对非极性的 Fe—CO 复合物没有这种效果。两条合起来使 O2 亲和力选择性提高约 500 倍。
图内标注中英对照 · 16 条
English中文
O=OO=O(氧分子,以倾斜角度与 Fe 配位)
FeFe(血红素中心的亚铁离子)
XX(血红素平面另一侧的第 5 配位基团,即蛋白提供的近端 His)
(a)(a)
O≡CO≡C(一氧化碳,与卟啉环平面垂直结合)
FeFe(游离血红素中心的亚铁离子)
XX(另一侧的配位基团)
(b)(b)
His E7 (distal His)His E7(远端组氨酸)
Phe CD1Phe CD1(CD 转角上的苯丙氨酸,构成血红素口袋壁)
Val E11Val E11(E 螺旋第 11 位缬氨酸,构成血红素口袋壁)
HH(远端 His 提供的氢,与结合的 O2 形成氢键)
O2O2(结合于 Fe 的氧分子)
FeFe(血红素亚铁离子)
His F8 (proximal His)His F8(近端组氨酸,直接与 Fe 配位)
(c)(c)
Original text

When heme is bound to myoglobin, its affinity for O2 is selectively increased by the presence of the distal His (His64, or His E7 in myoglobin). The Fe-O2 complex is much more polar than the Fe-CO complex. A partial negative charge is distributed across the oxygen atoms in the bound O2 due to partial oxidation of the interacting iron atom. A hydrogen bond between the imidazole side chain of His E7 and the bound O2 stabilizes this polar complex electrostatically (Fig. 5-5c). The affinity of myoglobin for O2 is thus selectively increased by a factor of about 500; there is no such effect for Fe-CO binding in myoglobin. Consequently, the 20,000-fold stronger binding affinity of free heme for CO compared with O2 declines to approximately 40-fold for heme embedded in myoglobin.

中文翻译

当血红素结合在肌红蛋白中时,远端 His(肌红蛋白中的 His64,即 His E7)的存在会选择性地提高它对 O2 的亲和力。Fe—O2 复合物的极性远大于 Fe—CO 复合物。由于相互作用的铁原子被部分氧化,结合的 O2 的两个氧原子上分布着部分负电荷。His E7 的咪唑侧链与结合的 O2 之间形成一个氢键,以静电方式稳定了这个极性复合物(图5-5c)。肌红蛋白对 O2 的亲和力因此被选择性地提高约 500 倍;而肌红蛋白中的 Fe—CO 结合并没有这种效应。结果,游离血红素对 CO 比对 O2 强 20,000 倍的结合亲和力,在血红素嵌入肌红蛋白之后降到大约 40 倍。

§5.1 Protein Structure Affects How Ligands Bind · 教材 p. 639
Original text

This favorable electrostatic effect on O2 binding is even more dramatic in some invertebrate hemoglobins, where two groups in the binding pocket can form strong hydrogen bonds with O2, causing the heme group to bind O2 with greater affinity than CO. This selective enhancement of O2 affinity in globins is physiologically important: it helps prevent poisoning by the CO that is generated in small amounts from metabolism and that is sometimes generated in larger amounts by our industrial-age environment.

中文翻译

这种有利于 O2 结合的静电效应,在某些无脊椎动物血红蛋白中还要更为显著:那里的结合口袋中有两个基团能与 O2 形成强氢键,使血红素结合 O2 的亲和力反而高于 CO。珠蛋白对 O2 亲和力的这种选择性增强具有重要生理意义:它有助于防止我们被 CO 毒害——CO 一部分由代谢过程少量产生,有时也由工业时代的环境大量产生。

§5.1 Protein Structure Affects How Ligands Bind · 教材 p. 639
Original text

The binding of O2 to the heme in myoglobin also depends on molecular motions, or “breathing,” in the protein structure. The heme molecule is deeply buried in the folded polypeptide, with limited direct paths for oxygen to move from the surrounding solution to the ligand-binding site. If the protein were rigid, O2 could not readily enter or leave the heme pocket.

中文翻译

O2 与肌红蛋白中血红素的结合,还取决于蛋白质结构中的分子运动,即所谓"呼吸"。血红素分子深埋在折叠好的多肽链内部,氧从周围溶液进入配体结合位点的直接通路很有限。如果蛋白质是刚性的,O2 就无法顺利进出血红素口袋。

§5.1 Protein Structure Affects How Ligands Bind · 教材 p. 639
Original text

However, rapid molecular flexing of the amino acid side chains produces transient cavities in the protein structure, and O2 makes its way in and out by moving through these cavities. Computer simulations of rapid structural fluctuations in myoglobin suggest that there are many such pathways. The distal His acts as a gate to control access to one major pocket near the heme iron. Rotation of that His residue to open and close the pocket occurs on a nanosecond (10−9 s) time scale.

中文翻译

然而,氨基酸侧链的快速分子摆动会在蛋白质结构中产生瞬时空腔,O2 就通过这些空腔进出。对肌红蛋白快速结构涨落所作的计算机模拟提示,这样的通路有很多条。远端 His 起着闸门作用,控制着通向血红素铁附近一个主要口袋的通路。该 His 残基开合口袋的旋转发生在纳秒(10−9 s)时间尺度上。

§5.1 Protein Structure Affects How Ligands Bind · 教材 p. 640
原理解读

【本节的主命题】蛋白质基质(protein matrix)能够改造辅基的配体选择性——同一个血红素,游离时和嵌在珠蛋白里时,配体偏好完全不同。这是"结构决定功能"最漂亮的一个例证。 【必背数字链】游离血红素:CO 亲和力比 O2 高 20,000 倍(即 CO 的 Kd 或 P50 比 O2 低 20,000 倍);嵌入肌红蛋白后:只高约 40 倍。差值来自远端 His E7 通过氢键把 O2 的亲和力选择性提高约 500 倍(20,000 ÷ 500 = 40)。这个"20,000 → 500 → 40"的算式是简答题的采分点。 【为什么只稳定 O2 不稳定 CO】铁被部分氧化,电子部分转移给 O2,使结合的 O2 上带部分负电荷,Fe—O2 复合物是极性的;Fe—CO 复合物极性小得多,因此 His E7 的咪唑侧链氢键只"认" O2 不"认" CO。某些无脊椎动物血红蛋白口袋里有两个能与 O2 形成强氢键的基团,甚至让 O2 亲和力反超 CO。 【蛋白质的"呼吸"运动】血红素深埋于内部,若蛋白刚性则 O2 根本进不去。侧链的快速摆动不断开出瞬时空腔,构成多条进出通道;远端 His 充当闸门,其开合发生在纳秒(10−9 s)尺度。这一段是第三条原理(蛋白质是柔性的)的具体兑现,也为下一节血红蛋白更大规模的构象变化作铺垫:细微构象变化就足以决定活性,到了多亚基的血红蛋白,构象变化的复杂程度还要上一个台阶。

术语对照
  • 远端组氨酸distal His (His E7)Mb 中为 His64;与 O2 形成氢键,选择性提高 O2 亲和力约 500 倍;兼作闸门
  • 空间位阻效应steric effectCO 偏好垂直结合,被珠蛋白口袋排斥;O2 倾斜结合,被容纳
  • 蛋白质的“呼吸”运动protein breathing侧链快速摆动产生瞬时空腔,构成配体进出通道,纳秒尺度

血红蛋白的结构与氧合构象变化:四聚体、亚基界面与 T 态、R 态Hemoglobin Transports Oxygen in Blood / Hemoglobin Subunits Are Structurally Similar to Myoglobin / Hemoglobin Undergoes a Structural Change on Binding Oxygen

笔记 考点三:血红蛋白:转运氧
Original text

Nearly all the oxygen carried by whole blood in animals is bound and transported by hemoglobin in erythrocytes (red blood cells). Normal human erythrocytes are small (6 to 9 μm in diameter), biconcave disks. They are formed from precursor stem cells called hemocytoblasts. In the maturation process, the stem cell produces daughter cells that form large amounts of hemoglobin and then lose their organelles — nucleus, mitochondria, and endoplasmic reticulum. Erythrocytes are thus incomplete, vestigial cells, unable to reproduce and, in humans, destined to survive for only about 120 days.

中文翻译

动物全血所携带的氧,几乎全部由红细胞(红血球)中的血红蛋白结合并运输。正常人红细胞很小(直径 6~9 μm),呈双凹圆盘形。它们由称为成血细胞的前体干细胞形成。在成熟过程中,干细胞产生的子细胞先大量合成血红蛋白,随后丢失自身的细胞器——细胞核、线粒体和内质网。因此红细胞是不完整的、退化的细胞,不能繁殖;在人体内注定只能存活约 120 天。

§5.1 Hemoglobin Transports Oxygen in Blood · 教材 p. 640
Original text

Myoglobin, with its hyperbolic binding curve for oxygen (Fig. 54b), is relatively insensitive to small changes in the concentration of dissolved oxygen, so it functions well as an oxygen-storage protein. Hemoglobin, with its multiple subunits and O2-binding sites, is better suited to oxygen transport. As we shall see, interactions between the subunits of a multimeric protein can permit a highly sensitive response to small changes in ligand concentration.

中文翻译

肌红蛋白的氧结合曲线是双曲线型(图5-4b),它对溶解氧浓度的小幅变化相对不敏感,因此很好地充当贮氧蛋白。血红蛋白有多个亚基、多个 O2 结合位点,更适合运输氧。后面会看到,多聚体蛋白各亚基之间的相互作用,可以让蛋白质对配体浓度的微小变化作出高度敏感的响应。

§5.1 Hemoglobin Transports Oxygen in Blood · 教材 p. 641
Original text

Hemoglobin (Mr 64,500; abbreviated Hb) is roughly spherical, with a diameter of nearly 5.5 nm. It is a tetrameric protein containing four heme prosthetic groups, one associated with each polypeptide chain. Adult hemoglobin contains two types of globin: two α chains (141 residues each) and two β chains (146 residues each). The three-dimensional structures of the two types of subunits are very similar to each other and to myoglobin (Fig. 5-6), reflecting their evolution within the larger globin superfamily. However, fewer than half of the amino acid residues are identical in the polypeptide sequences of the α and β subunits, and only 27 are identical in the three polypeptides (Fig. 5-7). The helix-naming convention described for myoglobin is also applied to the hemoglobin polypeptides, except that the α subunit lacks the short D helix. The heme-binding pocket is made up largely of the E and F helices in each of the subunits.

中文翻译

血红蛋白(Mr 64,500;缩写 Hb)大致呈球形,直径将近 5.5 nm。它是一个四聚体蛋白,含四个血红素辅基,每条多肽链各带一个。成人血红蛋白含两类珠蛋白:两条 α 链(各 141 个残基)和两条 β 链(各 146 个残基)。这两类亚基的三维结构彼此极为相似,也与肌红蛋白极为相似(图5-6),反映出它们在更大的珠蛋白超家族内部的演化关系。不过,α 亚基与 β 亚基的多肽序列中完全相同的氨基酸残基还不到一半;而在这三条多肽中完全相同的只有 27 个(图5-7)。为肌红蛋白确立的螺旋命名法同样用于血红蛋白的多肽链,只是 α 亚基缺少那段短的 D 螺旋。每个亚基中的血红素结合口袋,主要由 E 螺旋和 F 螺旋构成。

§5.1 Hemoglobin Subunits Are Structurally Similar to Myoglobin · 教材 p. 642
Original text

The quaternary structure of hemoglobin features strong interactions between unlike subunits. The α1β1 interface (and its α2β2 counterpart) involves more than 30 residues, and its interaction is sufficiently strong that although mild treatment of hemoglobin with urea tends to disassemble the tetramer into αβ dimers, these dimers remain intact. The α1β2 (and α2β1) interface involves 19 residues (Fig. 5-8). The hydrophobic effect plays the major role in stabilizing these interfaces, but there are also many hydrogen bonds and a few ion pairs (or salt bridges), whose importance is discussed below.

中文翻译

血红蛋白的四级结构以不同种类亚基之间的强相互作用为特征。α1β1 界面(以及与之对应的 α2β2 界面)涉及 30 多个残基,其相互作用强到这种程度:虽然用尿素温和处理血红蛋白会使四聚体解离成 αβ 二聚体,但这些二聚体仍保持完整。α1β2(以及 α2β1)界面涉及 19 个残基(图5-8)。稳定这些界面主要靠疏水效应,但也存在许多氢键和少数几对离子对(即盐桥),后者的重要性下文再讨论。

§5.1 Hemoglobin Subunits Are Structurally Similar to Myoglobin · 教材 p. 642
原理解读

【血红蛋白数据表(必背)】Mr 64,500;直径约 5.5 nm;四聚体 α2β2;四个血红素、四个氧结合位点;α 链 141 个残基,β 链 146 个残基;α 亚基缺 D 螺旋;血红素口袋由 E、F 螺旋构成。与肌红蛋白(Mr 16,700、153 残基、单体、一个位点)对照记忆。 【三条多肽只有 27 个残基完全相同】Mb、Hbα、Hbβ 三者序列差异极大(α 与 β 之间相同残基不到一半,三者共同相同的仅 27 个),但三维结构几乎重叠。这是"结构比序列保守、结构决定功能"最有力的证据,简答题常直接考这个数字。 【两类界面,考点在"不对称"】α1β1(及 α2β2)界面:>30 个残基,结合极强,尿素温和处理时四聚体散成 αβ 二聚体而二聚体不散——说明这是"铆死"的界面,氧合时几乎不动。α1β2(及 α2β1)界面:19 个残基,是氧合时发生大幅滑动、离子对断裂与重建的"活动"界面,协同性的信号就从这里传递。稳定界面主要靠疏水效应,辅以氢键和少量离子对(盐桥)。考试若问"血红蛋白协同效应的结构基础在哪里",答案就是 α1β2 界面。 【生理数字】动脉血(由肺经心脏流向外周组织)中血红蛋白约 96% 被氧饱和,回心静脉血中只有约 64% 饱和;因此每 100 mL 血流经组织时释放所携氧的约三分之一,相当于常压体温下 6.5 mL O2 气体。(这一段原文单独成段,此处按原意归纳。)

Original text

X-ray analysis has revealed two major conformations of hemoglobin: the R state and the T state. Although oxygen binds to hemoglobin in either state, it has a significantly higher affinity for hemoglobin in the R state. Oxygen binding stabilizes the R state.

中文翻译

X 射线分析揭示了血红蛋白的两种主要构象:R 态和 T 态。氧在这两种状态下都能与血红蛋白结合,但对 R 态血红蛋白的亲和力显著更高。氧的结合会稳定 R 态。

§5.1 Hemoglobin Undergoes a Structural Change on Binding Oxygen · 教材 p. 645
Original text

T and R originally denoted “tense” and “relaxed,” respectively, because the T state is stabilized by a greater number of ion pairs, many of which lie at the α1β2 (and α2β1) interface (Fig. 5-9). The binding of O2 to a hemoglobin subunit in the T state triggers a change in conformation to the R state. When the entire protein undergoes this transition, the structures of the individual subunits change little, but the αβ subunit pairs slide past each other and rotate, narrowing the pocket between the β subunits (Fig. 5-10). In this process, some of the ion pairs that stabilize the T state are broken and some new ones are formed.

中文翻译

T 和 R 最初分别表示"紧张的"(tense)和"松弛的"(relaxed),因为 T 态由更多的离子对来稳定,其中许多位于 α1β2(以及 α2β1)界面上(图5-9)。O2 结合到处于 T 态的某个血红蛋白亚基上,就会触发向 R 态的构象转变。当整个蛋白质发生这一转变时,各亚基自身的结构变化很小,但 αβ 亚基对彼此滑动并发生转动,使两个 β 亚基之间的口袋变窄(图5-10)。在这一过程中,稳定 T 态的一部分离子对被破坏,同时又形成一些新的离子对。

§5.1 Hemoglobin Undergoes a Structural Change on Binding Oxygen · 教材 p. 646
图5-10 T → R 转变。在这些脱氧血红蛋白的图示中,与图5-9 一样,β 亚基为蓝色,α 亚基为灰色。参与形成离子对的带正电侧链和链末端画成蓝色,与之配对的带负电基团画成红色。每个 α 亚基的 Lys C5 和每个 β 亚基的 Asp FG1 可以看到,但未加标注(对照图5-9)。注意分子的取向与图5-9 略有不同。从 T 态到 R 态的转变使亚基对发生明显位移,影响到某些离子对。最引人注目的是:β 亚基羧基端的 His HC3 残基在 T 态参与形成离子对,到 R 态则向分子中心方向转动,不再处于离子对之中。T → R 转变的另一个显著结果,是两个 β 亚基之间的口袋变窄。[T 态:数据来自 PDB ID 1HGA,R. Liddington et al., J. Mol. Biol. 228:551, 1992。R 态:数据来自 PDB ID 1BBB,M. M. Silva et al., J. Biol. Chem. 267:17,248, 1992.]
图注 · 图5-10 T → R 转变。在这些脱氧血红蛋白的图示中,与图5-9 一样,β 亚基为蓝色,α 亚基为灰色。参与形成离子对的带正电侧链和链末端画成蓝色,与之配对的带负电基团画成红色。每个 α 亚基的 Lys C5 和每个 β 亚基的 Asp FG1 可以看到,但未加标注(对照图5-9)。注意分子的取向与图5-9 略有不同。从 T 态到 R 态的转变使亚基对发生明显位移,影响到某些离子对。最引人注目的是:β 亚基羧基端的 His HC3 残基在 T 态参与形成离子对,到 R 态则向分子中心方向转动,不再处于离子对之中。T → R 转变的另一个显著结果,是两个 β 亚基之间的口袋变窄。[T 态:数据来自 PDB ID 1HGA,R. Liddington et al., J. Mol. Biol. 228:551, 1992。R 态:数据来自 PDB ID 1BBB,M. M. Silva et al., J. Biol. Chem. 267:17,248, 1992.]
Caption · FIGURE 5-10 The T → R transition. In these depictions of deoxyhemoglobin, as in Figure 5-9, the β subunits are blue and the α subunits are gray. Positively charged side chains and chain termini involved in ion pairs are shown in blue, and their negatively charged partners are shown in red. The Lys C5 of each α subunit and the Asp FG1 of each β subunit are visible but are not labeled (compare Fig. 5-9). Note that the molecule is oriented slightly differently than in Figure 5-9. The transition from the T state to the R state shifts the subunit pairs substantially, affecting certain ion pairs. Most noticeably, the His HC3 residues at the carboxyl termini of the β subunits, which are involved in ion pairs in the T state, rotate in the R state toward the center of the molecule, where they are no longer in ion pairs. Another dramatic result of the T → R transition is a narrowing of the pocket between the β subunits. [T state: Data from PDB ID 1HGA, R. Liddington et al., J. Mol. Biol. 228:551, 1992. R state: Data from PDB ID 1BBB, M. M. Silva et al., J. Biol. Chem. 267:17,248, 1992.]
怎么看 · 左右对照只盯两处:一是 β 亚基羧基末端 His HC3——T 态伸向外侧参与离子对把四聚体「锁」在低亲和力构象,R 态旋向分子中心离子对断裂;二是 β₁–β₂ 之间的中央空腔在 T→R 时变窄(BPG 口袋消失)。考研常考「T→R 转变时离子对如何变化、BPG 为何只结合 T 态」,答案就藏在这张图里。
讲解 · 这是本章最需要"看懂"的一张图。抓两个结果:①β 亚基羧基端 His HC3(即 His146)在 T 态与 Asp FG1(Asp94)形成离子对,转到 R 态后向分子中心转动、离子对解除——这一条同时是波尔效应的结构基础(后面 1d 分册会用到);②两个 β 亚基之间的口袋在 R 态变窄——这一条同时解释了 BPG 为什么只结合 T 态(BPG 结合口袋在 R 态消失)。一张图串起协同性、波尔效应、BPG 三个考点,务必记牢。
图内标注中英对照 · 13 条
English中文
His HC3His HC3(β 亚基羧基末端的组氨酸残基,T 态中参与离子对)
α₂α₂(α₂ 亚基,灰色)
β₁β₁(β₁ 亚基,蓝色)
β₂β₂(β₂ 亚基,蓝色)
α₁α₁(α₁ 亚基,灰色)
His HC3His HC3(另一 β 亚基羧基末端的组氨酸残基)
T stateT 态(紧张态,对 O₂ 亲和力低,即脱氧血红蛋白构象)
α₂α₂(右图 α₂ 亚基)
β₁β₁(右图 β₁ 亚基)
His HC3His HC3(R 态中已转向分子中心,不再形成离子对)
β₂β₂(右图 β₂ 亚基)
α₁α₁(右图 α₁ 亚基)
R stateR 态(松弛态,对 O₂ 亲和力高,即氧合血红蛋白构象)
Original text

Max Perutz proposed that the T → R transition is triggered by changes in the positions of key amino acid side chains surrounding the heme. In the T state, the porphyrin is slightly puckered, causing the heme iron to protrude somewhat on the

中文翻译

Max Perutz 提出,T → R 转变由血红素周围关键氨基酸侧链位置的改变所触发。在 T 态,卟啉略呈皱褶,使血红素铁稍稍突出于(下接:近端 His 一侧)

§5.1 Hemoglobin Undergoes a Structural Change on Binding Oxygen · 教材 p. 647
Original text

proximal His (His F8) side. The binding of O2 causes the heme to assume a more planar conformation, shifting the position of the proximal His and the attached F helix (Fig. 5-11). These changes lead to adjustments in the ion pairs at the α1β2 interface.

中文翻译

(承上)近端 His(His F8)一侧。O2 的结合使血红素转为更趋平面的构象,从而改变近端 His 及与之相连的 F 螺旋的位置(图5-11)。这些变化又导致 α1β2 界面上的离子对发生调整。

§5.1 Hemoglobin Undergoes a Structural Change on Binding Oxygen · 教材 p. 648
原理解读

【Perutz 机制:一条完整的因果链,必须能一口气讲下来】脱氧(T 态)时卟啉环略呈皱褶(穹顶状),Fe2+ 半径较大、坐不进环平面,向近端 His(His F8)一侧突出 → O2 结合后血红素转为更趋平面的构象,Fe2+ 落入卟啉平面 → 拉动与铁配位的近端 His → 带动与之相连的 F 螺旋整体位移 → 位移传到 α1β2 界面,界面上的离子对被打破、重排 → 亚基对滑动转动,整个分子由 T 态转为 R 态 → 其余亚基的氧亲和力升高。这就是"一个亚基结合氧、其余亚基更容易结合氧"的分子机制,也是正协同效应的结构解释。 【T 态与 R 态的对照表】T 态=紧张态=脱氧血红蛋白的主要构象=低氧亲和力=离子对(盐桥)多、主要在 α1β2 界面=β 亚基间口袋宽(能容 BPG);R 态=松弛态=氧合后稳定=高氧亲和力=离子对减少=β 亚基间口袋变窄(BPG 口袋消失)。 【易错点】①"氧只结合 R 态"是错的——两种状态都能结合氧,只是 R 态亲和力显著更高;②"T→R 时每个亚基自身结构大变"是错的——单个亚基构象变化很小,主要是 αβ 亚基对之间的滑动与转动;③注意教材原文因分页把 Perutz 这段切成两截(上面两条引文),中间没有遗漏内容。

术语对照
  • T 态(紧张态)T state (tense)脱氧血红蛋白主要构象,低氧亲和力,由较多离子对稳定
  • R 态(松弛态)R state (relaxed)氧合稳定的构象,高氧亲和力
  • 离子对(盐桥)ion pair / salt bridge稳定 T 态,多位于 α1β2 界面;氧合时部分断裂
  • α1β2 界面alpha1-beta2 interface19 个残基,氧合时大幅变动,协同信号传递的通道

血红蛋白协同地结合氧:S 形曲线、别构蛋白与同促/异促调节Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively

笔记 考点三:血红蛋白:转运氧
Original text

Hemoglobin must bind oxygen efficiently in the lungs, where the pO2 is about 13.3 kPa, and it must release oxygen in the tissues, where the pO2 is about 4 kPa. Myoglobin, or any protein that binds oxygen with a hyperbolic binding curve, would be ill-suited to this function, for the reason illustrated in Figure 5-12.

中文翻译

血红蛋白必须在肺中高效地结合氧(那里 pO2 约为 13.3 kPa),又必须在组织中释放氧(那里 pO2 约为 4 kPa)。肌红蛋白,或者任何以双曲线型结合曲线结合氧的蛋白质,都不适合承担这项功能,理由如图5-12 所示。

§5.1 Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively · 教材 p. 648
图5-12 S 形(协同)结合曲线。S 形结合曲线可以看成一条杂合曲线,反映从低亲和力状态向高亲和力状态的转变。由于具有协同结合(其表现就是 S 形结合曲线),血红蛋白对组织与肺之间 O2 浓度的微小差别更为敏感,从而能在肺中(pO2 高)结合氧、在组织中(pO2 低)释放氧。
图注 · 图5-12 S 形(协同)结合曲线。S 形结合曲线可以看成一条杂合曲线,反映从低亲和力状态向高亲和力状态的转变。由于具有协同结合(其表现就是 S 形结合曲线),血红蛋白对组织与肺之间 O2 浓度的微小差别更为敏感,从而能在肺中(pO2 高)结合氧、在组织中(pO2 低)释放氧。
Caption · FIGURE 5-12 A sigmoid (cooperative) binding curve. A sigmoid binding curve can be viewed as a hybrid curve reflecting a transition from a lowaffinity state to a high-affinity state. Because of its cooperative binding, as manifested by a sigmoid binding curve, hemoglobin is more sensitive to the small differences in O2 concentration between the tissues and the lungs, allowing it to bind oxygen in the lungs (where pO2 is high) and release it in the tissues (where pO2 is low).
怎么看 · 把 S 形曲线拆成「两条双曲线的杂交」:起始段贴着低亲和力(T 态)曲线走,末段贴着高亲和力(R 态)曲线走,中间陡升段就是 T→R 的协同转变。考研要点是这条 S 形曲线让血红蛋白在肺(高 pO₂)与组织(低 pO₂)之间的很小分压差里就能完成大幅装卸氧——协同性的生理意义。
讲解 · 把这张图和图5-4a 并排看,是本章最核心的一组对照。S 形曲线的三段读法:低 pO2 段平缓(分子主要处于低亲和力 T 态,不易上氧);中段陡峭(T→R 转变集中发生,pO2 稍升饱和度就猛涨——这正是"敏感"的来源);高 pO2 段趋于饱和(分子已进入 R 态)。生理意义:肺中 pO2 ≈ 13.3 kPa 落在曲线高位(约 96% 饱和),组织中 pO2 ≈ 4 kPa 落在陡峭段(约 64% 饱和),两点之间垂直落差大,卸氧量就大。若换成双曲线型的肌红蛋白,这两点之间几乎没有落差,卸不出氧。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
pO₂ in tissues组织中的氧分压 pO₂(蓝色带,约 4 kPa)
pO₂ in lungs肺中的氧分压 pO₂(红色带,约 13 kPa)
1.01.0(纵轴刻度,饱和度)
High-affinity state高亲和力状态(对应 R 态曲线)
0.80.8(纵轴刻度)
Transition from low- to high-affinity state由低亲和力状态向高亲和力状态的转变(S 形曲线的陡升段)
0.60.6(纵轴刻度)
YY(纵轴:氧结合位点的饱和度分数 θ,0~1)
0.40.4(纵轴刻度)
Low-affinity state低亲和力状态(对应 T 态曲线)
0.20.2(纵轴刻度)
00(纵轴原点)
44(横轴刻度,kPa)
88(横轴刻度,kPa)
1212(横轴刻度,kPa)
1616(横轴刻度,kPa)
pO₂ (kPa)氧分压 pO₂(单位:kPa)
Original text

Hemoglobin solves the problem by undergoing a transition from a low-affinity state (the T state) to a high-affinity state (the R state) as more O2 molecules are bound. As a result, hemoglobin has a hybrid S-shaped, or sigmoid, binding curve for oxygen (Fig. 5-12). A single-subunit protein with a single ligand-binding site cannot produce a sigmoid binding curve — even if binding elicits a conformational change — because each molecule of ligand binds independently and cannot affect ligand binding to another molecule.

中文翻译

血红蛋白解决这个问题的办法是:随着结合上去的 O2 分子越来越多,它从低亲和力状态(T 态)转变为高亲和力状态(R 态)。结果,血红蛋白的氧结合曲线是一条杂合的 S 形(sigmoid)曲线(图5-12)。只有单一亚基、只有一个配体结合位点的蛋白质,不可能产生 S 形结合曲线——即使结合能引起构象变化也不行,因为每一个配体分子都独立结合,无法影响配体与另一个分子的结合。

§5.1 Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively · 教材 p. 650
Original text

In contrast, O2 binding to individual subunits of hemoglobin can alter the affinity for O2 in adjacent subunits. The first molecule of O2 that interacts with deoxyhemoglobin binds weakly, because it binds to a subunit in the T state. Its binding, however, leads to conformational changes that are communicated to adjacent subunits, making it easier for additional molecules of O2 to bind. In effect, the T → R transition occurs more readily in the second subunit once O2 is bound to the first subunit. The last (fourth) O2 molecule binds to a heme in a subunit that is already in the R state, and hence it binds with much higher affinity than the first molecule.

中文翻译

相反,O2 结合到血红蛋白的单个亚基上,能够改变相邻亚基对 O2 的亲和力。与脱氧血红蛋白作用的第一个 O2 分子结合得很弱,因为它结合的是处于 T 态的亚基。但它的结合会引起构象变化,这些变化被传递到相邻亚基,使随后的 O2 分子更容易结合。实际效果是:第一个亚基一旦结合 O2,第二个亚基的 T → R 转变就更容易发生。最后(第四个)O2 分子结合到一个已经处于 R 态的亚基的血红素上,因此其结合亲和力远高于第一个分子。

§5.1 Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively · 教材 p. 650
Original text

An allosteric protein is one in which the binding of a ligand to one site affects the binding properties of another site on the same protein. The term “allosteric” derives from the Greek allos, “other,” and stereos, “solid” or “shape.”

中文翻译

别构蛋白(allosteric protein)是指:配体结合到它的某一个位点上,会影响同一蛋白质另一位点的结合性质。"别构"(allosteric)一词源自希腊语 allos("其他")与 stereos("固体"或"形状")。

§5.1 Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively · 教材 p. 650
Original text

modulators for allosteric proteins may be either inhibitors or activators. When the normal ligand and modulator are identical, the interaction is termed homotropic. When the modulator is a molecule other than the normal ligand, the interaction is heterotropic. Some proteins have two or more modulators and therefore can have both homotropic and heterotropic interactions.

中文翻译

别构蛋白的调节物既可以是抑制剂,也可以是激活剂。当正常配体与调节物是同一种分子时,这种相互作用称为同促(homotropic);当调节物是正常配体以外的分子时,称为异促(heterotropic)。有些蛋白质有两种或更多调节物,因此可以同时具有同促和异促相互作用。

§5.1 Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively · 教材 p. 651
Original text

Cooperative binding of a ligand to a multimeric protein, such as we observe with the binding of O2 to hemoglobin, is a form of allosteric binding. The binding of one ligand affects the affinities of any remaining unfilled binding sites, and O2 can be considered as both a ligand and an activating homotropic modulator. There is only one binding site for O2 on each subunit, so the allosteric effects giving rise to cooperativity are mediated by conformational changes transmitted from one subunit to another by subunit-subunit interactions. A sigmoid binding curve is diagnostic of cooperative binding. It permits a much more sensitive response to ligand concentration and is important to the function of many multisubunit proteins. The principle of allostery extends readily to regulatory enzymes, as we shall see in Chapter 6.

中文翻译

配体与多聚体蛋白的协同结合——正如我们在 O2 与血红蛋白结合中所看到的——是别构结合的一种形式。一个配体的结合会影响其余尚未占据的结合位点的亲和力,因此 O2 既可看作配体,又可看作起激活作用的同促调节物。每个亚基上只有一个 O2 结合位点,所以产生协同性的别构效应,是通过亚基间相互作用把构象变化从一个亚基传向另一个亚基来实现的。S 形结合曲线是协同结合的诊断性标志。它使蛋白质能对配体浓度作出敏感得多的响应,对许多多亚基蛋白的功能都很重要。别构原理很容易推广到调节酶上,第6章还会看到。

§5.1 Hemoglobin Binds Oxygen Cooperatively · 教材 p. 651
原理解读

【为什么必须是 S 形——两难困境的解法】高亲和力蛋白:肺里上氧好,组织里放不出氧;低亲和力蛋白:组织里放氧好,肺里上不了氧。双曲线型曲线永远只能二选一。血红蛋白的解法是"变亲和力":低 pO2 时是低亲和力的 T 态,随着 O2 逐个结合转为高亲和力的 R 态,于是得到一条 T 段与 R 段拼成的杂合 S 形曲线,在肺与组织之间那一小段 pO2 差里获得最大的饱和度落差。 【别构相关术语必须一次记清(名词解释高频)】别构蛋白:配体结合于一个位点,影响同一蛋白质另一位点的结合性质;"allosteric" 源自希腊语 allos(其他)+ stereos(形状),即"其他形状"。调节物(modulator):引起别构构象变化的配体,分抑制剂与激活剂。同促(homotropic):调节物就是正常配体本身——O2 对血红蛋白即为同促激活调节物;异促(heterotropic):调节物是正常配体以外的分子——H+、CO2、BPG 对血红蛋白即为异促调节物。血红蛋白同时具有同促和异促相互作用,是标准例证。(教材中"别构蛋白就是由调节物结合而诱导出其他形状(构象)的蛋白质,这些构象变化使蛋白质在活性较高和活性较低的形式之间互变"一句被排版切断,原文不足引用长度,此处一并讲明。) 【协同结合的判据与本质】判据:S 形结合曲线(诊断性标志)。本质:单亚基单位点蛋白不可能有协同性,因为配体各自独立结合;协同性必须由亚基间相互作用把构象变化传递出去。因为每个亚基只有一个 O2 位点,所以"位点之间的影响"只能靠亚基-亚基界面传递,这正好回到上一节的 α1β2 界面。 【常见考法】①判断题:"协同性一定出现在多亚基蛋白中"——对;"多亚基蛋白一定有协同性"——错(亚基之间不通讯就没有协同性,见下一节 nH = 1)。②辨析:氧对血红蛋白是同促激活;BPG、H+、CO2 是异促抑制(降低氧亲和力)。

术语对照
  • 别构(变构)蛋白allosteric protein名词解释高频:一个位点结合配体影响另一位点的结合性质
  • 协同性cooperativity一个位点结合配体改变其余位点的亲和力;S 形曲线为标志
  • 正协同positive cooperativity先结合的配体促进后续配体结合,如 O2 与 Hb
  • 调节物modulator引起别构构象变化的配体,可为激活剂或抑制剂
  • 同促相互作用homotropic interaction调节物即正常配体本身,如 O2 对 Hb
  • 异促相互作用heterotropic interaction调节物为正常配体以外的分子,如 BPG、H+、CO2 对 Hb
  • S 形结合曲线sigmoid binding curve协同结合的诊断性标志

协同结合的定量描述与两种机制模型:希尔方程、希尔系数、MWC 齐变模型与 KNF 序变模型Cooperative Ligand Binding Can Be Described Quantitatively / Two Models Suggest Mechanisms for Cooperative Binding

笔记 考点三:血红蛋白:转运氧
Original text

Equation 5-16 is the Hill equation, and a plot of log [Y/(1 − Y)] versus log [L] is called a Hill plot. Based on the equation, the Hill plot should have a slope of n. However, the experimentally determined slope actually reflects not the number of binding sites but the degree of interaction between them. The slope of a Hill plot is therefore denoted by nH, the Hill coefficient, which is a measure of the degree of cooperativity.

中文翻译

式5-16 就是希尔方程(Hill equation),而以 log [Y/(1 − Y)] 对 log [L] 作的图称为希尔作图(Hill plot)。按照该方程,希尔作图的斜率应当等于 n。然而,实验测得的斜率实际上反映的不是结合位点的数目,而是这些位点之间相互作用的程度。因此希尔作图的斜率记作 nH,即希尔系数(Hill coefficient),它衡量协同性的程度。

§5.1 Cooperative Ligand Binding Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 658
Original text

An nH of greater than 1 indicates positive cooperativity in ligand binding. This is the situation observed in hemoglobin, in which the binding of one molecule of ligand facilitates the binding of others. The theoretical upper limit for nH is reached when nH = n. In this case the binding would be completely cooperative: all binding sites on the protein would bind ligand simultaneously, and no protein molecules partially saturated with ligand would be present under any conditions. This limit is never reached in practice, and the measured value of nH is always less than the actual number of ligand-binding sites in the protein.

中文翻译

nH 大于 1,表示配体结合中存在正协同(positive cooperativity)。血红蛋白就属于这种情形:一个配体分子的结合促进了其他配体分子的结合。nH 的理论上限在 nH = n 时达到。在这种情况下,结合将是完全协同的:蛋白质上所有结合位点会同时结合配体,任何条件下都不会存在被配体部分饱和的蛋白质分子。这个极限在实际中从未达到,实测的 nH 值总是小于蛋白质中配体结合位点的实际数目。

§5.1 Cooperative Ligand Binding Can Be Described Quantitatively · 教材 p. 659
图5-13 氧与肌红蛋白、血红蛋白结合的希尔作图。当 nH = 1 时,看不出协同性。血红蛋白所观察到的最大协同程度大致相当于 nH = 3。注意:这虽然表明协同水平很高,但 nH 仍小于 n,即血红蛋白中 O2 结合位点的数目。对表现别构结合行为的蛋白质来说,这是正常的。
图注 · 图5-13 氧与肌红蛋白、血红蛋白结合的希尔作图。当 nH = 1 时,看不出协同性。血红蛋白所观察到的最大协同程度大致相当于 nH = 3。注意:这虽然表明协同水平很高,但 nH 仍小于 n,即血红蛋白中 O2 结合位点的数目。对表现别构结合行为的蛋白质来说,这是正常的。
Caption · FIGURE 5-13 Hill plots for oxygen binding to myoglobin and hemoglobin. When nH = 1, there is no evident cooperativity. The maximum degree of cooperativity observed for hemoglobin corresponds approximately to nH = 3. Note that while this indicates a high level of cooperativity, nH is less than n, the number of O2-binding sites in hemoglobin. This is normal for a protein that exhibits allosteric binding behavior.
怎么看 · 希尔作图看「斜率」:斜率即希尔系数 nH,肌红蛋白(蓝线)全程 nH = 1 无协同;血红蛋白(红线)两端斜率为 1(分别外推为低亲和力 T 态与高亲和力 R 态),中段斜率约 3 才是协同区。判定口诀:nH > 1 正协同、= 1 无协同、< 1 负协同;注意 nH = 3 小于结合位点数 n = 4,说明协同不完全,这是常考的判断陷阱。
讲解 · 读图三要点:①肌红蛋白的希尔作图是一条斜率为 1 的直线,无协同性;②血红蛋白的希尔作图是折线,中段斜率最大(nH ≈ 3),两端斜率趋近 1——两端分别对应纯 T 态和纯 R 态(此时分子内没有可传递的构象变化,自然无协同);③nH ≈ 3 < n = 4,说明协同不完全,这对别构蛋白是常态。考试常问"血红蛋白的希尔系数是多少、说明什么",答:约 3,表示强正协同但未达完全协同。
图内标注中英对照 · 19 条
English中文
33(纵轴刻度)
Hemoglobin nH = 3血红蛋白 nH = 3(希尔系数约为 3,中段最大协同性)
22(纵轴刻度)
Hemoglobin high-affinity state nH = 1血红蛋白高亲和力状态 nH = 1(R 态外推虚线,无协同性)
11(纵轴刻度)
log (Y/(1 − Y))log[Y/(1 − Y)](纵轴:饱和度与未饱和度之比的对数)
00(纵轴刻度;此水平虚线处 Y = 0.5,即半饱和)
Myoglobin nH = 1肌红蛋白 nH = 1(蓝色直线,单体、无协同性)
−1−1(纵轴刻度)
Hemoglobin low-affinity state nH = 1血红蛋白低亲和力状态 nH = 1(T 态外推虚线,无协同性)
−2−2(纵轴刻度)
−3−3(纵轴刻度)
−2−2(横轴刻度)
−1−1(横轴刻度)
00(横轴刻度)
11(横轴刻度)
22(横轴刻度)
33(横轴刻度)
log pO₂log pO₂(横轴:氧分压的对数)
原理解读

【希尔方程的完整推导(原文中的短句与公式行无法逐字引用,此处补全)】①协同结合最早由 Archibald Hill 于 1910 年分析血红蛋白结合氧时提出,由此发展出研究多亚基蛋白协同结合配体的一般方法(原文仅 31 词,不足引用长度)。②对有 n 个结合位点的蛋白,式5-1 变为 P + nL ⇌ PLn(式5-12),缔合常数变为 Ka = [PLn]/([P][L]n)(式5-13)。③饱和度表达式变为 Y = [L]n/([L]n + Kd)(式5-14)。④整理得 Y/(1 − Y) = [L]n/Kd(式5-15),两边取对数得log[Y/(1 − Y)] = n·log[L] − log Kd(式5-16),其中 Kd = [L]n0.5。⑤换成氧的变量([L] → pO2,Kd → P50n)得log[Y/(1 − Y)] = n·log pO2 − n·log P50(式5-17)。 【希尔系数 nH 的三档判读(必背)】nH = 1:无协同性——即使是多亚基蛋白,只要亚基之间不通讯也会出现这种结果(原文此句仅 30 词,不足引用长度,在此写明)。nH > 1:正协同——先结合的配体促进后续结合,血红蛋白即属此类,最大约为 3。nH < 1:负协同(negative cooperativity)——先结合的配体妨碍后续配体结合;有充分文献记录的负协同例子很少见(原文此句同样过短,在此写明)。 【最易错的一点】nH 不是结合位点数!它只是"位点之间相互作用程度"的度量。理论上限 nH = n 对应完全协同(四个位点同时上氧、不存在部分饱和的分子),实际从未达到;血红蛋白 n = 4 而 nH ≈ 3。判断题常拿"希尔系数等于亚基数"来设陷阱。

Original text

The first model was proposed by Jacques Monod, Jeffries Wyman, and Jean-Pierre Changeux in 1965, and is called the MWC model or the concerted model (Fig. 5-14a). The concerted model assumes that the subunits of a cooperatively binding protein are functionally identical, that each subunit can exist in (at least) two conformations, and that all subunits undergo the transition from one conformation to the other simultaneously. In this model, no protein has individual subunits in different conformations. The two conformations are in equilibrium. The ligand can bind to either conformation, but it binds much more tightly to the R state. Successive binding of ligand molecules to the low-affinity T state (which is more stable in the absence of ligand) gradually shifts the equilibrium to favor the R state.

中文翻译

第一个模型由 Jacques Monod、Jeffries Wyman 和 Jean-Pierre Changeux 于 1965 年提出,称为 MWC 模型或齐变模型(协同模型,concerted model)(图5-14a)。齐变模型假定:协同结合蛋白的各亚基在功能上完全相同;每个亚基能以(至少)两种构象存在;而且所有亚基同时从一种构象转变为另一种构象。在这一模型中,没有哪个蛋白质分子的各亚基处于不同构象。两种构象之间处于平衡。配体可以结合到任一种构象上,但它与 R 态结合得紧得多。配体分子接连结合到低亲和力的 T 态(在没有配体时 T 态更稳定)上,就逐步把平衡推向有利于 R 态的方向。

§5.1 Two Models Suggest Mechanisms for Cooperative Binding · 教材 p. 661
(a) 在齐变模型,也叫"全或无"模型(MWC 模型)中,假定所有亚基都处于同一种构象:要么全是○(低亲和力或无活性),要么全是●(高亲和力或有活性)。视○型与●型之间的平衡 Keq 而定,一个或多个配体分子(L)的结合会把平衡拉向●型。结合了 L 的亚基以阴影表示。(b) 在序变模型中,每个亚基各自可以处于○型或●型。随着更多配体结合,平衡被改变,逐步偏向 R 态。
图注 · (a) 在齐变模型,也叫"全或无"模型(MWC 模型)中,假定所有亚基都处于同一种构象:要么全是○(低亲和力或无活性),要么全是●(高亲和力或有活性)。视○型与●型之间的平衡 Keq 而定,一个或多个配体分子(L)的结合会把平衡拉向●型。结合了 L 的亚基以阴影表示。(b) 在序变模型中,每个亚基各自可以处于○型或●型。随着更多配体结合,平衡被改变,逐步偏向 R 态。
Caption · (a) In the concerted, or all-or-none, model (MWC model), all subunits are postulated to be in the same conformation, either all ◯ (low affinity or inactive) or all (high affinity or active). Depending on the equilibrium, Keq, between ◯ and forms, the binding of one or more ligand molecules (L) will pull the equilibrium toward the form. Subunits with bound L are shaded. (b) In the sequential model, each individual subunit can be in either the ◯ form or the form. The equilibrium is altered as additional ligands are bound, progressively favoring the R state.
怎么看 · 左右两列的区别只在于「构象什么时候变」:(a) 齐变(MWC)模型中 ○ 与 □ 两种全对称状态之间平衡移动,不存在杂合分子;(b) 序变(KNF)模型允许 ○ 与 □ 混杂在同一分子里,逐个亚基顺序转变。考研常以名词解释或选择题形式考「齐变模型 vs 序变模型」的核心差异(是否允许中间杂合构象、能否解释负协同——只有 KNF 能)。
讲解 · 画图记忆法:MWC 模型的方框图只有"全空心"和"全实心"两行,中间没有混合态;序变模型的方框图有一整片混合态(一个实心三个空心、两个实心两个空心……)。看到"没有混合构象中间体"就选 MWC,看到"存在大量部分转换的中间体"就选 KNF。教材原图为血红蛋白画了四个亚基,但两个模型可推广到任何表现协同结合的蛋白,包括别构酶(第6章)。
图内标注中英对照 · 5 条
English中文
All ◯ (All circles)全部为圆形(所有亚基均处于低亲和力构象,○ 代表 T 态样构象)
All ▢ (All squares)全部为方形(所有亚基均处于高亲和力构象,□ 代表 R 态样构象)
LL(配体 ligand,已结合配体的亚基)
(a)(a) 分图 a——齐变模型/协同变构模型(MWC 模型):亚基构象「全有或全无」同步翻转,始终保持分子对称性
(b)(b) 分图 b——序变模型(KNF 模型):配体结合诱导该亚基逐个改变构象,并提高相邻亚基的亲和力
Original text

In the second model, the sequential model (Fig. 5-14b), proposed in 1966 by Daniel Koshland and colleagues, ligand binding can induce a change of conformation in an individual subunit. A conformational change in one subunit makes a similar change in an adjacent subunit more likely, and makes the binding of a second ligand molecule more likely as well. There are more potential intermediate states in this model than in the concerted model. The two models are not mutually exclusive; the concerted model may be viewed as the “all-or-none” limiting case of the sequential model. Unfortunately, the two models have proven very difficult to distinguish experimentally. In Chapter 6 we use these models to investigate allosteric enzymes.

中文翻译

第二个模型是序变模型(sequential model)(图5-14b),由 Daniel Koshland 及其同事于 1966 年提出。在该模型中,配体结合可以诱导单个亚基发生构象改变。一个亚基的构象改变,使相邻亚基发生类似改变的可能性增大,也使第二个配体分子更容易结合。这一模型中可能出现的中间状态比齐变模型多。两个模型并不互相排斥;齐变模型可以看作序变模型的"全或无"极限情形。遗憾的是,这两个模型在实验上被证明极难区分。第6章我们将用这两个模型来研究别构酶。

§5.1 Two Models Suggest Mechanisms for Cooperative Binding · 教材 p. 663
原理解读

【MWC(齐变/协同)模型 vs KNF(序变)模型——标准对比表,简答题直接套】 提出者与年份:MWC=Monod、Wyman、Changeux,1965;KNF=Koshland 及同事,1966。 亚基构象:MWC 要求所有亚基构象始终相同(全 T 或全 R),不存在混合构象的分子;KNF 允许每个亚基独立处于 T 或 R,存在大量混合中间体。 转换方式:MWC 是"全或无"式的齐步转换(concerted,故称齐变);KNF 是配体诱导、逐个亚基依次转换(sequential,故称序变),本质上是诱导契合的推广。 配体作用:MWC 中配体不"制造"构象,只是从已有的 T ⇌ R 平衡中选择性地稳定 R 态(构象选择);KNF 中配体主动诱导所结合亚基改变构象,再影响邻居。 中间体数目:MWC 少,KNF 多。 能否解释负协同:MWC 不能(它只能给出正协同);KNF 能。这是两者最实用的一条区分。 相互关系:两者不互相排斥,MWC 可视为 KNF 的"全或无"极限情形;实验上极难区分。 【答题提醒】问"血红蛋白的协同性用哪个模型解释更好",稳妥答法是:两个模型都能定性解释 S 形曲线,实验上难以区分;MWC 简洁且能解释异促效应物对 T ⇌ R 平衡的移动,KNF 则能解释负协同和位点非等价现象。第6章讨论别构酶时还会再用这两个模型。

术语对照
  • 希尔方程Hill equationlog[Y/(1 − Y)] = n·log[L] − log Kd;名词解释高频
  • 希尔作图Hill plot以 log[Y/(1 − Y)] 对 log[L] 作图,斜率为 nH
  • 希尔系数Hill coefficient (nH)协同程度的度量,非位点数;Hb 约为 3,Mb 为 1
  • 负协同negative cooperativitynH < 1,先结合的配体妨碍后续结合;确证的例子很少
  • 齐变模型(协同模型)MWC / concerted modelMonod-Wyman-Changeux,1965;全或无,无混合构象
  • 序变模型KNF / sequential modelKoshland 等,1966;逐个亚基诱导转换,中间体多,可解释负协同

血红蛋白还运输 H+ 与 CO2:波尔效应的分子基础Hemoglobin Also Transports H+ and CO2

笔记 考点三:血红蛋白:转运氧
Original text

This reaction is catalyzed by carbonic anhydrase, an enzyme particularly abundant in erythrocytes. Carbon dioxide is not very soluble in aqueous solution, and bubbles of CO2 would form in the tissues and blood if it were not converted to bicarbonate. As you can see from the reaction catalyzed by carbonic anhydrase, the hydration of CO2 results in an increase in the H+ concentration (a decrease in pH) in the tissues. The binding of oxygen by hemoglobin is profoundly influenced by pH and CO2 concentration, so the interconversion of CO2 and bicarbonate is of great importance to the regulation of oxygen binding and release in the blood.

中文翻译

这一反应由碳酸酐酶催化,该酶在红细胞中特别丰富。二氧化碳在水溶液中溶解度不高,若不把它转变成碳酸氢盐,组织和血液中就会生成 CO2 气泡。从碳酸酐酶催化的反应可以看出,CO2 的水合会使组织中 H+ 浓度升高(即 pH 下降)。血红蛋白结合氧的能力深受 pH 和 CO2 浓度影响,因此 CO2 与碳酸氢盐之间的互变,对调节血液中氧的结合与释放极为重要。

§5.1 Hemoglobin Also Transports H+ and CO2 · 教材 p. 664
Original text

affinity of hemoglobin for oxygen decreases as H+ and CO2 are bound, and O2 is released to the tissues. Conversely, in the capillaries of the lung, as CO2 is excreted and the blood pH consequently rises, the affinity of hemoglobin for oxygen increases and the protein binds more O2 for transport to the peripheral tissues. This effect of pH and CO2 concentration on the binding and release of oxygen by hemoglobin is called the Bohr effect, after Christian Bohr, the Danish physiologist (and father of physicist Niels Bohr) who discovered it in 1904.

中文翻译

(承上:在外周组织较低的 pH 和较高的 CO2 浓度下,)血红蛋白对氧的亲和力随 H+ 和 CO2 的结合而下降,于是 O2 被释放到组织中。反过来,在肺毛细血管中,随着 CO2 被排出、血液 pH 因而升高,血红蛋白对氧的亲和力上升,蛋白质结合更多 O2 以运往外周组织。pH 和 CO2 浓度对血红蛋白结合与释放氧的这种影响,称为波尔效应(Bohr effect),得名于丹麦生理学家 Christian Bohr(物理学家 Niels Bohr 之父),他于 1904 年发现了这一效应。

§5.1 Hemoglobin Also Transports H+ and CO2 · 教材 p. 665
Original text

where HHb+ denotes a protonated form of hemoglobin. This equation tells us that the O2-saturation curve of hemoglobin is influenced by the H+ concentration (Fig. 5-15). Both O2 and H+ are bound by hemoglobin, but with inverse affinity. When the oxygen concentration is high, as in the lungs, hemoglobin binds O2 and releases protons. When the oxygen concentration is low, as in the peripheral tissues, H+ is bound and O2 is released.

中文翻译

式中 HHb+ 表示血红蛋白的质子化形式。这个方程告诉我们:血红蛋白的 O2 饱和曲线受 H+ 浓度影响(图5-15)。O2 和 H+ 都能被血红蛋白结合,但两者的亲和力互为反向。当氧浓度高时(如在肺中),血红蛋白结合 O2 并释放质子;当氧浓度低时(如在外周组织中),H+ 被结合而 O2 被释放。

§5.1 Hemoglobin Also Transports H+ and CO2 · 教材 p. 665
图5-15 pH 对血红蛋白结合氧的影响。血液 pH 在肺中为 7.6,在组织中为 7.2。血红蛋白结合的实验测定常在 pH 7.4 下进行。
图注 · 图5-15 pH 对血红蛋白结合氧的影响。血液 pH 在肺中为 7.6,在组织中为 7.2。血红蛋白结合的实验测定常在 pH 7.4 下进行。
Caption · FIGURE 5-15 Effect of pH on oxygen binding to hemoglobin. The pH of blood is 7.6 in the lungs and 7.2 in the tissues. Experimental measurements on hemoglobin binding are often performed at pH 7.4.
怎么看 · 三条曲线只差一个 pH:pH 降低(7.6→7.2)曲线右移、P₅₀ 增大、对 O₂ 亲和力下降——这就是波尔效应。答题要连成链条:组织中代谢产生 H⁺ 和 CO₂ → pH 下降 → 曲线右移 → 促进 HbO₂ 卸氧;肺部相反。注意横轴用 kPa 而非 torr(1 torr ≈ 0.133 kPa),换算题里容易被坑。
讲解 · 读图要点:pH 降低时整条 S 形曲线右移(P50 增大、氧亲和力下降),pH 升高时左移。把三个 pH 数字记牢:肺 7.6、组织 7.2、常规测定 7.4。"曲线右移=放氧增多"是波尔效应最常考的一句话;能使曲线右移的因素有:pH↓(H+↑)、CO2↑、BPG↑、温度↑。
图内标注中英对照 · 13 条
English中文
1.01.0(纵轴刻度,完全饱和)
pH 7.6pH 7.6(肺部血液 pH,曲线最左、对 O₂ 亲和力最高)
Y 0.5Y 0.5(纵轴:饱和度分数 θ;0.5 即半饱和,对应 P₅₀)
pH 7.4pH 7.4(体外测定血红蛋白结合曲线的常用 pH)
pH 7.2pH 7.2(组织中血液 pH,曲线右移、对 O₂ 亲和力最低)
00(纵轴原点)
00(横轴原点)
22(横轴刻度,kPa)
44(横轴刻度,kPa)
66(横轴刻度,kPa)
88(横轴刻度,kPa)
1010(横轴刻度,kPa)
pO₂ (kPa)氧分压 pO₂(单位:kPa)
Original text

Oxygen and H+ are not bound at the same sites in hemoglobin. Oxygen binds to the iron atoms of the hemes, whereas H+ binds to any of several amino acid residues in the protein. A major contribution to the Bohr effect is made by His146 (His HC3) of the β subunits. When protonated, this residue forms one of the ion pairs — to Asp94 (Asp FG1) — that helps stabilize deoxyhemoglobin in the T state (Fig. 5-9). Protonation of the amino-terminal residues of the α subunits, certain other His residues, and perhaps other groups has a similar effect.

中文翻译

氧和 H+ 在血红蛋白上并不结合于同一位点。氧结合到血红素的铁原子上,而 H+ 结合到蛋白质中若干氨基酸残基里的任何一个上。对波尔效应贡献最大的是 β 亚基的 His146(His HC3)。该残基质子化后,会与 Asp94(Asp FG1)形成一对离子对,帮助把脱氧血红蛋白稳定在 T 态(图5-9)。α 亚基氨基端残基的质子化、某些其他 His 残基以及可能还有别的基团的质子化,也有类似效果。

§5.1 Hemoglobin Also Transports H+ and CO2 · 教材 p. 666
Original text

When the concentration of carbon dioxide is high, as in peripheral tissues, some CO2 binds to hemoglobin and the affinity for O2 decreases, causing its release. Conversely, when hemoglobin reaches the lungs, the high oxygen concentration promotes binding of O2 and release of CO2. It is the capacity to communicate ligand-binding information from one polypeptide subunit to the others that makes the hemoglobin molecule so beautifully adapted to integrating the transport of O2, CO2, and H+ by erythrocytes.

中文翻译

当二氧化碳浓度高时(如在外周组织中),一部分 CO2 结合到血红蛋白上,使其对 O2 的亲和力下降,从而引起 O2 释放。反过来,当血红蛋白到达肺部时,高氧浓度促进 O2 结合并促使 CO2 释放。正是这种把配体结合信息从一个多肽亚基传递给其他亚基的能力,使血红蛋白分子如此漂亮地适应于把红细胞对 O2、CO2 和 H+ 的运输整合起来。

§5.1 Hemoglobin Also Transports H+ and CO2 · 教材 p. 667
原理解读

【波尔效应完整链条(简答题模板)】外周组织:有氧氧化产生 CO2 → 碳酸酐酶催化 CO2 + H2O ⇌ H+ + HCO3− → H+ 升高、pH 下降,同时 CO2 本身也升高 → H+ 与 CO2 结合到血红蛋白上,稳定 T 态 → 氧亲和力下降、曲线右移 → O2 卸给组织。肺部:CO2 被呼出、pH 回升 → H+ 与 CO2 从血红蛋白上解离 → 稳定 R 态 → 氧亲和力升高 → 装载 O2。一句话概括:H+、CO2 与 O2 的结合互为反向(inverse relationship)。 【运输定量(必背)】血红蛋白把组织中生成的 H+ 约 40%、CO2 约 15%~20% 运到肺和肾。其余 H+ 由血浆碳酸氢盐缓冲体系吸收,其余 CO2 以溶解的 HCO3− 和 CO2 形式运输。(这一段原文被换行切断,无法取得满足长度要求的连续引文,故在此讲明。) 【两类质子结合位点,考点在"位点不同"】O2 结合在血红素铁上,H+ 结合在氨基酸残基上——两者绝不是竞争同一位点,而是通过构象(T/R 平衡)互相影响,这正是异促别构调节的定义。贡献最大的质子结合基团:β 亚基 His146(His HC3),质子化后与 Asp94(Asp FG1)形成离子对稳定 T 态;其次是 α 亚基的氨基末端残基和某些其他 His。注意 His HC3 这个残基在 1c 分册的图5-10 里已经出现过——T 态成对、R 态转向分子中心,两处必须联起来记。 【CO2 的化学结合方式(原文仅 36 词,不足引用长度,在此写明)】CO2 以氨基甲酸酯(carbamate)基团的形式结合到每条珠蛋白链氨基末端的 α-氨基上,形成氨基甲酰血红蛋白(carbaminohemoglobin)。该反应本身还产生 H+,因而对波尔效应有额外贡献;结合上去的氨基甲酸酯还形成额外的盐桥,进一步稳定 T 态、促进放氧。 【一个反应式要写对】CO2 + H2O ⇌ H+ + HCO3−,酶:碳酸酐酶(carbonic anhydrase),红细胞中特别丰富;若无此转化,组织和血液中会形成 CO2 气泡。

术语对照
  • 波尔效应Bohr effect名词解释高频:pH 降低、CO2 升高使 Hb 氧亲和力下降、曲线右移;Christian Bohr, 1904
  • 碳酸酐酶carbonic anhydrase催化 CO2 + H2O ⇌ H+ + HCO3−,红细胞中丰富
  • 氨基甲酰血红蛋白carbaminohemoglobinCO2 以氨基甲酸酯结合于珠蛋白链 N 端 α-氨基所成产物
  • His HC3(His146β)His HC3波尔效应主要质子结合位点,与 Asp FG1(Asp94β)成离子对稳定 T 态

2,3-二磷酸甘油酸(BPG)对血红蛋白氧结合的调节:高原适应与胎儿血红蛋白Oxygen Binding to Hemoglobin Is Regulated by 2,3-Bisphosphoglycerate

笔记 考点三:血红蛋白:转运氧
Original text

BPG binds at a site distant from the oxygen-binding site and regulates the O2-binding affinity of hemoglobin in relation to the pO2 in the lungs. BPG is present in relatively high concentrations in erythrocytes. When hemoglobin is isolated, it contains substantial amounts of bound BPG, which can be difficult to remove completely.

中文翻译

BPG 结合在一个远离氧结合位点的部位上,并依据肺中的 pO2 来调节血红蛋白结合 O2 的亲和力。BPG 在红细胞中浓度相当高。血红蛋白被分离出来时,其中含有大量结合的 BPG,而且很难完全除净。

§5.1 Oxygen Binding to Hemoglobin Is Regulated by 2,3-Bisphosphoglycerate · 教材 p. 668
Original text

BPG is important in the physiological adaptation to the lower pO2 at high altitudes. For a healthy human at sea level, the binding of O2 to hemoglobin is regulated such that the amount of O2 delivered to the tissues is nearly 40% of the maximum that could be carried by the blood (Fig. 5-16). Imagine that this person is suddenly transported from sea level to an altitude of 4,500 meters, where the pO2 is considerably lower. The delivery of O2 to the tissues is now reduced. However, after just a few hours at the higher altitude, the BPG concentration in the blood has begun to rise, leading to a decrease in the affinity of hemoglobin for oxygen. This adjustment in the BPG level has only a small effect on the binding of O2 in the lungs, but it has a considerable effect on the release of O2 in the tissues.

中文翻译

BPG 在对高海拔较低 pO2 的生理适应中很重要。对海平面上的健康人来说,O2 与血红蛋白的结合受到这样的调节:送到组织的 O2 量接近血液所能携带最大量的 40%(图5-16)。设想此人突然从海平面被送到海拔 4,500 米处,那里 pO2 低得多。此时输送到组织的 O2 减少。然而,在高海拔只待上几小时之后,血中 BPG 浓度就开始上升,导致血红蛋白对氧的亲和力下降。BPG 水平的这一调整对肺中 O2 的结合只有很小影响,但对组织中 O2 的释放影响相当大。

§5.1 Oxygen Binding to Hemoglobin Is Regulated by 2,3-Bisphosphoglycerate · 教材 p. 669
Original text

As a result, the delivery of oxygen to the tissues is restored to nearly 40% of the O2 that can be transported by the blood. The situation is reversed when the person returns to sea level. The BPG concentration in erythrocytes also increases in people suffering from hypoxia, lowered oxygenation of peripheral tissues due to inadequate functioning of the lungs or circulatory system.

中文翻译

结果,输送到组织的氧又恢复到血液所能运输 O2 量的近 40%。当此人返回海平面时,情况反转。低氧症患者——即因肺或循环系统功能不足而使外周组织氧合下降者——红细胞中 BPG 浓度同样升高。

§5.1 Oxygen Binding to Hemoglobin Is Regulated by 2,3-Bisphosphoglycerate · 教材 p. 669
(图5-16 说明节选)注意:完全没有 BPG 时血红蛋白与氧结合得相当紧,结合曲线看上去像双曲线。实际上,把 BPG 从血红蛋白上除去后,实测的 O2 结合协同性希尔系数只是略微下降(由 3 降到约 2.5),但 S 形结合曲线的上升段被压缩在靠近原点的很小一段区域里。在海平面,血红蛋白在肺中几乎被 O2 饱和,而在组织中刚过 60% 饱和,因此组织中释放的 O2 约为血液可携带最大量的 38%。在高海拔,O2 输送量下降约四分之一,降到最大量的 30%。
图注 · (图5-16 说明节选)注意:完全没有 BPG 时血红蛋白与氧结合得相当紧,结合曲线看上去像双曲线。实际上,把 BPG 从血红蛋白上除去后,实测的 O2 结合协同性希尔系数只是略微下降(由 3 降到约 2.5),但 S 形结合曲线的上升段被压缩在靠近原点的很小一段区域里。在海平面,血红蛋白在肺中几乎被 O2 饱和,而在组织中刚过 60% 饱和,因此组织中释放的 O2 约为血液可携带最大量的 38%。在高海拔,O2 输送量下降约四分之一,降到最大量的 30%。
Caption · Note that hemoglobin binds to oxygen quite tightly when BPG is entirely absent, and the binding curve seems to be hyperbolic. In reality, the measured Hill coefficient for O2binding cooperativity decreases only slightly (from 3 to about 2.5) when BPG is removed from hemoglobin, but the rising part of the sigmoid binding curve is confined to a very small region close to the origin. At sea level, hemoglobin is nearly saturated with O2 in the lungs, but is just over 60% saturated in the tissues, so the amount of O2 released in the tissues is about 38% of the maximum that can be carried in the blood. At high altitudes, O2 delivery declines by about one-fourth, to 30% of maximum.
怎么看 · 三条曲线代表三种 BPG 浓度:BPG 越高曲线越右移、对 O₂ 亲和力越低、卸氧越多(黑 0 mM → 蓝 5 mM → 绿 8 mM)。看图要抓「箭头对应的百分比」——高原上肺内 pO₂ 降低使卸氧量由 38% 掉到 30%,而 BPG 由 5 mM 升到 8 mM 又把它拉回 37%,这正是高原适应的分子机制,也是考研论述题「BPG 如何调节血红蛋白载氧」的标准素材(可顺带联系胎儿血红蛋白 HbF α₂γ₂ 结合 BPG 弱、亲和力高)。
讲解 · 图注开头一句(正常人血中 BPG 浓度:海平面约 5 mM、高海拔约 8 mM)在干净副本里 mM 被 OCR 打坏,无法逐字引用,数字记在这里即可:5 mM → 8 mM。 三条曲线的读法:无 BPG(最左,近似双曲线,亲和力最高,肺中上氧好但组织中放不出氧);正常 BPG(中间,标准 S 形,海平面卸氧约 38%);BPG 升高(最右,亲和力最低,卸氧能力恢复)。高原适应的数量链:初到高原卸氧从 38% 掉到 30%(降约四分之一)→ 数小时内 BPG 由 5 mM 升到 8 mM → 卸氧回到约 37%。 易错点:去掉 BPG 后曲线"看起来像双曲线",但协同性并没有消失——希尔系数只从 3 降到约 2.5,只是 S 形的上升段被挤到极靠近原点处。判断题常拿"无 BPG 时血红蛋白失去协同性"设陷阱。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
pO₂ in tissues组织中的氧分压 pO₂(约 4 kPa,棕色竖线)
pO₂ in lungs (4,500 m)海拔 4,500 m 处肺中的氧分压 pO₂(约 7.5 kPa,红色竖线)
pO₂ in lungs (sea level)海平面肺中的氧分压 pO₂(约 13 kPa,红色竖线)
1.01.0(纵轴刻度,完全饱和)
BPG = 0 mMBPG = 0 mM(黑色曲线:完全除去 2,3-二磷酸甘油酸,曲线极左、近似双曲线,亲和力过高)
38%38%(海平面下组织中实际释放的 O₂ 量,占血液最大携氧量的百分比)
30%30%(海拔 4,500 m 未适应时的 O₂ 释放量,比海平面下降约 1/4)
37%37%(BPG 升高至约 8 mM 后高原条件下恢复到的 O₂ 释放量)
Y 0.5Y 0.5(纵轴:饱和度分数 θ;0.5 即半饱和,对应 P₅₀)
BPG ≈ 5 mM at sea levelBPG ≈ 5 mM(海平面正常人血中的 2,3-二磷酸甘油酸浓度,蓝色曲线)
BPG ≈ 8 mM at high altitudes (4,500 m)BPG ≈ 8 mM(高海拔 4,500 m 适应后的 BPG 浓度,绿色曲线,曲线右移)
00(纵轴原点)
44(横轴刻度,kPa)
88(横轴刻度,kPa)
1212(横轴刻度,kPa)
1616(横轴刻度,kPa)
pO₂ (kPa)氧分压 pO₂(单位:kPa)
Original text

The site of BPG binding to hemoglobin is the cavity between the β subunits in the T state (Fig. 5-17). This cavity is lined with positively charged amino acid residues that interact with the negatively charged groups of BPG. Unlike O2, only one molecule of BPG is bound to each hemoglobin tetramer. BPG lowers hemoglobin’s affinity for oxygen by stabilizing the T state. In the absence of BPG, hemoglobin is primarily present in the R state, where it binds O2 efficiently in the lungs but fails to release it in the tissues.

中文翻译

BPG 结合到血红蛋白上的部位,是 T 态中两个 β 亚基之间的空腔(图5-17)。该空腔内衬带正电荷的氨基酸残基,与 BPG 带负电荷的基团相互作用。与 O2 不同,每个血红蛋白四聚体只结合一分子 BPG。BPG 通过稳定 T 态来降低血红蛋白对氧的亲和力。在没有 BPG 时,血红蛋白主要以 R 态存在,它在肺中能高效结合 O2,却无法在组织中把氧释放出来。

§5.1 Oxygen Binding to Hemoglobin Is Regulated by 2,3-Bisphosphoglycerate · 教材 p. 671
图5-17 2,3-二磷酸甘油酸与脱氧血红蛋白的结合。(a) BPG 的结合稳定脱氧血红蛋白的 T 态。BPG 的负电荷与若干带正电基团(在此表面轮廓图中显示为蓝色)相互作用,这些基团环绕着 T 态脱氧血红蛋白表面上两个 β 亚基之间的口袋。(b) 氧合后随着向 R 态转变,BPG 的结合口袋消失。(与图5-10 对照。)[数据来自 (a) PDB ID 1B86,V. Richard et al., J. Mol. Biol. 233:270, 1993;(b) PDB ID 1BBB,M. M. Silva et al., J. Biol. Chem. 267:17,248, 1992.]
图注 · 图5-17 2,3-二磷酸甘油酸与脱氧血红蛋白的结合。(a) BPG 的结合稳定脱氧血红蛋白的 T 态。BPG 的负电荷与若干带正电基团(在此表面轮廓图中显示为蓝色)相互作用,这些基团环绕着 T 态脱氧血红蛋白表面上两个 β 亚基之间的口袋。(b) 氧合后随着向 R 态转变,BPG 的结合口袋消失。(与图5-10 对照。)[数据来自 (a) PDB ID 1B86,V. Richard et al., J. Mol. Biol. 233:270, 1993;(b) PDB ID 1BBB,M. M. Silva et al., J. Biol. Chem. 267:17,248, 1992.]
Caption · FIGURE 5-17 Binding of 2,3-bisphosphoglycerate to deoxyhemoglobin. (a) BPG binding stabilizes the T state of deoxyhemoglobin. The negative charges of BPG interact with several positively charged groups (shown in blue in this surface contour image) that surround the pocket between the β subunits on the surface of deoxyhemoglobin in the T state. (b) The binding pocket for BPG disappears on oxygenation, following transition to the R state. (Compare with Fig. 5-10.) [Data from (a) PDB ID 1B86, V. Richard et al., J. Mol. Biol. 233:270, 1993; (b) PDB ID 1BBB, M. M. Silva et al., J. Biol. Chem. 267:17,248, 1992.]
怎么看 · 上下对比着看:(a) T 态里 BPG 卡在两个 β 亚基之间的中央空腔中,靠空腔四周(图中蓝色)的正电荷基团——β 链的 His HC3、Lys EF6、His H21 和氨基末端 Val NA1——与 BPG 的负电荷(2 个磷酸+1 个羧基)形成静电相互作用,把血红蛋白「拴」在 T 态、降低 O₂ 亲和力;(b) 氧合后转为 R 态,两个 β 亚基彼此靠拢,中央空腔变小、结合口袋消失,BPG 被挤出,所以 (b) 图上找不到那根红色的 BPG。考研常问「BPG 结合部位在哪、为什么只结合脱氧血红蛋白」——答案就是这张图的 (a)↔(b) 差别:结合位点是 β₁–β₂ 之间的中央空腔,T→R 转变时空腔缩小把 BPG 排出。
讲解 · 这张图把"BPG 为什么只是 T 态的稳定剂"讲透了:口袋在 T 态存在、在 R 态消失。结合的化学本质是静电——BPG 带多个负电荷(磷酸基与羧基),口袋内衬正电荷残基(β 链的 N 端 α-氨基、Lys82、His2、His143)。化学计量必考:每个 Hb 四聚体只结合 1 分子 BPG(而 O2 是 4 分子)。把这张图与 1c 分册图5-10 的"T→R 时 β 亚基间口袋变窄"连起来,就是一条完整因果链。
图内标注中英对照 · 5 条
English中文
BPGBPG(2,3-二磷酸甘油酸;分图 (a) 中引线所指的红色棒状分子,嵌在两个 β 亚基之间的中央空腔内)
T stateT 态(紧张态,脱氧血红蛋白;中央空腔较大,蓝色所示的正电荷基团环绕在口袋周围,故 BPG 只结合 T 态)
(a)(a) 分图 a——T 态脱氧血红蛋白的表面模型:BPG 结合于中央空腔,其负电荷与蓝色正电荷基团静电作用,稳定 T 态
R stateR 态(松弛态,氧合血红蛋白;空腔中蓝色正电荷基团仍在,但两 β 亚基靠拢、口袋消失)
(b)(b) 分图 b——R 态氧合血红蛋白的表面模型:氧合后构象转变使 BPG 结合口袋消失,图中已无 BPG
Original text

Regulation of oxygen binding to hemoglobin by BPG has an important role in fetal development. Because a fetus must extract oxygen from its mother’s blood, fetal hemoglobin must have greater affinity than the maternal hemoglobin for O2. The fetus synthesizes γ subunits rather than β subunits, forming α2γ2 hemoglobin.

中文翻译

BPG 对血红蛋白氧结合的调节,在胎儿发育中有重要作用。因为胎儿必须从母亲血液中提取氧,胎儿血红蛋白对 O2 的亲和力就必须高于母体血红蛋白。胎儿合成的是 γ 亚基而不是 β 亚基,形成 α2γ2 血红蛋白。

§5.1 Oxygen Binding to Hemoglobin Is Regulated by 2,3-Bisphosphoglycerate · 教材 p. 672
原理解读

【BPG 是异促别构调节的教科书范例】BPG 与 O2 结合在完全不同的部位(BPG 在 β 亚基之间的中央空腔,O2 在四个血红素上),它不是正常配体,所以属异促(heterotropic)调节,而且是负调节(降低氧亲和力)。教材原文中"BPG 与血红蛋白的相互作用进一步精细调节血红蛋白的功能,提供了异促别构调节的一个例子"一句仅 22 词,不足逐字引用长度,故在此写明。 【机制一句话】BPG 只结合 T 态(口袋在 R 态消失)→ 拉动 T ⇌ R 平衡偏向 T → 氧亲和力下降、S 形曲线右移 → 组织中卸氧增多。反向关系可写成 HbBPG + O2 ⇌ HbO2 + BPG,即 O2 结合与 BPG 结合互相排斥(这一句在原文中长度不足,同样在此讲明)。 【为什么"离体血红蛋白"的曲线也带 BPG】BPG 在红细胞中浓度很高,分离血红蛋白时会带下大量 BPG 且很难除净,因此教材此前展示的所有氧结合曲线,其实都是在有 BPG 结合的条件下测得的。这是一个常被忽略的细节考点。 【高原适应(必背数字链)】海平面:卸氧约为可携带最大量的 38%~40%;骤升到 4,500 m:卸氧降到 30%(约降四分之一);数小时后血中 BPG 由 5 mM 升到 8 mM → 氧亲和力下降 → 对肺中上氧影响很小、对组织放氧影响很大 → 卸氧恢复到约 37%~40%。回到海平面则反向变化。肺或循环功能不全导致的低氧症患者,红细胞 BPG 同样升高——这是代偿机制。 【胎儿血红蛋白 HbF(高频考点)】胎儿必须从母血夺氧,故 HbF 对 O2 亲和力必须高于母体 HbA。组成:α2γ2(γ 亚基取代 β 亚基)。机制不是"γ 链本身更爱氧",而是 α2γ2 对 BPG 的亲和力比成人 HbA 低得多,BPG 稳定 T 态的作用被削弱,因而对 O2 的亲和力相应更高(这半句原文被分页切断,无法逐字引用,在此补全)。 【提醒】BOX 5-1 还提到:胎儿血红蛋白对 CO 的亲和力比成人血红蛋白略高,因此胎儿在 CO 中毒中风险特别大。

术语对照
  • 2,3-二磷酸甘油酸2,3-bisphosphoglycerate (BPG)名词解释高频:红细胞中的异促别构负调节物,结合并稳定 T 态,降低氧亲和力
  • 异促别构调节heterotropic allosteric modulation调节物不是正常配体;BPG、H+、CO2 对 Hb 均属此类
  • 胎儿血红蛋白fetal hemoglobin (HbF)α2γ2;对 BPG 亲和力低 → 对 O2 亲和力高于母体 HbA
  • 低氧症hypoxia外周组织氧合降低;红细胞 BPG 代偿性升高

框5-1 医学:一氧化碳——隐形杀手(CO 中毒的分子机制与救治)BOX 5-1 MEDICINE: Carbon Monoxide, A Stealthy Killer

笔记 考点三:血红蛋白:转运氧笔记 考点四:血红蛋白的分子病
Original text

Carbon monoxide (CO), a colorless, odorless gas, is one of the most common known causes of death due to poisoning (in countries where such records are kept). CO has an approximately 250-fold greater affinity for hemoglobin than does oxygen. Consequently, relatively low levels of CO can have substantial and tragic effects. When CO combines with hemoglobin, the complex is referred to as carboxyhemoglobin, or COHb.

中文翻译

一氧化碳(CO)是一种无色无味的气体,在有相关统计的国家中,它是最常见的中毒致死原因之一。CO 对血红蛋白的亲和力约为氧的 250 倍。因此,相对较低的 CO 水平也能造成重大而惨痛的后果。CO 与血红蛋白结合后形成的复合物称为碳氧血红蛋白(carboxyhemoglobin),即 COHb。

§5.1 BOX 5-1 Carbon Monoxide: A Stealthy Killer · 教材 p. 652
Original text

In an average, healthy individual, 1% or less of the total hemoglobin is complexed as COHb. Since CO is a product of tobacco smoke, many smokers have COHb levels in the range of 3% to 8% of total hemoglobin, and the levels can rise to 15% for chain-smokers. COHb levels equilibrate at 50% in people who breathe air containing 570 ppm of CO for several hours. Reliable methods have been developed that relate CO content in the atmosphere to COHb levels in the blood (Fig. 1). CO levels in the home of the Florida victim exceeded OSHA-mandated limits by more than 30-fold.

中文翻译

在一般健康人体内,总血红蛋白中不超过 1% 以 COHb 形式存在。由于 CO 是烟草烟雾的产物,许多吸烟者的 COHb 水平占总血红蛋白的 3%~8%,连续吸烟者可升至 15%。人若在含 570 ppm CO 的空气中呼吸数小时,COHb 水平将平衡在 50%。现已建立可靠方法,把大气中 CO 含量与血中 COHb 水平联系起来(图1)。那位佛罗里达遇难者家中的 CO 水平,超过 OSHA 规定限值 30 倍以上。

§5.1 BOX 5-1 Carbon Monoxide: A Stealthy Killer · 教材 p. 653
Original text

How is a human affected by COHb? At levels of less than 10% of total hemoglobin, symptoms are rarely observed. At 15%, the individual experiences mild headaches. At 20% to 30%, the headache is severe and is generally accompanied by nausea, dizziness, confusion, disorientation, and some visual disturbances; these symptoms are generally reversed if the individual is treated with oxygen. At COHb levels of 30% to 50%, the neurological symptoms become more severe, and at levels near 50%, the individual loses consciousness and can sink into coma. Respiratory failure may follow. With prolonged exposure, some damage becomes permanent. Death normally occurs when COHb levels rise above 60%.

中文翻译

COHb 对人有何影响?当它占总血红蛋白不足 10% 时,很少观察到症状。到 15% 时,个体出现轻度头痛。到 20%~30% 时,头痛剧烈,通常伴有恶心、眩晕、意识模糊、定向障碍和一些视觉障碍;若给予氧疗,这些症状一般可以逆转。COHb 水平在 30%~50% 时,神经系统症状更加严重;接近 50% 时,个体丧失意识并可陷入昏迷,随后可能发生呼吸衰竭。若长时间暴露,部分损伤将成为永久性。COHb 水平升到 60% 以上时通常致死。

§5.1 BOX 5-1 Carbon Monoxide: A Stealthy Killer · 教材 p. 654
Original text

It may seem surprising that the loss of half of one’s hemoglobin to COHb can prove fatal — we know that people with any of several anemic conditions manage to function reasonably well with half the usual complement of active hemoglobin. However, the binding of CO to hemoglobin does more than remove protein from the pool available to bind oxygen. It also affects the affinity of the remaining hemoglobin subunits for oxygen. As CO binds to one or two subunits of a hemoglobin tetramer, the affinity for O2 is increased substantially in the remaining subunits (Fig. 2). Thus, a hemoglobin tetramer with two bound CO molecules can efficiently bind O2 in the lungs — but it releases very little of it in the tissues. Oxygen deprivation in the tissues rapidly becomes severe.

中文翻译

一半血红蛋白变成 COHb 竟然可以致命,这似乎令人意外——我们知道,患有若干种贫血的人,在只剩正常量一半有活性血红蛋白的情况下,仍能相当好地维持功能。然而,CO 与血红蛋白的结合不只是把一部分蛋白从可用于结合氧的库中拿走,它还会影响其余血红蛋白亚基对氧的亲和力。当 CO 结合到血红蛋白四聚体的一个或两个亚基上时,其余亚基对 O2 的亲和力大幅升高(图2)。于是,一个结合了两分子 CO 的血红蛋白四聚体能在肺中高效结合 O2——却几乎不在组织中释放。组织缺氧迅速变得严重。

§5.1 BOX 5-1 Carbon Monoxide: A Stealthy Killer · 教材 p. 655
Original text

When CO poisoning is suspected, rapid removal of the person from the CO source is essential, but this does not always result in rapid recovery. When an individual is moved from the CO-polluted site to a normal, outdoor atmosphere, O2 begins to replace the CO in hemoglobin — but the COHb level drops only slowly. The half-time is 2 to 6.5 hours, depending on individual and environmental factors. If 100% oxygen is administered with a mask, the rate of exchange can be increased about fourfold

中文翻译

怀疑发生 CO 中毒时,把人迅速从 CO 源处移开是必需的,但这并不总能带来迅速恢复。当个体从 CO 污染现场被移到正常室外空气中时,O2 开始取代血红蛋白上的 CO——但 COHb 水平下降得很慢。半衰时间为 2 至 6.5 小时,取决于个体因素和环境因素。若用面罩给予 100% 氧气,交换速率可提高约四倍

§5.1 BOX 5-1 Carbon Monoxide: A Stealthy Killer · 教材 p. 656
原理解读

【CO 中毒为什么比"少了一半血红蛋白"更致命——本框的核心考点】贫血患者只是携氧总量减半,剩下的血红蛋白依然是正常的 S 形协同曲线,卸氧比例不变;CO 中毒则是"双重打击":①占位——CO 与 Hb 亲和力约为 O2 的 250 倍,直接把血红素位点占掉;②扭曲协同性——CO 结合 1~2 个亚基后,把整个四聚体推向 R 态,使其余亚基对 O2 的亲和力大幅升高,结果肺中上氧很好、组织中却几乎不放氧(曲线严重左移)。所以同样是"一半血红蛋白失效",CO 中毒的组织缺氧远比贫血严重。这是简答题的高频问法。 【数字表(背下来)】CO/Hb 亲和力≈O2 的 250 倍(游离血红素上 CO 强 20,000 倍,嵌入肌红蛋白后约 40 倍——三个数字别混);正常人 COHb ≤1%;吸烟者 3%~8%,连续吸烟者可达 15%;570 ppm 空气中数小时 → 平衡在 50%;症状:<10% 无症状,15% 轻度头痛,20%~30% 剧烈头痛+恶心眩晕意识模糊,30%~50% 神经症状加重,≈50% 昏迷,>60% 死亡;OSHA 工作场所限值 35 ppm(8 小时班)。 【救治原理】脱离现场后 COHb 自然清除的半衰时间 2~6.5 小时;面罩吸 100% 氧可把交换速率提高约 4 倍;若用 3 atm(303 kPa)高压 100% 氧,O2–CO 交换的半衰时间可缩短到数十分钟。原理就是质量作用定律——提高 pO2 把 CO 从血红素上竞争下来。(末句因分页切断,在此补全。) 【其他易考细节】①CO 是化石燃料不完全燃烧的副产物,发动机与炉具排气是主要来源,美国每年近 4,000 人死于 CO 中毒;②吸烟者基础 COHb 高,暴露后更快出现症状;③胎儿血红蛋白(γ 取代 β)对 CO 亲和力略高于成人血红蛋白,胎儿风险特别大,有孕妇康复而胎儿死亡的病例记录;④CO 还结合其他血红素蛋白和多种金属蛋白,这可能与急性非致死性 CO 中毒的远期后遗症有关。⑤本框开头那则 2017 年佛罗里达无钥匙点火 SUV 致死案例,是"生命依赖于蛋白质-配体相互作用的可逆性"这一主题的生动注脚。

术语对照
  • 碳氧血红蛋白carboxyhemoglobin (COHb)CO 与 Hb 的复合物;名词解释可能考
  • 一氧化碳中毒carbon monoxide poisoning占位+左移双重机制;高压氧治疗

镰状细胞贫血——血红蛋白的分子病,附 §5.1 小结Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin / SUMMARY 5.1

笔记 考点四:血红蛋白的分子病
Original text

The hereditary human disease sickle cell anemia demonstrates strikingly the importance of amino acid sequence in determining the secondary, tertiary, and quaternary structures of globular proteins, and thus their biological functions. Almost 500 genetic variants of hemoglobin are known to occur in the human population; all but a few are quite rare. Most variations consist of differences in a single amino acid residue. The effects on hemoglobin structure and function are often minor but can sometimes be extraordinary. Each hemoglobin variation is the product of an altered gene. Variant genes are called alleles. Because humans generally have two copies of each gene, an individual may have two copies of one allele (thus being homozygous for that gene) or one copy of each of two different alleles (thus heterozygous).

中文翻译

人类遗传病镰状细胞贫血极为鲜明地说明:氨基酸序列对于决定球状蛋白的二级、三级和四级结构,进而决定其生物学功能,具有何等重要性。人群中已知存在近 500 种血红蛋白遗传变异体,除少数几种外都相当罕见。多数变异只是单个氨基酸残基的差别。它们对血红蛋白结构与功能的影响往往很轻微,但有时可以极其严重。每一种血红蛋白变异都是某个基因发生改变的产物。变异的基因称为等位基因。因为人一般每个基因有两份拷贝,所以一个个体可以带有同一等位基因的两份拷贝(即该基因为纯合),也可以各带两种不同等位基因的一份拷贝(即杂合)。

§5.1 Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin · 教材 p. 673
Original text

Sickle cell anemia occurs in individuals who inherit the allele for sickle cell hemoglobin from both parents. The erythrocytes of these individuals are fewer and also abnormal. In addition to an unusually large number of immature cells, the blood contains many long, thin, sickle-shaped erythrocytes (Fig. 5-18).

中文翻译

镰状细胞贫血发生在从父母双方都继承了镰状细胞血红蛋白等位基因的个体身上。这些个体的红细胞数量偏少,形态也不正常。除了未成熟细胞数目异常多之外,血中还含有许多细长的、镰刀形的红细胞(图5-18)。

§5.1 Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin · 教材 p. 673
Original text

deoxygenated, it becomes insoluble and forms polymers that aggregate into tubular fibers (Fig. 5-19). Normal hemoglobin (hemoglobin A, or HbA) remains soluble upon deoxygenation. The insoluble fibers of deoxygenated HbS cause the deformed, sickle shape of the erythrocytes, and the proportion of sickled cells increases greatly as blood is deoxygenated.

中文翻译

(承上:来自镰状细胞的血红蛋白,称为血红蛋白 S 或 HbS,一旦被)脱氧,就变得不溶,形成聚合物并聚集成管状纤维(图5-19)。正常血红蛋白(血红蛋白 A,即 HbA)脱氧后仍保持可溶。脱氧 HbS 的不溶性纤维使红细胞变形成镰刀状;而且随着血液脱氧,镰变细胞的比例大大增加。

§5.1 Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin · 教材 p. 674
图5-19 正常血红蛋白与镰状细胞血红蛋白。(a) HbA 与 HbS 构象之间的细微差别,源自 β 链中单个氨基酸的改变。(b) 由于这一改变,脱氧 HbS 表面出现一块疏水斑,使这些分子聚集成链,再排列成不溶性纤维。
图注 · 图5-19 正常血红蛋白与镰状细胞血红蛋白。(a) HbA 与 HbS 构象之间的细微差别,源自 β 链中单个氨基酸的改变。(b) 由于这一改变,脱氧 HbS 表面出现一块疏水斑,使这些分子聚集成链,再排列成不溶性纤维。
Caption · FIGURE 5-19 Normal and sickle cell hemoglobin. (a) Subtle differences between the conformations of HbA and HbS result from a single amino acid change in the β chains. (b) As a result of this change, deoxyHbS has a hydrophobic patch on its surface, which causes the molecules to aggregate into strands that align into insoluble fibers.
怎么看 · 按箭头顺着「单点突变 → 表面疏水斑 → 分子缔合 → 成链 → 排列结晶成纤维」这条链读,这就是镰状细胞贫血作为「分子病」的完整因果链。必背要点:β 链第 6 位 Glu(带负电、亲水)被 Val(疏水)取代;只有脱氧型 HbS 才聚合(缺氧时发作);纯合子发病、杂合子有抗疟优势。
讲解 · 这张图把"一个氨基酸→一种疾病"的因果链画全了:β6 Glu→Val(负电荷的谷氨酸换成疏水的缬氨酸)→ 分子表面多出一块"发黏的"疏水斑 → 脱氧 HbS 之间异常缔合成链 → 链排列成不溶性管状纤维 → 红细胞被撑成镰刀形。关键限定词是"脱氧":只有脱氧 HbS 才聚集(因为疏水斑要与另一分子 T 态构象上的疏水口袋配对),氧合 HbS 和 HbA 都保持可溶。这也解释了为什么缺氧、剧烈运动、高原会诱发镰变危象。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
Hemoglobin A血红蛋白 A(HbA,正常成人血红蛋白)
Hemoglobin S血红蛋白 S(HbS,镰状细胞血红蛋白;β 链第 6 位 Glu→Val)
α₂α₂(α₂ 亚基,灰色)
β₁β₁(β₁ 亚基,浅蓝)
β₂β₂(β₂ 亚基,浅蓝)
α₁α₁(α₁ 亚基,灰色)
(a)(a) 分图 a——HbA 与 HbS 的构象差异(β 链单个氨基酸置换所致的细微差别)
Interaction between molecules分子间相互作用(脱氧 HbS 表面疏水«黏点»使分子彼此缔合)
Strand formation形成链状聚集体(成股/成链)
Alignment and crystallization (fiber formation)排列与结晶(形成纤维)——不溶性纤维束使红细胞变形为镰状
(b)(b) 分图 b——脱氧 HbS 聚合成不溶性纤维的过程
Original text

The altered properties of HbS result from a single amino acid substitution, a Val instead of a Glu residue at position 6 in the two β chains. Replacement of the Glu residue by Val creates a “sticky” hydrophobic contact point at position 6 of the β chain, which is on the outer surface of the molecule. These sticky spots cause deoxyHbS molecules to associate abnormally with each other, forming the long, fibrous aggregates characteristic of this disorder.

中文翻译

HbS 性质的改变,源自单个氨基酸替换:两条 β 链第 6 位上的 Glu 残基被 Val 取代。用 Val 代替 Glu,在 β 链第 6 位造出一个"发黏的"疏水接触点,而该位置正处于分子外表面。这些黏点使脱氧 HbS 分子彼此异常缔合,形成这种疾病特有的长纤维状聚集体。

§5.1 Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin · 教材 p. 676
Original text

Sickle cell anemia is life-threatening and painful. People with this disease suffer repeated crises brought on by physical exertion. They become weak, dizzy, and short of breath, and they also experience heart murmurs and an increased pulse rate. The hemoglobin content of their blood is only about half the normal value of 15 to 16 g/100 mL, because sickled cells are very fragile and rupture easily; this results in anemia (“lack of blood”). An even more serious consequence is that capillaries become blocked by the long, abnormally shaped cells, causing severe pain and interfering with normal organ function — a major factor in the early death of many people with the disease.

中文翻译

镰状细胞贫血既危及生命又十分痛苦。患者因体力活动而反复发作危象。他们变得虚弱、眩晕、气促,还会出现心脏杂音和脉搏加快。他们血中血红蛋白含量只有正常值 15~16 g/100 mL 的大约一半,因为镰变细胞很脆、容易破裂,由此造成贫血(意为"缺血")。更严重的后果是:细长而形状异常的细胞会阻塞毛细血管,引起剧痛并干扰器官正常功能——这是许多患者早年死亡的一个主要原因。

§5.1 Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin · 教材 p. 676
Original text

Investigation into this matter led to the finding that when heterozygous, the allele confers a small but significant resistance to lethal forms of malaria. The heterozygous individuals experience a milder condition called sickle cell trait; only about 1% of their erythrocytes become sickled on deoxygenation. These individuals may live completely normal lives if they avoid vigorous exercise and other stresses on the circulatory system. Natural selection has resulted in an allele population that balances the deleterious effects of the homozygous condition against the resistance to malaria afforded by the heterozygous condition.

中文翻译

对这一现象的研究发现:该等位基因在杂合状态下,能赋予个体对致死型疟疾一定程度的、虽小但确有意义的抵抗力。杂合个体表现为一种较轻的状况,称为镰状细胞性状;他们的红细胞中只有约 1% 在脱氧时发生镰变。这些人只要避免剧烈运动和其他加重循环系统负担的应激,可以完全正常地生活。自然选择的结果,是形成了一种等位基因群体分布,它在纯合状态的有害效应与杂合状态所带来的抗疟力之间取得平衡。

§5.1 Sickle Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin · 教材 p. 677
原理解读

【"分子病"概念的原型】镰状细胞贫血是历史上第一个被阐明分子机制的遗传病,因此被称为分子病(molecular disease)。完整因果链(简答题按此写):基因突变(β 珠蛋白基因密码子 6,GAG→GTG)→ 一级结构改变(β6 Glu→Val,即 HbS)→ 分子表面出现疏水"黏点"→ 脱氧时 HbS 分子异常缔合成链、排成不溶性管状纤维(四级结构层面的异常聚集)→ 红细胞被撑成镰刀形、变脆 → 溶血性贫血+毛细血管阻塞 → 剧痛危象、器官损害、早年死亡。 【必记数字与要点】人群中已知血红蛋白变异体近 500 种,绝大多数罕见,多数为单个残基替换;纯合子才发病(父母双方各传一个等位基因);患者血红蛋白含量约为正常 15~16 g/100 mL 的一半;杂合子=镰状细胞性状,仅约 1% 红细胞在脱氧时镰变,通常生活正常;不治疗者多在儿童期死亡。 【杂合子优势与平衡选择(高频简答)】镰状细胞等位基因在非洲某些地区频率异常高,原因是杂合子对致死型疟疾有一定抵抗力。自然选择在"纯合致病"与"杂合抗疟"之间达成平衡,这是平衡选择(杂合子优势)的经典教科书例证。 【易错点】①镰变只发生在脱氧状态,氧合 HbS 是可溶的;②Glu→Val 位于 β 链第 6 位、在分子外表面,不在血红素口袋内,所以 HbS 的携氧能力本身基本正常,问题出在溶解度与聚集;③贫血的直接原因是镰变细胞脆弱易破(溶血),不是合成不足;④最危险的并发症是毛细血管阻塞(血管闭塞危象),而非贫血本身。

Original text

Protein function often entails interactions with other molecules. A protein binds a molecule, known as a ligand, at its binding site. Myoglobin contains a heme prosthetic group, which binds oxygen. Heme consists of a single atom of Fe2+ coordinated within a porphyrin. Globins are a specialized family of transport proteins containing heme; most globins store oxygen. Oxygen binds to myoglobin reversibly. Reversible binding of a ligand to a protein can be described quantitatively by a dissociation constant Kd.

中文翻译

蛋白质的功能常常包含与其他分子的相互作用。蛋白质在其结合位点上结合一个分子,这个分子称为配体。肌红蛋白含有一个血红素辅基,由它结合氧。血红素由配位在一个卟啉之中的单个 Fe2+ 原子构成。珠蛋白是含血红素的一个特化转运蛋白家族;多数珠蛋白贮存氧。氧与肌红蛋白可逆地结合。配体与蛋白质的可逆结合,可以用解离常数 Kd 作定量描述。

§SUMMARY 5.1 Reversible Binding of a Protein to a Ligand: Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 677
Original text

protein such as myoglobin, the fraction of binding sites occupied by a ligand is a hyperbolic function of ligand concentration. Proteins may undergo conformational changes when a ligand binds, a process called induced fit. In a multisubunit protein, the binding of a ligand to one subunit may affect ligand binding to other subunits. Ligand binding can be regulated. Hemoglobin transports oxygen in blood. Normal adult hemoglobin has four heme-containing subunits, two α and two β, similar in structure to each other and to myoglobin. Hemoglobin exists in two interchangeable structural states, T and R. The T state is most stable when oxygen is not bound. Oxygen binding promotes transition to the R state.

中文翻译

(承上:对于)肌红蛋白这类单体蛋白,被配体占据的结合位点分数是配体浓度的双曲线型函数。配体结合时蛋白质可以发生构象变化,这一过程称为诱导契合。在多亚基蛋白中,配体与一个亚基的结合可以影响配体与其他亚基的结合。配体结合可以被调节。血红蛋白在血液中运输氧。正常成人血红蛋白有四个含血红素的亚基,两个 α 和两个 β,它们彼此之间以及与肌红蛋白之间结构相似。血红蛋白以 T 和 R 两种可互变的结构状态存在。氧未结合时 T 态最稳定。氧的结合促进向 R 态的转变。

§SUMMARY 5.1 Reversible Binding of a Protein to a Ligand: Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 678
Original text

Oxygen binding to hemoglobin is both allosteric and cooperative. As O2 binds to one binding site, the hemoglobin undergoes conformational changes that affect the other binding sites — an example of allosteric behavior. Conformational changes between the T and R states, mediated by subunit-subunit interactions, result in cooperative binding; this is described by a sigmoid binding curve and can be analyzed by a Hill plot. Two major models have been proposed to explain the cooperative binding of ligands to multisubunit proteins: the concerted model and the sequential model. Hemoglobin also binds H+ and CO2, resulting in the formation of ion pairs that stabilize the T state and lessen the protein’s affinity for O2 (the Bohr effect). Oxygen binding to hemoglobin is also modulated by 2,3bisphosphoglycerate, which binds to and stabilizes the T state.

中文翻译

氧与血红蛋白的结合既是别构的,又是协同的。当 O2 结合到一个结合位点上时,血红蛋白发生构象变化,进而影响其他结合位点——这是别构行为的一个例子。T 态与 R 态之间的构象变化由亚基-亚基相互作用介导,产生协同结合;协同结合表现为 S 形结合曲线,并可用希尔作图加以分析。为解释配体与多亚基蛋白的协同结合,已提出两个主要模型:齐变模型和序变模型。血红蛋白还结合 H+ 和 CO2,由此形成的离子对稳定 T 态,降低蛋白质对 O2 的亲和力(波尔效应)。氧与血红蛋白的结合还受 2,3-二磷酸甘油酸调节,后者结合并稳定 T 态。

§SUMMARY 5.1 Reversible Binding of a Protein to a Ligand: Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 678
Original text

Sickle cell anemia is a genetic disease caused by a single amino acid substitution (Glu6 to Val6) in each β chain of hemoglobin. The change produces a hydrophobic patch on the surface of the hemoglobin that causes the molecules to aggregate into bundles of fibers. This homozygous condition results in serious medical complications.

中文翻译

镰状细胞贫血是一种遗传病,起因于血红蛋白每条 β 链上的单个氨基酸替换(Glu6 变为 Val6)。这一改变在血红蛋白表面产生一块疏水斑,使这些分子聚集成纤维束。这种纯合状态导致严重的医学并发症。

§SUMMARY 5.1 Reversible Binding of a Protein to a Ligand: Oxygen-Binding Proteins · 教材 p. 679
原理解读

【§5.1 一页纸复盘(考前速背)】 ①配体与结合位点:可逆结合、互补、特异;诱导契合;多亚基间构象传递;结合可被调节。 ②血红素:原卟啉 IX + Fe2+;六配位(四氮平面内,两轴向:近端 His F8 + O2 位点);Fe2+ 才结合 O2,Fe3+ 不结合。 ③珠蛋白家族:八段 α 螺旋的珠蛋白折叠;Mb、Hb、脑红蛋白、胞红蛋白;结构比序列保守。 ④定量:Ka = ka/kd(M−1);Kd = 1/Ka(M)=半饱和配体浓度;Y = [L]/([L] + Kd) → 双曲线;对氧 Y = pO2/(pO2 + P50)。Kd 越小、P50 越小,亲和力越高。 ⑤结构影响结合:远端 His E7 氢键使 O2 亲和力选择性提高约 500 倍,CO/O2 选择比由 20,000 降为 40;蛋白"呼吸"运动开出配体通道。 ⑥血红蛋白:α2β2,Mr 64,500;α1β1 界面牢固,α1β2 界面在氧合时大幅变动;T 态(紧张、低亲和力、离子对多)⇌ R 态(松弛、高亲和力);Perutz 机制(铁入平面→F 螺旋位移→界面离子对重排)。 ⑦协同性:S 形曲线是诊断标志;希尔方程 log[Y/(1−Y)] = n·log[L] − log Kd;nH ≈ 3(<n = 4);nH = 1 无协同,nH < 1 负协同;MWC 齐变模型 vs KNF 序变模型。 ⑧调节:波尔效应(H+、CO2 ↑ → 亲和力 ↓、曲线右移;His HC3–Asp FG1 离子对);CO2 以氨基甲酸酯结合于 N 端;BPG 结合 β 亚基间空腔、稳定 T 态、每四聚体 1 分子;高原时 BPG 由 5 mM 升到 8 mM;HbF(α2γ2)对 BPG 亲和力低、对 O2 亲和力高。 ⑨分子病:HbS 的 β6 Glu→Val,脱氧时聚集成不溶纤维,红细胞镰变;纯合发病、杂合抗疟(镰状细胞性状)。 【本节最可能出的大题】1)比较肌红蛋白与血红蛋白的结构与氧结合曲线,说明各自的生理功能;2)以血红蛋白为例说明别构效应与协同效应,并写出希尔方程;3)阐述波尔效应与 BPG 调节的机制及其生理意义;4)以镰状细胞贫血为例说明"一级结构决定高级结构与功能"。

术语对照
  • 镰状细胞贫血sickle cell anemia名词解释高频:HbS 纯合,β6 Glu→Val,脱氧聚集致红细胞镰变
  • 血红蛋白 Shemoglobin S (HbS)β 链第 6 位 Val 取代 Glu 的变异血红蛋白
  • 镰状细胞性状sickle cell trait杂合子,约 1% 红细胞脱氧时镰变,具抗疟优势
  • 分子病molecular disease由单个蛋白质分子结构缺陷引起的疾病,镰状细胞贫血为原型
  • 等位基因allele同一基因的不同变异形式;纯合/杂合

免疫应答依靠一整套特化的细胞与蛋白质The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins

笔记 考点五:免疫系统和免疫球蛋白
原理解读

本节承接 5.1 节。5.1 节讲的是血红素这一辅基与 O2 的可逆结合;从本节起,教材转向绝大多数蛋白质—配体相互作用的通例——结合部位是蛋白质里的一条裂隙,裂隙内壁由特定排列的氨基酸残基组成,靠形状与化学基团的互补实现专一识别。免疫球蛋白正是把这一「互补性」原理推向极致的范例:机体用一套可变的结合部位,去匹配自然界中几乎任何一种化学结构。中文笔记「考点五 免疫系统和免疫球蛋白」的框架,也是沿「免疫系统的细胞与分子构成 → 抗体结构 → 抗原结合的本质 → 分析应用」这条线展开,本节对应第一段。

Original text

a ligand is more often like the hemoglobin binding site for BPG —a cleft in the protein lined with amino acid residues, arranged to make the binding interaction highly specific. Effective discrimination between ligands is the norm at binding sites, even when the ligands have only minor structural differences.

中文翻译

配体的结合部位更常见的样子,是像血红蛋白结合 BPG 的部位那样——蛋白质里的一条裂隙,裂隙内壁排列着氨基酸残基;这样的排布使结合作用高度专一。结合部位能有效区分不同配体,这是常态,哪怕这些配体之间只存在细微的结构差异。

§5.2 Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins · 教材 p. 680
Original text

Almost all organisms have an immune system of some type that allows them to respond to challenges presented by environmental pathogens. The emergence of vertebrates about 500 million years ago was accompanied by the evolution of an adaptive immune system based on the generation of large numbers of distinct cell clones, each expressing a protein variant that could recognize and bind to a particular type of chemical structure. The system distinguishes molecular “self” from “nonself” and then destroys what is identified as nonself. In this way, the immune system eliminates viruses, bacteria, and other pathogens and molecules that may pose a threat to the organism.

中文翻译

几乎所有生物都拥有某种形式的免疫系统,靠它应对环境中病原体带来的挑战。约 5 亿年前脊椎动物的出现,伴随着适应性免疫系统的演化;这套系统的基础,是产生大量彼此不同的细胞克隆,每个克隆表达一种蛋白质变体,这种变体能够识别并结合某一特定类型的化学结构。该系统把分子层面的「自身」与「非自身」区分开来,随后摧毁被判定为非自身的东西。免疫系统正是靠这种方式,清除病毒、细菌以及其他可能威胁机体的病原体和分子。

§5.2 Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins · 教材 p. 680
原理解读

考研常考「适应性免疫(获得性免疫)与固有免疫的区别」。教材这里点出适应性免疫的两个要害:其一,它随脊椎动物出现而演化(约 5 亿年前);其二,机制上依赖「大量不同的细胞克隆,每个克隆表达一种识别蛋白」。记住这条判断标准:免疫系统的功能是「区分自身与非自身,并摧毁非自身」。生理层面上,免疫应答是多类蛋白质、分子与细胞之间一套精细而协调的相互作用;而在单个蛋白质层面,免疫应答展示的正是——一个极其灵敏、极其专一的生化系统,可以完全建立在「配体与蛋白质的可逆结合」之上。这句话是本章的立论核心,命题人爱用它考「蛋白质功能与结合的关系」。

Original text

Immunity is brought about by a variety of leukocytes (white blood cells), including macrophages and lymphocytes, all of which develop from undifferentiated stem cells in the bone marrow. Leukocytes can leave the bloodstream and patrol the tissues, each cell producing one or more proteins capable of recognizing and binding to molecules that might signal an infection.

中文翻译

多种白细胞(leukocyte)共同实现免疫,其中包括巨噬细胞(macrophage)和淋巴细胞(lymphocyte),它们全都由骨髓中未分化的干细胞发育而来。白细胞能够离开血流、在组织中巡查;每个细胞产生一种或多种蛋白质,这些蛋白质能够识别并结合那些可能提示感染的分子。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 681
Original text

The immune response consists of two complementary systems, the humoral and cellular immune systems. The humoral immune system (Latin humor, “fluid”) is directed at bacterial infections and extracellular viruses (those found in the body fluids), but it can also respond to individual foreign proteins. The cellular immune system destroys host cells infected by viruses and also destroys some parasites and foreign tissues.

中文翻译

免疫应答由两个互补的系统组成:体液免疫系统与细胞免疫系统。体液免疫系统(humoral,源自拉丁文 humor,意为「体液」)针对细菌感染和细胞外病毒(即存在于体液中的病毒),但它也能对单个外源蛋白质作出应答。细胞免疫系统摧毁被病毒感染的宿主细胞,也摧毁某些寄生虫和外来组织。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 681
Original text

Immunoglobulins bind bacteria, viruses, or large molecules identified as foreign and target them for destruction. Making up 20% of blood protein, the immunoglobulins are produced by B lymphocytes, or B cells, so named because they complete their development in the bone marrow.

中文翻译

免疫球蛋白结合细菌、病毒或被判定为外源的大分子,并把它们标定出来、交由机体摧毁。免疫球蛋白占血液蛋白质的 20%,由 B 淋巴细胞(B lymphocyte,即 B 细胞)产生;之所以叫 B 细胞,是因为它们在骨髓(bone marrow)里完成发育。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 682
Original text

The agents at the heart of the cellular immune response are a class of T lymphocytes, or T cells (so called because the latter stages of their development occur in the thymus), known as cytotoxic T cells (TC cells, also called killer T cells). Recognition of infected cells or parasites involves proteins called T-cell receptors on the surface of TC cells. Receptors are proteins, usually found on the outer surface of cells and extending through the plasma membrane, that recognize and bind extracellular ligands, thus triggering changes inside the cell.

中文翻译

细胞免疫应答的核心执行者,是一类 T 淋巴细胞(T lymphocyte,即 T 细胞;这样命名是因为它们发育的后期阶段在胸腺中完成),称为细胞毒性 T 细胞(TC 细胞,又叫杀伤性 T 细胞)。识别被感染的细胞或寄生虫,要靠 TC 细胞表面一类称为 T 细胞受体(T-cell receptor)的蛋白质。受体是一类蛋白质,通常位于细胞外表面并贯穿质膜;它们识别并结合细胞外的配体,由此触发细胞内部的变化。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 682
Original text

In addition to cytotoxic T cells, there are helper T cells (TH cells), whose function it is to produce soluble signaling proteins called cytokines, which include the interleukins. TH cells interact with macrophages. The TH cells participate only indirectly in the destruction of infected cells and pathogens, stimulating the selective proliferation of those TC and B cells that can bind to a particular antigen. This process, called clonal selection, increases the number of immune system cells that can respond to a particular pathogen. A host organism needs time, often days, to mount an immune response against a new antigen, but memory cells permit a rapid response to pathogens previously encountered.

中文翻译

除细胞毒性 T 细胞之外,还有辅助性 T 细胞(TH 细胞),它的功能是产生称为细胞因子(cytokine)的可溶性信号蛋白,细胞因子中就包括各种白细胞介素。TH 细胞与巨噬细胞相互作用。TH 细胞只是间接参与摧毁被感染的细胞和病原体:它刺激那些能结合某一特定抗原的 TC 细胞和 B 细胞发生选择性增殖。这一过程称为克隆选择(clonal selection),它使能够对某一特定病原体作出应答的免疫系统细胞数目增多。宿主生物针对一种新抗原发动免疫应答需要时间,往往要好几天;但记忆细胞(memory cell)让机体能对以前遭遇过的病原体迅速作出应答。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 682
Original text

When injected into a person, the vaccine generally does not cause an infection and illness, but it effectively “teaches” the immune system what the viral particles look like, stimulating the production of memory cells. On subsequent infection, these cells can bind to the virus and trigger a rapid immune response.

中文翻译

把疫苗注入人体后,它一般不会引起感染和疾病,却能有效地「教会」免疫系统病毒颗粒长什么样,从而刺激记忆细胞的产生。日后再度感染时,这些细胞就能结合病毒,并触发迅速的免疫应答。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 683
原理解读

疫苗的成分教材写得很具体:常为减毒或灭活的病毒,或从病毒、细菌蛋白质外壳中分离出来的蛋白质(即亚单位疫苗)。把「克隆选择—记忆细胞—初次/再次应答」串起来记:初次应答慢(往往要数天)、以 IgM 为主;再次应答快、由记忆 B 细胞启动、以 IgG 为主(下一节讲抗体分类时会正面写到)。这是名词解释与简答的高频组合。

Original text

The importance of TH cells is dramatically illustrated by the epidemic produced by HIV (human immunodeficiency virus), the virus that causes AIDS (acquired immune deficiency syndrome). TH cells are the primary targets of HIV infection; elimination of these cells progressively incapacitates the entire immune system.

中文翻译

TH 细胞有多重要,HIV(人类免疫缺陷病毒)引发的流行病把它体现得淋漓尽致;HIV 正是导致 AIDS(获得性免疫缺陷综合征)的病毒。TH 细胞是 HIV 感染的首要靶标;这些细胞被清除,会让整个免疫系统逐步丧失功能。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 683
Original text

Each recognition protein of the immune system, either a T-cell receptor or an antibody produced by a B cell, specifically binds some particular chemical structure, distinguishing it from virtually all others. Humans are capable of producing more than 108 different antibodies with distinct binding specificities. Given this extraordinary diversity, any chemical structure on the surface of a virus or an invading cell will most likely be recognized and bound by one or more antibodies. Antibody diversity is derived from random reassembly of a set of immunoglobulin gene segments through genetic recombination mechanisms that are discussed in Chapter 25 (see Fig. 25-42).

中文翻译

免疫系统的每一种识别蛋白——无论是 T 细胞受体,还是 B 细胞产生的抗体——都专一地结合某一特定化学结构,把它与几乎所有其他结构区分开来。人类能够产生 10^8 种以上结合专一性各不相同的抗体。有了这样惊人的多样性,病毒表面或入侵细胞表面的任何化学结构,都极可能被一种或多种抗体识别并结合。抗体多样性来自一组免疫球蛋白基因片段经遗传重组机制发生的随机重排,这些机制将在第 25 章讨论(见图 25-42)。

§The Immune Response Includes a Specialized Array of Cells and Proteins · 教材 p. 683
原理解读

注意:干净副本里「more than 108 different antibodies」是上标丢失所致,真实含义是 10^8(一亿)种以上。这个数量级要背——它是「抗体多样性」这道简答题的量化支撑。抗体多样性的来源,Lehninger 本章只给结论:免疫球蛋白基因片段通过遗传重组随机重排(详见第 25 章)。考研答题时通常还要补上重链与轻链的随机配对、连接处的插入缺失以及体细胞高频突变,但要清楚教材本章只写到「基因片段随机重排」这一层。还有一处结论要记,其原文因跨页被切成不足 40 词的短段、无法整段引用:免疫应答在生理层面是多类蛋白质、分子和细胞之间精细而协调的相互作用;在单个蛋白质层面,它证明了一个极灵敏、极专一的生化系统可以建立在配体与蛋白质的可逆结合之上。

术语对照
  • 抗原antigen能引发免疫应答的分子或病原体;名词解释高频
  • 白细胞leukocyte含巨噬细胞与淋巴细胞,均源自骨髓未分化干细胞
  • 体液免疫系统humoral immune system针对细菌感染与细胞外病毒;核心分子是抗体
  • 细胞免疫系统cellular immune system杀伤病毒感染的宿主细胞、某些寄生虫与外来组织
  • B 淋巴细胞B lymphocyte (B cell)在骨髓 bone marrow 完成发育,产生免疫球蛋白
  • T 淋巴细胞T lymphocyte (T cell)发育后期在胸腺 thymus 完成;分 TC 与 TH
  • 细胞毒性 T 细胞cytotoxic T cell (TC cell)又称杀伤性 T 细胞,靠 T 细胞受体识别靶细胞
  • 辅助性 T 细胞helper T cell (TH cell)分泌细胞因子;HIV 的首要靶细胞
  • T 细胞受体T-cell receptorTC 细胞表面的识别蛋白,与抗体并列为两大识别蛋白
  • 细胞因子(白细胞介素)cytokine (interleukin)TH 细胞分泌的可溶性信号蛋白
  • 克隆选择clonal selectionTH 刺激能结合特定抗原的 TC、B 细胞选择性增殖;名词解释高频
  • 记忆细胞memory cell疫苗有效性的分子基础,支撑快速再次应答
  • 巨噬细胞macrophage吞噬细胞,可被 IgG 的 Fc 段激活
图 5-20 免疫球蛋白 G。(a) 重链与轻链两两配对,组成一个 Y 形分子。两个抗原结合位点,由一条轻链的可变区(VL)与一条重链的可变区(VH)组合而成。用木瓜蛋白酶在铰链区切割,可把该蛋白质的 Fab 段与 Fc 段分开。Fc 段上还结合有糖链(见 (b))。
图注 · 图 5-20 免疫球蛋白 G。(a) 重链与轻链两两配对,组成一个 Y 形分子。两个抗原结合位点,由一条轻链的可变区(VL)与一条重链的可变区(VH)组合而成。用木瓜蛋白酶在铰链区切割,可把该蛋白质的 Fab 段与 Fc 段分开。Fc 段上还结合有糖链(见 (b))。
Caption · FIGURE 5-20 Immunoglobulin G. (a) Pairs of heavy and light chains combine to form a Y- shaped molecule. Two antigen-binding sites are formed by the combination of variable domains from one light (VL) chain and one heavy (VH) chain. Cleavage with papain separates the Fab and Fc portions of the protein in the hinge region. The Fc portion also contains bound carbohydrate (shown in (b)).
怎么看 · 先认 Y 形骨架:两条重链(H)+两条轻链(L)经二硫键相连,上端两臂各由 V_L + V_H 拼出一个抗原结合部位(故 IgG 是二价的),木瓜蛋白酶在铰链区切开得到 2 个 Fab 和 1 个 Fc。考研高频点:Fab/Fc 的划分与酶切、可变区(尤其 CDR 高变区)决定特异性、Fc 携带糖链并介导补体激活与受体结合。
讲解 · 这幅图是「考点五」的骨架图,务必能默画:两条重链 + 两条轻链,靠非共价键与二硫键连成 Y 形;Y 的两条臂末端各有一个抗原结合位点,由 VL + VH 组合而成;铰链区是木瓜蛋白酶的切点,切出 2 个 Fab 段和 1 个 Fc 段。常考的对照点:木瓜蛋白酶切出 2Fab + Fc,而胃蛋白酶(pepsin)切在铰链区二硫键的 C 端一侧、产生 F(ab')2——后者见于中文笔记,Lehninger 本章未写,答题时可作补充。
图内标注中英对照 · 24 条
English中文
Antigen-binding site抗原结合部位(由 V_L 与 V_H 共同构成,左臂)
Papain cleavage sites木瓜蛋白酶切割位点(位于铰链区,切开后产生 Fab 与 Fc)
Antigen-binding site抗原结合部位(右臂)
H₃N⁺H₃N⁺(多肽链的氨基末端,带正电)
NH₃⁺NH₃⁺(多肽链的氨基末端)
V_HV_H(重链可变区结构域)
V_LV_L(轻链可变区结构域)
C_H1C_H1(重链第 1 个恒定区结构域)
FabFab(抗原结合片段,fragment antigen-binding)
C_LC_L(轻链恒定区结构域)
S–SS–S(二硫键,黄色;连接重链与轻链、以及两条重链)
⁻OOC⁻OOC(轻链的羧基末端)
COO⁻COO⁻(轻链的羧基末端)
C_H2C_H2(重链第 2 个恒定区结构域)
FcFc(可结晶片段,fragment crystallizable;含结合的糖链,介导效应功能)
C_H3C_H3(重链第 3 个恒定区结构域)
⁻OOC⁻OOC(重链的羧基末端)
COO⁻COO⁻(重链的羧基末端)
C = constant domainC = 恒定区结构域(constant domain)
V = variable domainV = 可变区结构域(variable domain)
H, L = heavy, light chainsH、L = 重链、轻链(heavy、light chains)
(a)(a) 分图 a——IgG 的结构域示意图(Y 形分子,2 重链 + 2 轻链)
(b)(b) 分图 b——IgG 分子的带状(ribbon)模型;两条重链为两种蓝,两条轻链为两种红
Bound carbohydrate结合的糖链(位于 Fc 段的寡糖)

抗体具有两个相同的抗原结合位点Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites

笔记 考点五:免疫系统和免疫球蛋白
原理解读

本段先补足免疫学的专用词汇(抗原、抗原决定簇、半抗原),再进入 IgG 的四链结构。结构与功能的对应是这一段的主线:可变区决定「结合什么」,恒定区决定「结合之后干什么」(激活吞噬细胞、被 Fc 受体识别等)。抓住这条主线,五类免疫球蛋白的差别就只剩一句话——重链恒定区类型不同,因而效应功能不同。

Original text

Any molecule or pathogen capable of eliciting an immune response is called an antigen. An antigen may be a virus, a bacterial cell wall, or an individual protein or other macromolecule. A complex antigen may be bound by several different antibodies. An individual antibody or T-cell receptor binds only a particular molecular structure within the antigen, called its antigenic determinant or epitope.

中文翻译

任何能够引发免疫应答的分子或病原体,都称为抗原(antigen)。抗原可以是一个病毒、一段细菌细胞壁,也可以是单个蛋白质或其他大分子。一个复杂抗原可以被数种不同的抗体结合。而单个抗体或 T 细胞受体只结合抗原内部某一特定的分子结构,这个结构称为该抗原的抗原决定簇(antigenic determinant)或表位(epitope)。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 684
Original text

It would be unproductive for the immune system to respond to small molecules that are common intermediates and products of cellular metabolism. Molecules of Mr < 5,000 are generally not antigenic. However, when small molecules are covalently attached to large proteins in the laboratory, they can be used to elicit an immune response. These small molecules are called haptens. The antibodies produced in response to protein-linked haptens will then bind to the same small molecules in their free form. Such antibodies are sometimes used in the development of analytical tests described later in this chapter or as a specific ligand in affinity chromatography (see Fig. 3-17c).

中文翻译

如果免疫系统对细胞代谢中常见的中间产物和终产物这类小分子发生应答,那是毫无益处的。Mr < 5,000 的分子一般不具有抗原性。不过,在实验室里把小分子共价连接到大蛋白质上以后,就可以用它们引发免疫应答。这类小分子称为半抗原(hapten)。机体针对「连在蛋白质上的半抗原」产生的抗体,随后也能结合处于游离状态的同种小分子。人们有时用这类抗体来开发本章后面介绍的分析检测方法,或者把它们用作亲和层析中的专一配体(见图 3-17c)。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 684
原理解读

半抗原是名词解释的常客,务必答全两层:① 本身分子量小(Mr < 5,000 一般无抗原性),单独存在时只有反应原性、没有免疫原性;② 与大分子蛋白质(载体)共价结合后即可引发免疫应答,所产生的抗体又能识别游离状态的该小分子。教材还点出半抗原的两个实用价值:制备小分子检测用抗体(免疫分析),以及充当亲和层析的专一配体。另一个常考对比:抗原是「整个分子或病原体」,抗原决定簇(表位)是「抗体真正接触的那一小块结构」;一个复杂抗原带有多个表位,因而可被多种抗体同时结合——这一点是后面区分多克隆抗体与单克隆抗体的伏笔。

Original text

has four polypeptide chains: two large ones, called heavy chains, and two smaller ones, called light chains, linked by noncovalent and disulfide bonds into a complex of Mr 150,000. The heavy chains of an IgG molecule interact at one end, then branch to interact separately with the light chains, forming a Y-shaped molecule (Fig. 5-20). At the “hinges” separating the base of an IgG molecule from its branches, the immunoglobulin can be cleaved with proteases. Cleavage with the protease papain liberates the basal fragment, called Fc because it usually crystallizes readily, and the two branches, called Fab, the antigen-binding fragments. Each branch has a single antigen-binding site.

中文翻译

(IgG)有四条多肽链:两条大的,称为重链(heavy chain);两条小的,称为轻链(light chain)。它们靠非共价键和二硫键连成一个 Mr 150,000 的复合物。IgG 分子的两条重链在一端相互作用,随后分叉,各自与一条轻链相互作用,由此形成一个 Y 形分子(图 5-20)。在把 IgG 分子基部与两条分支隔开的「铰链区」处,蛋白酶可以切开免疫球蛋白。用蛋白酶木瓜蛋白酶(papain)切割,会释放出基部片段和两条分支:基部片段称为 Fc 段,因为它通常容易结晶;两条分支称为 Fab 段,即抗原结合片段。每条分支带有一个抗原结合位点。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 685
原理解读

背数据:IgG 的 Mr = 150,000;四条链 = 2 重链 + 2 轻链;连接方式 = 非共价键 + 二硫键;木瓜蛋白酶切铰链区 → 2 个 Fab(各含 1 个抗原结合位点)+ 1 个 Fc。「Fc」这个名字的来历是常见的小陷阱:c 指 crystallizable(容易结晶),不是 constant;「Fab」的 ab 指 antigen-binding。上一句在原书中是「Immunoglobulin G (IgG) is the major class of antibody molecule and one of the most abundant proteins in the blood serum.」——IgG 是抗体的主要类别,也是血清中含量最丰富的蛋白质之一;这一句因跨页断句过短未单独引用,但结论要记。

Original text

The fundamental structure of immunoglobulins was first established by Gerald Edelman and Rodney Porter in the 1960s. Each chain is made up of identifiable domains. Some are constant in sequence and structure from one IgG to the next; others are variable. The constant domains have a characteristic structure known as the immunoglobulin fold, a well-conserved structural motif in the all-β class of proteins (Chapter 4). There are three of these constant domains in each heavy chain and one in each light chain. The heavy and light chains also have one variable domain each, in which most of the variability in amino acid sequence is found. The variable domains associate to create the antigenbinding site (Fig. 5-20), allowing formation of an antigen-antibody complex (Fig. 5-21).

中文翻译

免疫球蛋白的基本结构,最早由 Gerald Edelman 与 Rodney Porter 在 20 世纪 60 年代确立。每条链都由若干可辨认的结构域构成。其中一些结构域在不同 IgG 之间序列和结构保持恒定,另一些则可变。恒定区(constant domain)具有一种特征性结构,称为免疫球蛋白折叠(immunoglobulin fold),它是全 β 类蛋白质中一种高度保守的结构模体(第 4 章)。每条重链有三个这样的恒定区,每条轻链有一个。重链和轻链还各有一个可变区(variable domain),氨基酸序列的变异大多集中在可变区内。可变区彼此结合,构成抗原结合位点(图 5-20),从而使抗原—抗体复合物得以形成(图 5-21)。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 686
原理解读

结构域计数是填空题常客:每条重链 = 3 个恒定区(CH1、CH2、CH3)+ 1 个可变区(VH);每条轻链 = 1 个恒定区(CL)+ 1 个可变区(VL)。所以一个 IgG 分子共有 12 个免疫球蛋白结构域。免疫球蛋白折叠(immunoglobulin fold)是第 4 章「全 β 类蛋白质」的代表模体:两片反平行 β 折叠面夹成 β 三明治,靠链内二硫键固定;它高度保守,因而成为「免疫球蛋白超家族」的判定依据。抗原结合位点由 VL 与 VH 共同组成,这一点必须答准——不是单独由重链或轻链形成。Edelman 与 Porter 因阐明免疫球蛋白的化学结构获 1972 年诺贝尔生理学或医学奖,属常见的人物—成就配对题。

图 5-21 IgG 与抗原的结合。为了与抗原形成最佳贴合,IgG 的结合位点常常发生轻微的构象变化。这种诱导契合在许多蛋白质—配体相互作用中都很常见。
图注 · 图 5-21 IgG 与抗原的结合。为了与抗原形成最佳贴合,IgG 的结合位点常常发生轻微的构象变化。这种诱导契合在许多蛋白质—配体相互作用中都很常见。
Caption · FIGURE 5-21 Binding of IgG to an antigen. To generate an optimal fit for the antigen, the binding sites of IgG often undergo slight conformational changes. Such induced fit is common to many protein-ligand interactions.
怎么看 · 对比结合前后两图:抗体的结合部位在与抗原接触时发生轻微构象改变以求最佳互补——这就是诱导契合(induced fit)。考研常把它和「锁钥模型」对比,或用来说明抗原–抗体是非共价、可逆的高特异性结合(与酶–底物、Hb–O₂ 属同一类蛋白–配体相互作用)。
讲解 · 此图把「互补性不是刚性锁钥,而是可调的」这一观点画了出来:抗原靠近时,结合位点发生轻微构象变化,从而与抗原形成最佳贴合。答「抗原—抗体结合的特点」时,除「高度专一、非共价、可逆」外,一定要加上「诱导契合(induced fit)」这一条。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
Antigen-binding sites抗原结合部位(IgG 两臂顶端,共 2 个)
Antigen抗原(绿色球状分子,其表面凸起即抗原决定簇/表位)
Antibody抗体(IgG;灰色为重链,蓝色为轻链,黄色为铰链区)
Antigen-antibody complex抗原–抗体复合物
Original text

In many vertebrates, IgG is but one of five classes of immunoglobulins. Each class has a characteristic type of heavy chain, denoted α, δ, ε, γ, and μ for IgA, IgD, IgE, IgG, and IgM, respectively. Two types of light chain, κ and λ, occur in all classes of immunoglobulins. The overall structures of IgD and IgE are similar to that of IgG. IgM occurs either in a monomeric, membrane-bound form or in a secreted form that is a crosslinked pentamer of this basic structure (Fig. 5-22). IgA, found principally in secretions such as saliva, tears, and milk, can be a monomer, a dimer, or a trimer. IgM is the first antibody to be made by B lymphocytes and the major antibody in the early stages of a primary immune response. Some B cells soon begin to produce IgD (with the same antigen-binding site as the IgM produced by the same cell), but the particular function of IgD is less clear.

中文翻译

在许多脊椎动物体内,IgG 只是五类免疫球蛋白之一。每一类都有一种特征性的重链类型:IgA、IgD、IgE、IgG 和 IgM 的重链分别记作 α、δ、ε、γ 和 μ。轻链有 κ 和 λ 两种类型,所有类别的免疫球蛋白中都存在这两种轻链。IgD 与 IgE 的总体结构与 IgG 相似。IgM 有两种存在形式:一种是单体的膜结合形式,另一种是分泌形式,后者是由这一基本结构交联而成的五聚体(图 5-22)。IgA 主要存在于唾液、泪液和乳汁等分泌液中,可以是单体、二聚体或三聚体。IgM 是 B 淋巴细胞最先合成的抗体,也是初次免疫应答早期阶段的主要抗体。有些 B 细胞随后很快开始产生 IgD(其抗原结合位点与同一细胞产生的 IgM 相同),但 IgD 的具体功能还不太清楚。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 687
原理解读

五类免疫球蛋白与重链的对应关系必须能背,注意教材的排序是 IgA、IgD、IgE、IgG、IgM:α—IgA、δ—IgD、ε—IgE、γ—IgG、μ—IgM。轻链只有 κ 与 λ 两种,且五类中都有。聚合状态是另一个高频考点:IgM 为分泌型五聚体(另有单体膜结合型),IgA 可为单体、二聚体或三聚体,其余为单体。功能定位:IgM 是 B 细胞最先合成、初次应答早期的主要抗体;IgG 是再次应答的主要抗体、血中含量最高;IgA 主要见于唾液、泪液、乳汁等分泌液;IgE 介导过敏反应;IgD 功能尚不清楚。细节题:同一个 B 细胞产生的 IgD 与 IgM 具有相同的抗原结合位点——这说明类别转换只换重链恒定区,不换可变区。

图 5-22 由免疫球蛋白单位组成的 IgM 五聚体。该五聚体通过二硫键(黄色)交联。J 链是一条 Mr 20,000 的多肽,IgA 与 IgM 中都含有它。
图注 · 图 5-22 由免疫球蛋白单位组成的 IgM 五聚体。该五聚体通过二硫键(黄色)交联。J 链是一条 Mr 20,000 的多肽,IgA 与 IgM 中都含有它。
Caption · FIGURE 5-22 IgM pentamer of immunoglobulin units. The pentamer is cross-linked with disulfide bonds (yellow). The J chain is a polypeptide of Mr 20,000 found in both IgA and IgM.
怎么看 · 看清 IgM 是 5 个 Y 形免疫球蛋白单体经黄色二硫键交联而成的五聚体,中央一条 J 链把它们连起来。考研要点:IgM 五聚体共 10 个抗原结合位点,是初次免疫应答最先出现的抗体;J 链是 IgM 与分泌型 IgA 共有的成分。
讲解 · IgM 五聚体由 5 个基本 Y 形单位经二硫键交联而成,再加一条 J 链(Mr 20,000)。据此可算:IgM 理论上有 10 个抗原结合位点(实际因空间位阻常只有 5 个有效),凝集能力极强——这正是 IgM 作为初次应答早期抗体的功能优势。J 链只出现在 IgA 与 IgM 中,是常考的辨析点。
图内标注中英对照 · 3 条
English中文
μ Heavy chainsμ 重链(IgM 的重链类型)
Light chains轻链
J chainJ 链(连接链,Mr 20,000,见于 IgA 与 IgM)
Original text

The IgG described above is the major antibody in secondary immune responses, which are initiated by a class of B cells called memory B cells. As part of the organism’s ongoing immunity to antigens already encountered and dealt with, IgG is the most abundant immunoglobulin in the blood. When IgG binds to an invading bacterium or virus, it activates certain leukocytes such as macrophages to engulf and destroy the invader, and it also activates some other parts of the immune response.

中文翻译

上面介绍的 IgG 是再次免疫应答中的主要抗体;再次应答由一类称为记忆 B 细胞的 B 细胞启动。作为机体对已遭遇并处理过的抗原持续保有免疫力的一部分,IgG 是血液中含量最高的免疫球蛋白。当 IgG 结合入侵的细菌或病毒时,它会激活巨噬细胞之类的白细胞去吞噬并摧毁入侵者,同时也激活免疫应答中其他一些环节。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 688
原理解读

紧接其后的一句原文因跨页被切成 28 词的短段,无法整段引用,但内容必考:巨噬细胞表面的受体识别并结合 IgG 的 Fc 段;当这些 Fc 受体结合了「抗体—病原体复合物」后,巨噬细胞就通过吞噬作用(phagocytosis)把复合物吞入(图 5-23)。这就是抗体「调理作用」的分子解释:抗体一端(Fab)抓病原体,另一端(Fc)被吞噬细胞的 Fc 受体抓住,于是病原体被交到吞噬细胞手里。答题时要强调「Fab 结合抗原、Fc 介导效应功能」这一功能分工。

Original text

IgE plays an important role in the allergic response, interacting with basophils (phagocytic leukocytes) in the blood and with histamine-secreting cells called mast cells, which are widely distributed in tissues. This immunoglobulin binds, through its Fc region, to special Fc receptors on the basophils or mast cells. In this form, IgE serves as a receptor for antigen. If antigen is bound, the cells are induced to secrete histamine and other biologically active amines that cause the dilation and increased permeability of blood vessels. These effects on the blood vessels are thought to facilitate the movement of immune system cells and proteins to sites of inflammation.

中文翻译

IgE 在过敏反应中起重要作用:它与血液中的嗜碱性粒细胞(一类具吞噬能力的白细胞)相互作用,也与广泛分布于组织中、能分泌组胺的肥大细胞相互作用。这种免疫球蛋白通过自身的 Fc 段,结合到嗜碱性粒细胞或肥大细胞表面专门的 Fc 受体上。以这种形式存在时,IgE 充当抗原的受体。一旦结合了抗原,这些细胞就被诱导分泌组胺以及其他生物活性胺,引起血管扩张、通透性升高。一般认为,这些作用于血管的效应有利于免疫系统的细胞和蛋白质向炎症部位移动。

§Antibodies Have Two Identical Antigen-Binding Sites · 教材 p. 689
原理解读

IgE 的作用方式很特殊,考点就集中在这里:它先以 Fc 段「反着」结合到肥大细胞、嗜碱性粒细胞表面的 Fc 受体上,此时 IgE 本身充当细胞表面的抗原受体;抗原(过敏原)一旦被结合,就诱导细胞释放组胺等生物活性胺,使血管扩张、通透性增加。生理意义与病理表现是一体两面:这些血管效应有助于免疫细胞和免疫蛋白进入炎症部位,同时也产生我们熟悉的过敏症状——花粉等变应原被当成外源物,触发了本该留给病原体的免疫应答。这最后一句原文位于下一页、篇幅不足 40 词,未单独引用。

术语对照
  • 抗原决定簇(表位)antigenic determinant (epitope)抗体或 TCR 实际结合的那一小块结构;名词解释高频
  • 半抗原haptenMr 小、须偶联载体蛋白方能引发免疫应答;名词解释高频
  • 重链 / 轻链heavy chain / light chainIgG = 2 重链 + 2 轻链,Mr 150,000
  • 可变区 / 恒定区variable domain / constant domain重链 3 恒 1 可,轻链 1 恒 1 可
  • 高变区hypervariable region可变区内衬砌抗原结合位点的残基,最易变异
  • 免疫球蛋白折叠immunoglobulin fold全 β 类高度保守模体,恒定区的特征结构
  • Fab 段Fab (antigen-binding fragment)木瓜蛋白酶切后的两条分支,各含 1 个抗原结合位点
  • Fc 段Fc (crystallizable fragment)基部片段,因易结晶得名;被巨噬细胞 Fc 受体识别
  • 铰链区hinge木瓜蛋白酶切点所在,赋予构象柔性
  • 木瓜蛋白酶papain切铰链区 → 2 Fab + 1 Fc
  • J 链J chainMr 20,000,见于 IgA 与 IgM
  • 肥大细胞mast cell组织中分泌组胺的细胞,表面有 IgE 的 Fc 受体
  • 嗜碱性粒细胞basophil血中具吞噬能力的白细胞,参与 IgE 介导的过敏

抗体与抗原的结合既紧密又专一Antibodies Bind Tightly and Specifically to Antigen

笔记 考点五:免疫系统和免疫球蛋白
原理解读

上一段解决了「抗体长什么样」,这一段解决「为什么它能结合得又紧又准」。教材把答案拆成两层:专一性来自抗原与结合位点之间的化学互补性(形状、电荷、极性彼此匹配);紧密性来自疏水效应加上离子键、氢键、范德华力这些弱相互作用的累加。务必记住:抗原—抗体结合全部靠非共价的弱相互作用,因而是可逆的;它靠数量取胜,而不是靠单个强键。

Original text

The binding specificity of an antibody is determined by the amino acid residues in the variable domains of its heavy and light chains. Some of those residues, particularly those lining the antigen-binding site, are hypervariable — especially likely to differ. Specificity is conferred by chemical complementarity between the antigen and its specific binding site. For example, a binding site with a negatively charged group may bind an antigen with a positive charge in the complementary position.

中文翻译

抗体的结合专一性,由其重链和轻链可变区中的氨基酸残基决定。其中一部分残基——尤其是衬砌在抗原结合位点内壁上的那些——属于高变区,也就是特别容易发生差异的残基。专一性来自抗原与其专一结合位点之间的化学互补性。举例来说,一个带负电基团的结合位点,可以结合在互补位置上带正电荷的抗原。

§Antibodies Bind Tightly and Specifically to Antigen · 教材 p. 690
Original text

In many instances, complementarity is achieved interactively as the structures of antigen and binding site influence each other as they come closer together. Conformational changes in the antibody and/or the antigen then allow the complementary groups to interact fully. This is an example of induced fit. The complex of a peptide derived from HIV (a model antigen) and an Fab molecule, shown in Figure 5-24, illustrates some of these properties. The changes in structure observed on antigen binding are particularly striking in this example.

中文翻译

在许多情形下,互补性是在相互作用中逐步实现的:抗原与结合位点彼此靠近时,二者的结构相互影响。随后抗体和/或抗原发生构象变化,使互补的基团得以充分相互作用。这就是诱导契合的一个实例。图 5-24 展示了一段源自 HIV 的肽(作为模型抗原)与一个 Fab 分子形成的复合物,它体现了上述若干性质。在这个例子中,结合抗原时观察到的结构变化尤其引人注目。

§Antibodies Bind Tightly and Specifically to Antigen · 教材 p. 690
Original text

A typical antibody-antigen interaction is quite strong, characterized by Kd values as low as 10−10 M (recall that a lower Kd corresponds to a stronger binding interaction; see Table 5-1). The Kd reflects the energy derived from the hydrophobic effect and the various ionic, hydrogen-bonding, and van der Waals interactions that stabilize the binding. The binding energy required to produce a Kd of 10−10 M is about 65 kJ/mol.

中文翻译

典型的抗原—抗体相互作用相当强,其 Kd 值低至 10−10 M(回忆一下:Kd 越低,结合作用越强;见表 5-1)。Kd 反映的是疏水效应,以及稳定这一结合的各种离子相互作用、氢键相互作用和范德华相互作用所提供的能量。要产生 10−10 M 的 Kd,所需的结合能约为 65 kJ/mol。

§Antibodies Bind Tightly and Specifically to Antigen · 教材 p. 691
原理解读

这两个数字要背:抗原—抗体的 Kd 可低至 10^-10 M,对应结合能约 65 kJ/mol。计算题可能让你用 ΔG°′ = RT ln Kd 反推:R = 8.315 J/(mol·K),T = 298 K,ln(10^-10) ≈ −23.0,得 ΔG°′ ≈ −57 kJ/mol,与教材给出的约 65 kJ/mol 属同一量级(教材取值略高,体现的是结合所释放的总相互作用能)。答题时要说清 Kd 越小、亲和力越高这一反比关系。另一条常被追问的逻辑:高变区(hypervariable region)位于可变区之内,正是衬砌抗原结合位点的那些残基;换言之,「可变区 ⊃ 高变区(互补决定区 CDR)→ 决定结合专一性」,而恒定区不参与决定专一性。还要能把「诱导契合」与 5.1 节的血红蛋白呼应起来:血红蛋白结合 O2 引起 T→R 构象变化,抗体结合抗原引起结合位点构象变化,二者是同一个原理在不同蛋白质上的体现。

图 5-24 抗原与 IgG 结合时的诱导契合。图中所示为一个 IgG 分子的 Fab 段,其表面轮廓按疏水性着色:疏水表面为黄色,亲水表面为蓝色,介于两者之间的依次呈蓝—绿—黄的过渡色。
图注 · 图 5-24 抗原与 IgG 结合时的诱导契合。图中所示为一个 IgG 分子的 Fab 段,其表面轮廓按疏水性着色:疏水表面为黄色,亲水表面为蓝色,介于两者之间的依次呈蓝—绿—黄的过渡色。
Caption · FIGURE 5-24 Induced fit in the binding of an antigen to IgG. The Fab fragment of an IgG molecule is shown here with the surface contour colored to represent hydrophobicity. Hydrophobic surfaces are yellow and hydrophilic surfaces are blue, with shades of blue to green to yellow in between.
怎么看 · 三幅图是同一 IgG 的 Fab 段表面疏水性着色(黄=疏水,蓝=亲水),比较 (a) 与 (b) 可见抗原结合后疏水腔明显扩大、基团位移。考研考点就是「诱导契合(induced fit)」:抗体-抗原结合不是刚性锁钥,而是双方构象互相调整以增大互补面。
讲解 · 该图分三格对照:(a) 未结合抗原时俯视抗原结合位点;(b) 同一视角,Fab 处于「结合态」构象但把抗原略去,以便看清改变后的结合位点——可见疏水结合腔明显扩大、若干基团发生位移;(c) 与 (b) 同一视角,但抗原(红色)已置于结合位点内。抗原是一段源自 HIV 的小肽。看图要点:诱导契合改变的是「腔的大小与基团位置」,而不是蛋白质的整体折叠;结合腔以疏水表面为主,说明疏水效应是结合能的主要来源。
图内标注中英对照 · 3 条
English中文
(a) Conformation with no antigen bound(a) 未结合抗原时的构象
(b) Antigen bound (but not shown)(b) 已结合抗原时的构象(抗原未显示,以便观察结合位点变化)
(c) Antigen bound (shown)(c) 已结合抗原(红色为抗原,显示于结合位点内)
术语对照
  • 高变区hypervariable region可变区内最易变异的残基,衬砌抗原结合位点
  • 化学互补性chemical complementarity形状、电荷、极性彼此匹配,是专一性的根源
  • 诱导契合induced fit结合过程中抗体与/或抗原发生构象变化;简答高频
  • 解离常数dissociation constant (Kd)抗原—抗体可低至 10^-10 M;Kd 越小亲和力越高

抗原—抗体相互作用是多种重要分析方法的基础The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures

笔记 考点五:免疫系统和免疫球蛋白
原理解读

本段是「考点五」里最容易出实验题的部分。逻辑很简单:抗体的亲和力极高、专一性极强,于是它成了一把「分子镊子」——只要给抗体挂上一个易于检测的标记,就能在复杂样品中把某一种蛋白质挑出来、定位并定量。先分清抗体制剂的两种来源(多克隆 vs 单克隆),再看具体技术(标记抗体检测、免疫印迹)。

Original text

The extraordinary binding affinity and specificity of antibodies make them valuable analytical reagents. Two types of antibody preparations are in use: polyclonal and monoclonal. Polyclonal antibodies are those produced by many different B lymphocytes responding to one antigen, such as a protein injected into an animal. Cells in the population of B lymphocytes produce antibodies that bind specific, different epitopes within the antigen.

中文翻译

抗体拥有非同寻常的结合亲和力与专一性,这使它们成为宝贵的分析试剂。目前使用的抗体制剂有两类:多克隆抗体与单克隆抗体。多克隆抗体,是许多不同的 B 淋巴细胞针对同一种抗原(例如注射到动物体内的一种蛋白质)作出应答而产生的抗体。这一群 B 淋巴细胞中的各个细胞,产生的抗体分别结合该抗原内部专一而互不相同的表位。

§The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures · 教材 p. 692
Original text

Thus, polyclonal preparations contain a mixture of antibodies that recognize different parts of the protein. Monoclonal antibodies, in contrast, are synthesized by a population of identical B cells (a clone) grown in cell culture. These antibodies are homogeneous, all recognizing the same epitope.

中文翻译

因此,多克隆抗体制剂含有一群混合抗体,它们识别该蛋白质的不同部位。与之相反,单克隆抗体由一群完全相同的 B 细胞(即一个克隆)在细胞培养中合成。这些抗体是均一的,全都识别同一个表位。

§The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures · 教材 p. 692
原理解读

多克隆 vs 单克隆,是简答题的标准对照,按「来源—组成—识别表位—特点」四栏答:多克隆抗体来自同一抗原刺激下的多个 B 细胞克隆(通常直接取免疫动物的血清),是混合物,识别同一抗原上的多个不同表位;优点是易得、亲和力总体较高、对抗原轻微变性仍能结合,缺点是批间差异大、易有交叉反应。单克隆抗体来自体外培养的单一 B 细胞克隆,均一,只识别一个表位;优点是特异性极高、可无限量供应、批间一致,缺点是制备复杂、单一表位被破坏即失效。补充记忆:单克隆抗体的经典制备法是 Köhler 与 Milstein 建立的杂交瘤技术(B 细胞与骨髓瘤细胞融合,兼得专一性与永生化)——Lehninger 本章只写到「一群完全相同的 B 细胞在细胞培养中合成」,杂交瘤属笔记补充内容。

Original text

The specificity of antibodies has practical uses. In a versatile analytical technique, an antibody is attached to a reagent that makes it easy to detect (Fig. 5-25). When the antibody binds the target protein, the label reveals the presence of the protein in a solution or its location in a gel, or even in a living cell (Fig. 5-25a).

中文翻译

抗体的专一性有着实际用途。在一种用途广泛的分析技术中,人们把抗体连接到一种便于检测的试剂上(图 5-25)。当该抗体结合靶蛋白时,标记就把这种蛋白质显示出来——显示它存在于某种溶液中,或显示它在凝胶中的位置,甚至显示它在活细胞中的位置(图 5-25a)。

§The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures · 教材 p. 692
Original text

In one application of this technique, an immunoblot or Western blot assay (Fig. 5-26b), proteins that have been separated by gel electrophoresis are transferred electrophoretically to a nitrocellulose membrane. After washing, the membrane is treated successively with primary antibody, secondary antibody linked to enzyme, and substrate. A colored precipitate forms only along the band containing the protein of interest. Immunoblotting allows the detection of a minor component in a sample and provides an approximation of its molecular weight.

中文翻译

这一技术的一种应用是免疫印迹(immunoblot),又称 Western blot 测定(图 5-26b):先用凝胶电泳把蛋白质分开,再用电泳把它们转移到硝酸纤维素膜上。洗涤之后,依次用一抗、连有酶的二抗以及底物处理该膜。只有在含目标蛋白质的那一条带处,才会形成有颜色的沉淀。免疫印迹能检出样品中的微量组分,并给出它分子量的近似值。

§The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures · 教材 p. 693
原理解读

免疫印迹(Western blot)的流程必须能按顺序默写:① SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳按分子量分离蛋白质 → ② 电转移到硝酸纤维素膜 → ③ 洗涤(封闭)→ ④ 一抗(识别目标蛋白)→ ⑤ 连有酶的二抗(识别一抗)→ ⑥ 加底物显色,出现有色沉淀条带。两条结论是考点:能检测样品中的微量组分(灵敏度高),并能由条带位置估算分子量(因为分离维度是 SDS 电泳)。二抗连酶的意义在于信号放大——多个二抗可结合一个一抗,同一套二抗又能通用于所有同种属来源的一抗。若把显色底物换成可溶性产物并在酶标板上定量,即为酶联免疫吸附测定(ELISA);ELISA 属中文笔记的补充内容,Lehninger 第 8 版第 5 章正文未出现这一术语,答题时不要写成教材原文。注意三种「印迹」的对应:Southern blot 测 DNA、Northern blot 测 RNA、Western blot 测蛋白质。

图 5-25 作为分析试剂的抗体。(a) 示意图,说明如何利用抗体与其抗原的专一反应,在复杂样品中鉴定并定量某一特定蛋白质。(b) 一种常见的应用是免疫印迹。
图注 · 图 5-25 作为分析试剂的抗体。(a) 示意图,说明如何利用抗体与其抗原的专一反应,在复杂样品中鉴定并定量某一特定蛋白质。(b) 一种常见的应用是免疫印迹。
Caption · FIGURE 5-25 Antibodies as analytical reagents. (a) A schematic representation of the use of the specific reaction of an antibody with its antigen to identify and quantify a specific protein in a complex sample. (b) One common application is the immunoblot.
怎么看 · (a) 按①~⑥顺序读 ELISA 流程,核心是「一抗识别抗原特异性 + 二抗偶联酶放大显色」,②封闭步骤是防止非特异吸附的必答点。(b) 对比看:SDS 凝胶染色显示纯化各阶段的全部蛋白条带(杂带多),免疫印迹只在目标蛋白激酶处出条带——这正是免疫印迹「高特异性检测」的价值,也是考研简答题「Western blot 原理与用途」的标准图示。
讲解 · (b) 格是一次真实实验的对照:泳道 1–3 来自 SDS 凝胶,是蛋白激酶纯化各阶段的样品,用考马斯亮蓝染色;泳道 4–6 是同样的样品,但经 SDS 凝胶分离后又电转移到硝酸纤维素膜上,再用抗该蛋白激酶的抗体「探测」。SDS 凝胶与免疫印迹之间的数字表示 Mr(以千为单位)。对比要点:考马斯亮蓝染的是全部蛋白质,条带杂乱;免疫印迹只显示被抗体识别的那一条,纯化早期样品中肉眼看不见的微量目标蛋白,在免疫印迹上依然清晰可见——这正是「灵敏度高、专一性强」的直观证据。
图内标注中英对照 · 22 条
English中文
1 Coat surface with sample (antigens).① 用样品(抗原)包被固相表面
2 Block unoccupied sites with nonspecific protein.② 用非特异性蛋白封闭未占据位点
3 Incubate with primary antibody against specific antigen.③ 与针对特定抗原的一抗温育
4 Incubate with secondary antibody–enzyme complex that binds primary antibody.④ 与能结合一抗的「二抗–酶」复合物温育
5 Add substrate.⑤ 加入底物
6 Formation of colored product indicates presence of specific antigen.⑥ 生成有色产物即表明特定抗原存在
(a)(a)(酶联免疫吸附测定 ELISA 原理示意)
11(泳道 1)
22(泳道 2)
33(泳道 3)
44(泳道 4)
55(泳道 5)
66(泳道 6)
97.497.4(分子量标准,Mr 以千计)
66.266.2
45.045.0
31.031.0
21.521.5
14.414.4
SDS gelSDS 凝胶(考马斯亮蓝染色,泳道 1~3)
Immunoblot免疫印迹(Western blot,泳道 4~6)
(b)(b)
术语对照
  • 多克隆抗体polyclonal antibody多个 B 细胞克隆产生,识别同一抗原的多个表位
  • 单克隆抗体monoclonal antibody单一 B 细胞克隆产生,均一、只识别一个表位;名词解释高频
  • 免疫印迹(Western blot)immunoblot (Western blot)SDS 电泳→转膜→一抗→酶标二抗→底物显色;实验题高频
  • 硝酸纤维素膜nitrocellulose membrane免疫印迹的转移载体
  • 一抗 / 二抗primary antibody / secondary antibody二抗连酶实现信号放大与通用检测
  • 酶联免疫吸附测定ELISA笔记补充技术;Lehninger 第 5 章正文未出现该词

小结 5.2 蛋白质与配体的互补性相互作用:免疫系统与免疫球蛋白SUMMARY 5.2 Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins

笔记 考点五:免疫系统和免疫球蛋白
原理解读

SUMMARY 5.2 是本考点的标准答案模板。把它按「细胞—分子—结构—结合—应用」五步背下来,简答题可直接照此展开。

Original text

The immune response is mediated by interactions among an array of specialized leukocytes and their associated proteins. T lymphocytes produce T-cell receptors. B lymphocytes produce immunoglobulins. Humans have five classes of immunoglobulins, each with different biological functions. The most abundant class is IgG, a Y-shaped protein with two heavy chains and two light chains.

中文翻译

免疫应答由一系列特化白细胞及其相关蛋白质之间的相互作用来介导。T 淋巴细胞产生 T 细胞受体。B 淋巴细胞产生免疫球蛋白。人类有五类免疫球蛋白,每一类具有不同的生物学功能。含量最高的一类是 IgG,它是一种 Y 形蛋白质,由两条重链和两条轻链组成。

§SUMMARY 5.2 Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins · 教材 p. 694
Original text

The domains near the upper ends of the Y are hypervariable within the broad population of IgGs and form two antigen-binding sites. A given immunoglobulin generally binds to only a part, called the epitope, of a large antigen. Binding often involves a conformational change in the IgG, an induced fit to the antigen. The exquisite binding specificity of immunoglobulins is exploited in analytical techniques such as immunoblotting.

中文翻译

位于 Y 形上端附近的那些结构域,在广大 IgG 群体中属于高变区,它们构成两个抗原结合位点。一个给定的免疫球蛋白,一般只结合大抗原的一部分,这一部分称为表位。结合过程往往伴随 IgG 的构象变化,即对抗原的诱导契合。免疫球蛋白极其精细的结合专一性,被人们用于免疫印迹等分析技术。

§SUMMARY 5.2 Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins · 教材 p. 694
原理解读

把 SUMMARY 5.2 与全考点串成一条完整答案链:① 细胞层面:T 淋巴细胞产生 T 细胞受体(细胞免疫),B 淋巴细胞产生免疫球蛋白(体液免疫),TH 细胞通过克隆选择放大应答,记忆细胞支撑再次应答。② 分子层面:五类免疫球蛋白(IgA、IgD、IgE、IgG、IgM),重链分别为 α、δ、ε、γ、μ,轻链只有 κ、λ 两种。③ 结构层面:IgG 为 Y 形,2 重链 + 2 轻链,Mr 150,000;重链 3 恒 1 可,轻链 1 恒 1 可;VL + VH 组成 2 个抗原结合位点;木瓜蛋白酶切铰链区 → 2 Fab + 1 Fc。④ 结合层面:只结合大抗原上的一个表位;靠化学互补性 + 诱导契合;全部为非共价弱相互作用,Kd 可低至 10^-10 M(约 65 kJ/mol)。⑤ 应用层面:免疫印迹等分析技术,以及多克隆/单克隆抗体制剂。教材在小节末尾还提到,抗体在医学上极其重要,并能告诉我们许多关于蛋白质结构和基因作用的信息;这一句原文仅 31 词,未单独引用。

分子马达总论与肌肉的两种主要蛋白质:肌球蛋白和肌动蛋白The Major Proteins of Muscle Are Myosin and Actin

笔记 考点六:肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达
原理解读

5.1 与 5.2 两节讲的是「可逆结合」本身;5.3 节多加一个变量——化学能。分子马达(molecular motor)的要害在于:蛋白质—配体结合的循环若与 ATP 水解在时间上严格耦联,随机的构象涨落就被整流成单向的运动。本节以脊椎动物骨骼肌的收缩蛋白为范式,对应中文笔记「考点六 肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达」。答题主线:分子马达总论 → 肌球蛋白与肌动蛋白的结构 → 粗、细肌丝与肌节的组织 → 横桥循环(滑动丝模型)→ Ca2+ 与肌钙蛋白的调控。

Original text

Organisms move. Cells move. Organelles and macromolecules within cells move. Most of these movements arise from the activity of a fascinating class of protein-based molecular motors. Fueled by chemical energy, usually derived from ATP, large aggregates of motor proteins undergo cyclic conformational changes that accumulate into a unified, directional force — the tiny force that pulls apart chromosomes in a dividing cell, and the immense force that levers a pouncing, quarter-ton jungle cat into the air.

中文翻译

生物体会运动。细胞会运动。细胞内的细胞器和大分子也会运动。这些运动大多来自一类引人入胜的蛋白质分子马达的活动。这些马达蛋白以化学能为燃料——化学能通常来自 ATP——大量马达蛋白聚集体经历循环性的构象变化,这些变化累加成一股统一的、有方向的力:既包括在分裂细胞中把染色体拉开的那点微小的力,也包括把一头四分之一吨重、正在扑击的丛林大猫撬向空中的那股巨力。

§5.3 Protein Interactions Modulated by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors · 教材 p. 695
Original text

Motor proteins underlie the migration of organelles along microtubules, the motion of eukaryotic and bacterial flagella, and the movement of some proteins along DNA. Here, we focus on the well-studied example of the contractile proteins of vertebrate skeletal muscle as a paradigm for how proteins translate chemical energy into motion.

中文翻译

马达蛋白是多种运动的基础:细胞器沿微管的迁移、真核生物与细菌鞭毛的运动,以及某些蛋白质沿 DNA 的移动。在这里,我们聚焦于研究得最透彻的例子——脊椎动物骨骼肌的收缩蛋白,把它当作范式,说明蛋白质如何把化学能转化为运动。

§5.3 Protein Interactions Modulated by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors · 教材 p. 695
原理解读

教材紧接第一段之后还有一段 38 词的短文字(不足 40 词,未单独引用),意思是:马达蛋白之间的相互作用同样依靠结合部位上离子基团、氢键基团和疏水基团的互补排布;但在马达蛋白中,由此产生的相互作用达到了极高的空间与时间组织水平。这句话点明马达蛋白与抗体的异同——化学本质相同(弱相互作用互补),差别在于「组织程度」。分子马达的例子要能举全:肌球蛋白(沿肌动蛋白丝)、驱动蛋白与动力蛋白(沿微管运送细胞器)、鞭毛马达、沿 DNA 移动的解旋酶与聚合酶。

Original text

The contractile force of muscle is generated by the interaction of two proteins, myosin and actin. These proteins are arranged in filaments that undergo transient interactions and slide past each other to bring about contraction. Together, actin and myosin make up more than 80% of the protein mass of muscle.

中文翻译

肌肉的收缩力由两种蛋白质——肌球蛋白与肌动蛋白——的相互作用产生。这两种蛋白质排列成肌丝,肌丝之间发生瞬时的相互作用并彼此滑动,从而引起收缩。肌动蛋白与肌球蛋白合起来占肌肉蛋白质总量的 80% 以上。

§The Major Proteins of Muscle Are Myosin and Actin · 教材 p. 696
Original text

Myosin (Mr 520,000) has six subunits: two heavy chains (each of Mr 220,000) and four light chains (each of Mr 20,000). The heavy chains account for much of the overall structure. At their carboxyl termini, they are arranged as extended α helices, wrapped around each other in a fibrous, left-handed coiled coil similar to that of α-keratin (Fig. 5-26). At its amino terminus, each heavy chain has a large globular domain containing a site where ATP is hydrolyzed. The light chains are associated with the globular domains.

中文翻译

肌球蛋白(Mr 520,000)有六个亚基:两条重链(每条 Mr 220,000)和四条轻链(每条 Mr 20,000)。重链构成了整体结构的大部分。在羧基末端,两条重链排列成伸展的 α 螺旋,彼此缠绕成一条纤维状的左手卷曲螺旋,与 α-角蛋白中的卷曲螺旋类似(图 5-26)。在氨基末端,每条重链带有一个大的球状结构域,其中含有一个水解 ATP 的位点。四条轻链与球状结构域结合在一起。

§The Major Proteins of Muscle Are Myosin and Actin · 教材 p. 696
原理解读

肌球蛋白的数据要成套背:Mr 520,000;6 个亚基 = 2 条重链(各 Mr 220,000)+ 4 条轻链(各 Mr 20,000);C 端为伸展 α 螺旋缠成的左手卷曲螺旋(尾部,与 α-角蛋白同一模体);N 端为球状结构域(头部),头部含 ATP 水解位点,也含肌动蛋白结合位点;轻链结合在头部。结构—功能对应要点:尾部负责聚合成粗肌丝(结构角色),头部负责结合肌动蛋白并水解 ATP(催化与产力角色)。「肌球蛋白既是肌动蛋白结合蛋白,又是一种 ATP 酶」这句话贯穿全节。常考陷阱:肌球蛋白的卷曲螺旋是左手的,而组成它的 α 螺旋本身是右手的——这一对「手性」不要写反。

图 5-26 肌球蛋白。(a) 肌球蛋白有两条重链:羧基末端形成伸展的卷曲螺旋尾部,氨基末端则形成棒槌状的球状头部结构域。每个肌球蛋白头部结合有两条肌球蛋白轻链。(b) 肌球蛋白头部的三维表示,显示了核苷酸(ATP)与肌动蛋白的结合位点。
图注 · 图 5-26 肌球蛋白。(a) 肌球蛋白有两条重链:羧基末端形成伸展的卷曲螺旋尾部,氨基末端则形成棒槌状的球状头部结构域。每个肌球蛋白头部结合有两条肌球蛋白轻链。(b) 肌球蛋白头部的三维表示,显示了核苷酸(ATP)与肌动蛋白的结合位点。
Caption · FIGURE 5-26 Myosin. (a) Myosin has two heavy chains: the carboxyl termini forming an extended coiled coil tail and the amino termini having clublike globular head domains. Two myosin light chains are associated with each myosin head. (b) A three-dimensional representation of the myosin head, showing the binding sites for nucleotide (ATP) and actin.
怎么看 · 记结构分区:肌球蛋白(myosin)由两条重链 + 四条轻链组成,重链的羧基端形成 150 nm 的卷曲螺旋尾(两条 α 螺旋超螺旋),氨基端形成两个 17 nm 的棒槌状球状头部。考研重点在 (b):头部同时具备核苷酸(ATP)结合位点和肌动蛋白结合位点,这两个位点是「ATP 水解驱动横桥循环」的分子基础,也是肌球蛋白兼有 ATPase 活性的原因。
讲解 · 看图记两件事:① 一个肌球蛋白分子 = 2 条重链拧成的长尾 + 2 个球状头,每个头带 2 条轻链,正好凑齐「2 重链 + 4 轻链」;② 头部同时具备核苷酸(ATP)结合位点与肌动蛋白结合位点,这两个位点在空间上相邻,正是「ATP 水解状态改变 → 肌动蛋白亲和力改变」这一耦联的结构基础。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
(a)(a)(电镜照片与结构示意)
(b)(b)(肌球蛋白头部三维表面模型)
Heads 17 nm头部 17 nm(两个球状头部区)
Light chains轻链(每个肌球蛋白头部结合两条轻链)
20 nm20 nm(电镜照片比例尺)
Heavy chain重链
Nucleotide binding site核苷酸(ATP)结合位点
Two supercoiled α helices两条相互超螺旋盘绕的 α 螺旋(卷曲螺旋尾部)
Tail 150 nm尾部 150 nm
Actin binding site肌动蛋白结合位点
2 nm2 nm(尾部直径)
Original text

In muscle cells, molecules of myosin aggregate to form structures called thick filaments (Fig. 5-27a). These rodlike structures are the core of the contractile unit. Within a thick filament, several hundred myosin molecules are arranged with their fibrous “tails” associated to form a long, bipolar structure. The globular domains project from either end of this structure, in regular stacked arrays.

中文翻译

在肌细胞中,肌球蛋白分子聚集形成称为粗肌丝(thick filament)的结构(图 5-27a)。这些棒状结构是收缩单位的核心。在一条粗肌丝内部,数百个肌球蛋白分子以其纤维状的「尾部」相互结合,排列成一条长的双极性结构。球状结构域从这一结构的两端伸出,呈规则的堆叠阵列。

§The Major Proteins of Muscle Are Myosin and Actin · 教材 p. 698
术语对照
  • 分子马达molecular motor以化学能(多为 ATP)驱动循环构象变化产生定向力
  • 肌球蛋白myosinMr 520,000;2 重链 + 4 轻链;既是肌动蛋白结合蛋白又是 ATP 酶
  • 肌动蛋白actin与肌球蛋白合占肌肉蛋白质量 80% 以上
  • 粗肌丝thick filament数百个肌球蛋白尾部聚合成的双极性棒状结构
  • 卷曲螺旋coiled coil肌球蛋白尾部为左手卷曲螺旋,同 α-角蛋白模体

其他蛋白质把细肌丝与粗肌丝组织成有序结构(肌节)Additional Proteins Organize the Thin and Thick Filaments into Ordered Structures

笔记 考点六:肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达
原理解读

这一段把视角从单个分子拉到超分子组装:肌动蛋白如何聚合成细肌丝,细肌丝与粗肌丝又如何被其他蛋白质组织成肌节这一「有序结构」。考试常从两个角度切入:一是 G-肌动蛋白/F-肌动蛋白的关系与 ATP 的作用;二是肌节的分带(A 带、I 带、Z 盘、M 线)及其在收缩时的变化。

Original text

The second major muscle protein, actin, is abundant in almost all eukaryotic cells. In muscle, molecules of monomeric actin, called G-actin (globular actin; Mr 42,000), associate to form a long polymer called F-actin (filamentous actin). The thin filament consists of F-actin (Fig. 5-27b), along with the proteins troponin and tropomyosin (discussed below).

中文翻译

肌肉中第二种主要蛋白质是肌动蛋白,它在几乎所有真核细胞中都大量存在。在肌肉里,单体肌动蛋白分子——称为 G-肌动蛋白(球状肌动蛋白;Mr 42,000)——彼此结合,形成一种称为 F-肌动蛋白(纤维状肌动蛋白)的长聚合物。细肌丝(thin filament)由 F-肌动蛋白(图 5-27b)以及肌钙蛋白(troponin)和原肌球蛋白(tropomyosin)两种蛋白质组成(后文讨论)。

§Additional Proteins Organize the Thin and Thick Filaments into Ordered Structures · 教材 p. 700
Original text

The filamentous parts of thin filaments assemble as successive monomeric actin molecules add to one end. Upon addition, each monomer binds ATP, then hydrolyzes it to ADP, so every actin molecule in the filament is complexed to ADP. This ATP hydrolysis by actin functions only in the assembly of the filaments; it does not contribute directly to the energy expended in muscle contraction. Each actin monomer in the thin filament can bind tightly and specifically to one myosin head group (Fig. 5-27c).

中文翻译

细肌丝的纤维状部分,是靠单体肌动蛋白分子一个接一个地加到一端上组装而成的。每加上一个单体,该单体就结合一分子 ATP,随后把它水解为 ADP;因此肌丝中的每个肌动蛋白分子都与 ADP 结合在一起。肌动蛋白进行的这种 ATP 水解只在肌丝组装中起作用,它并不直接为肌肉收缩所耗费的能量作贡献。细肌丝中的每个肌动蛋白单体,都能与一个肌球蛋白头部紧密而专一地结合(图 5-27c)。

§Additional Proteins Organize the Thin and Thick Filaments into Ordered Structures · 教材 p. 700
原理解读

这里有一个极易失分的判断题:肌动蛋白也水解 ATP,但那份 ATP 只用于肌丝组装,不直接供给收缩做功;收缩的能量来自肌球蛋白头部水解的 ATP。两个 ATP 水解事件必须分开记。配套数据:G-肌动蛋白 Mr 42,000;G-肌动蛋白 → 聚合 → F-肌动蛋白;细肌丝 = F-肌动蛋白 + 肌钙蛋白 + 原肌球蛋白。另一处细节:组装是从一端逐个加单体(有极性),且每个肌动蛋白单体可专一结合一个肌球蛋白头部——这正是横桥能沿细肌丝「一步一步」前移的结构前提。

图 5-27 肌肉的主要组分。(a) 肌球蛋白聚集形成一种称为粗肌丝的双极性结构。(b) F-肌动蛋白是 G-肌动蛋白单体的纤维状聚集体,单体两两聚合,看上去像两条肌丝以右手方式彼此螺旋盘绕。(c) 肌动蛋白丝的空间填充模型,其中一个肌球蛋白头部结合在肌丝内的一个肌动蛋白单体上。
图注 · 图 5-27 肌肉的主要组分。(a) 肌球蛋白聚集形成一种称为粗肌丝的双极性结构。(b) F-肌动蛋白是 G-肌动蛋白单体的纤维状聚集体,单体两两聚合,看上去像两条肌丝以右手方式彼此螺旋盘绕。(c) 肌动蛋白丝的空间填充模型,其中一个肌球蛋白头部结合在肌丝内的一个肌动蛋白单体上。
Caption · FIGURE 5-27 The major components of muscle. (a) Myosin aggregates to form a bipolar structure called a thick filament. (b) F-actin is a filamentous assemblage of G-actin monomers that polymerize two by two, giving the appearance of two filaments spiraling about one another in a right-handed fashion. (c) Space-filling model of an actin filament with one myosin head bound to an actin monomer within the filament.
怎么看 · 三幅图给出肌肉两大部件:(a) 粗肌丝是肌球蛋白尾部聚集成的双极结构,头部(横桥)向两端伸出;(b) 细肌丝由 G-肌动蛋白单体聚合成 F-肌动蛋白,两股右手螺旋盘绕,36 nm 为螺旋重复距离;(c) 一个肌球蛋白头部搭在细肌丝的一个肌动蛋白单体上——即横桥结合状态。考研常考「G-actin↔F-actin 的关系」和「粗肌丝双极性决定收缩时两侧 Z 盘同时被拉近」。
讲解 · 注意 (b) 的措辞:F-肌动蛋白看起来像两条右手螺旋盘绕的细丝,实际上是同一条聚合物中单体两两排列造成的外观。粗肌丝是「双极性」的——两半的肌球蛋白头部朝向相反,这样收缩时两端的细肌丝才会同时被拉向肌节中央。(c) 直观展示了「一个肌球蛋白头 : 一个肌动蛋白单体」的结合化学计量。
图内标注中英对照 · 9 条
English中文
(a) Thick filament(a) 粗肌丝(由肌球蛋白聚集成的双极结构)
Myosin heads肌球蛋白头部(即横桥)
~325 nm~325 nm(粗肌丝长度)
(b) F-actin(b) F-肌动蛋白(纤维状肌动蛋白)
36 nm36 nm(双螺旋一个螺距的重复长度)
G-actin subunitsG-肌动蛋白亚基(球状肌动蛋白单体)
(c)(c)(空间填充模型)
Myosin head肌球蛋白头部
Actin filament肌动蛋白丝(细肌丝)
Original text

Skeletal muscle consists of parallel bundles of muscle fibers, each fiber a single, very large, multinucleated cell, 20 to 100 μm in diameter, formed from many cells fused together; a single fiber often spans the length of the muscle. Each fiber contains about 1,000 myofibrils, 2 μm in diameter, each consisting of a vast number of regularly arrayed thick and thin filaments complexed to other proteins (Fig. 5-28).

中文翻译

骨骼肌由平行排列的肌纤维束构成。每条肌纤维是一个单独的、极大的多核细胞,直径 20 到 100 μm,由许多细胞融合而成;一条肌纤维往往贯穿整块肌肉的长度。每条肌纤维含有约 1,000 条肌原纤维,肌原纤维直径 2 μm,每条肌原纤维又由大量规则排列、并与其他蛋白质结合在一起的粗肌丝和细肌丝构成(图 5-28)。

§Additional Proteins Organize the Thin and Thick Filaments into Ordered Structures · 教材 p. 700
Original text

Examined under the electron microscope, muscle fibers reveal alternating regions of high electron density and low electron density, called the A bands and I bands (Fig. 5-28b, c). The A and I bands arise from the arrangement of thick and thin filaments, which are aligned and partially overlapping. The I band is the region of the bundle that in cross section would contain only thin filaments. The darker A band stretches the length of the thick filament and includes the region where parallel thick and thin filaments overlap.

中文翻译

在电子显微镜下观察,肌纤维呈现出电子密度高低交替的区域,分别称为 A 带和 I 带(图 5-28b、c)。A 带与 I 带来自粗肌丝与细肌丝的排列方式:二者彼此对齐并部分重叠。I 带是肌丝束中横切面上只含细肌丝的区域。颜色较深的 A 带则贯穿粗肌丝的全长,并包含平行的粗肌丝与细肌丝相互重叠的区域。

§Additional Proteins Organize the Thin and Thick Filaments into Ordered Structures · 教材 p. 701
Original text

Bisecting the I band is a thin structure called the Z disk, perpendicular to the thin filaments and serving as an anchor to which the thin filaments are attached. The A band, too, is bisected by a thin line, the M line or M disk, a region of high electron density in the middle of the thick filaments. The entire contractile unit, consisting of bundles of thick filaments interleaved at either end with bundles of thin filaments, is called the sarcomere. The arrangement of interleaved bundles allows the thick and thin filaments to slide past each other (by a mechanism discussed below), causing a progressive shortening of each sarcomere (Fig. 5-28d).

中文翻译

平分 I 带的是一个称为 Z 盘(Z disk)的薄结构,它与细肌丝垂直,充当细肌丝附着其上的锚定点。A 带同样被一条细线平分,这条线称为 M 线或 M 盘,是位于粗肌丝中部的一个电子密度高的区域。整个收缩单位——由粗肌丝束及其两端交错插入的细肌丝束组成——称为肌节(sarcomere)。这种交错插入的排列方式,使粗肌丝与细肌丝能够彼此滑动(机制在后文讨论),从而使每个肌节逐步缩短(图 5-28d)。

§Additional Proteins Organize the Thin and Thick Filaments into Ordered Structures · 教材 p. 701
原理解读

肌节的结构必须能画能标,这是本考点最稳定的画图/填空题:① 肌节 = 相邻两条 Z 盘之间的整段结构,是肌肉收缩的基本单位;② I 带 = 只含细肌丝的区域(电子密度低,浅色),被 Z 盘平分;③ A 带 = 粗肌丝全长所占的区域(电子密度高,深色),包含粗、细肌丝重叠部分;④ M 线(M 盘)= 位于粗肌丝中部、平分 A 带的高电子密度线;⑤ Z 盘 = 细肌丝的锚定结构,与细肌丝垂直。收缩时的变化是必考判断:I 带变窄、Z 盘彼此靠拢、肌节缩短,而 A 带长度不变(因为 A 带等于粗肌丝长度,粗、细肌丝本身都不缩短)。这一点正是滑动丝模型的直接证据。尺度数据也可能考:肌纤维直径 20–100 μm、为多核细胞;每条肌纤维约 1,000 条肌原纤维,肌原纤维直径 2 μm;肌浆网(sarcoplasmic reticulum)是包绕每条肌原纤维的扁平膜囊系统,是 Ca2+ 的储库。

图 5-28 骨骼肌。(a) 肌纤维是由许多前体细胞融合而成的单个细长多核细胞。肌纤维由许多肌原纤维构成(图中为简化起见只画了六条),外面包绕着膜性的肌浆网。粗肌丝与细肌丝在肌原纤维中的排列方式,赋予它横纹外观。肌肉收缩时 I 带变窄、Z 盘彼此靠拢,这一点在 (b) 舒张肌与 (c) 收缩肌的电镜照片中可以看到。
图注 · 图 5-28 骨骼肌。(a) 肌纤维是由许多前体细胞融合而成的单个细长多核细胞。肌纤维由许多肌原纤维构成(图中为简化起见只画了六条),外面包绕着膜性的肌浆网。粗肌丝与细肌丝在肌原纤维中的排列方式,赋予它横纹外观。肌肉收缩时 I 带变窄、Z 盘彼此靠拢,这一点在 (b) 舒张肌与 (c) 收缩肌的电镜照片中可以看到。
Caption · FIGURE 5-28 Skeletal muscle. (a) Muscle fibers consist of single, elongated, multinucleated cells that arise from the fusion of many precursor cells. The fibers are made up of many myofibrils (only six are shown here for simplicity) surrounded by the membranous sarcoplasmic reticulum. The organization of thick and thin filaments in a myofibril gives it a striated appearance. When muscle contracts, the I bands narrow and the Z disks move closer together, as seen in electron micrographs of (b) relaxed muscle and (c) contracted muscle.
怎么看 · 自上而下按「肌纤维束→肌纤维(多核,外包肌质网)→肌原纤维→肌节」四级放大读,横纹来源就是粗细肌丝的规则排列。考研核心结论在 (b)(c) 的舒张/收缩对比:收缩时 I 带变窄、Z 盘互相靠拢,而 A 带宽度不变——因为粗、细肌丝长度都不变,只是相互滑动(滑动丝学说)。
讲解 · 该图 (d) 格还给出两个必记结论:粗肌丝是由许多肌球蛋白分子结合而成的双极性结构;肌肉收缩靠粗、细肌丝彼此滑动来完成,使相邻 I 带中的 Z 盘互相靠拢。此外,粗肌丝与细肌丝交错排列的几何关系是「每条粗肌丝被六条细肌丝环绕」——横切面上呈六方排列,这是常见的选择题细节。
图内标注中英对照 · 20 条
English中文
(a)(a)(骨骼肌由宏观到分子的层次结构)
Bundle of muscle fibers肌纤维束
Myofibrils肌原纤维
Nuclei细胞核(肌纤维为多核细胞)
Capillaries毛细血管
Muscle fiber肌纤维(单个多核肌细胞)
Sarcoplasmic reticulum肌质网(贮存并释放 Ca2+)
Myofibril肌原纤维
Sarcomere肌节(相邻两条 Z 盘之间的收缩单位)
I bandI 带(明带,仅含细肌丝)
A bandA 带(暗带,粗肌丝所在区域)
Z diskZ 盘(细肌丝锚定处,肌节分界)
M lineM 线(A 带中央,粗肌丝互相连接处)
(b) Relaxed(b) 舒张(松弛)状态——电镜照片
1.8 μm1.8 μm(电镜照片比例尺)
Contracted收缩状态——电镜照片
(c) Relaxed(c) 舒张(松弛)状态——粗/细肌丝排布示意
Thin filament细肌丝(肌动蛋白丝)
Thick filament粗肌丝(肌球蛋白丝)
Contracted收缩状态——粗/细肌丝排布示意
术语对照
  • G-肌动蛋白 / F-肌动蛋白G-actin / F-actin球状单体 Mr 42,000 聚合成纤维状聚合物
  • 细肌丝thin filamentF-肌动蛋白 + 肌钙蛋白 + 原肌球蛋白
  • 肌原纤维myofibril直径 2 μm,每条肌纤维约含 1,000 条
  • 肌浆网sarcoplasmic reticulum包绕肌原纤维的扁平膜囊系统,Ca2+ 储库
  • A 带 / I 带A band / I bandA 带 = 粗肌丝全长(深);I 带 = 只含细肌丝(浅)
  • Z 盘Z disk平分 I 带,细肌丝的锚定结构
  • M 线(M 盘)M line (M disk)平分 A 带,位于粗肌丝中部
  • 肌节sarcomere相邻两 Z 盘间的整个收缩单位;名词解释高频

肌球蛋白粗肌丝沿肌动蛋白细肌丝滑动:横桥循环与 Ca2+ 调控Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments

笔记 考点六:肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达
原理解读

这是全节的核心机制段:滑动丝模型(sliding filament model)与横桥(cross-bridge)循环。抓住一条主线——肌球蛋白头部对肌动蛋白的亲和力,被其结合的核苷酸状态所控制:无核苷酸时结合最紧(僵直态),结合 ATP 时松开,水解后带 ADP·Pi 时弱结合,释放 Pi 后重新变紧,随后完成动力冲程并放出 ADP。ATP 在这里不是「粘合剂」而是「解离剂」,这是最常被考反的一点。

Original text

The interaction between actin and myosin, like that between all proteins and ligands, involves weak bonds. When ATP is not bound to myosin, a face on the myosin head group binds tightly to actin (Fig. 5-29). When ATP binds to myosin and is hydrolyzed to ADP and phosphate, a coordinated and cyclic series of conformational changes occurs in which myosin releases the F- actin subunit and binds another subunit farther along the thin filament.

中文翻译

肌动蛋白与肌球蛋白之间的相互作用,同所有蛋白质与配体之间的相互作用一样,依靠弱键。当肌球蛋白没有结合 ATP 时,肌球蛋白头部的一个面紧紧结合肌动蛋白(图 5-29)。当 ATP 结合到肌球蛋白上并被水解为 ADP 和磷酸时,就会发生一系列协调而循环的构象变化:肌球蛋白先放开原来结合的 F-肌动蛋白亚基,再结合细肌丝上更远处的另一个亚基。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 703
原理解读

四步横桥循环必须能按序默写。由于干净副本中步骤编号是图形符号,正文被切成若干不足 40 词的碎片,无法整段逐字引用,这里按教材原意逐步复述:第 ① 步:ATP 结合到肌球蛋白上,肌球蛋白分子中的一条裂隙张开,破坏肌动蛋白—肌球蛋白的相互作用,于是原先结合的肌动蛋白被释放。第 ② 步:ATP 随即被水解,使蛋白质发生构象变化,进入一种「高能」状态;这一变化使肌球蛋白头部移动,并改变它相对于肌动蛋白细肌丝的取向。随后肌球蛋白弱结合到一个比刚才释放的那个更靠近 Z 盘的 F-肌动蛋白亚基上。第 ③ 步:ATP 水解产物磷酸从肌球蛋白上释放,又引起一次构象变化——肌球蛋白的裂隙闭合,肌球蛋白与肌动蛋白的结合被加强。第 ④ 步:紧接着发生「动力冲程」(power stroke),肌球蛋白头部的构象回到原来的静息状态,它相对于所结合肌动蛋白的取向随之改变,从而把肌球蛋白的尾部拉向 Z 盘;随后 ADP 被释放,循环完成。口诀:ATP 结合→解离;水解→上举(复位取向、弱结合新位点);放 Pi→抓紧;动力冲程→拉动、放 ADP。

Original text

a “power stroke” during which the conformation of the myosin head returns to the original resting state, its orientation relative to the bound actin changing so as to pull the tail of the myosin toward the Z disk. ADP is then released to complete the cycle. Each cycle generates about 3 to 4 pN (piconewtons) of force and moves the thick filament 5 to 10 nm relative to the thin filament.

中文翻译

第四步是「动力冲程」:在这一步中,肌球蛋白头部的构象回到原来的静息状态,它相对于所结合肌动蛋白的取向随之改变,从而把肌球蛋白的尾部拉向 Z 盘。随后 ADP 被释放,循环由此完成。每一次循环产生约 3 到 4 pN(皮牛顿)的力,并使粗肌丝相对于细肌丝移动 5 到 10 nm。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 705
Original text

Because there are many myosin heads in a thick filament, at any given moment some (probably 1% to 3%) are bound to thin filaments. This prevents thick filaments from slipping backward when an individual myosin head releases the actin subunit to which it was bound. The thick filament thus actively slides forward past the adjacent thin filaments. This process, coordinated among the many sarcomeres in a muscle fiber, brings about muscle contraction.

中文翻译

由于一条粗肌丝上有许多肌球蛋白头部,在任一给定时刻总有一部分头部(大约 1% 到 3%)结合在细肌丝上。这就防止了粗肌丝在某个肌球蛋白头部松开它原先结合的肌动蛋白亚基时向后滑脱。于是粗肌丝主动地沿相邻的细肌丝向前滑动。这一过程在一条肌纤维的众多肌节之间协调进行,从而引起肌肉收缩。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 705
原理解读

定量数据是本节最爱考的填空:每次循环产生约 3–4 pN 的力,粗肌丝相对细肌丝移动 5–10 nm;任一时刻约有 1%–3% 的肌球蛋白头部处于结合状态。「1%–3%」这个比例的意义要讲清:正因为只有少数头部同时结合,各头部的循环彼此不同步,才能保证在任何瞬间都有头部抓住细肌丝、防止粗肌丝向后滑脱,同时又不至于把肌丝锁死——这就是「棘轮」式定向运动的由来。滑动丝模型的核心命题也要背准:收缩时粗、细肌丝本身长度不变,只是彼此滑动,使肌节缩短。

图 5-29 肌肉收缩的分子机制。肌球蛋白头部的构象变化与 ATP 水解循环的各个阶段相耦联,这些变化使肌球蛋白先从一个肌动蛋白亚基上解离,再与肌动蛋白丝上更远处的另一个亚基结合。肌球蛋白头部就这样沿细肌丝滑动,把粗肌丝阵列拉入细肌丝阵列之中(见图 5-28)。
图注 · 图 5-29 肌肉收缩的分子机制。肌球蛋白头部的构象变化与 ATP 水解循环的各个阶段相耦联,这些变化使肌球蛋白先从一个肌动蛋白亚基上解离,再与肌动蛋白丝上更远处的另一个亚基结合。肌球蛋白头部就这样沿细肌丝滑动,把粗肌丝阵列拉入细肌丝阵列之中(见图 5-28)。
Caption · FIGURE 5-29 Molecular mechanism of muscle contraction. Conformational changes in the myosin head that are coupled to stages in the ATP hydrolytic cycle cause myosin to successively dissociate from one actin subunit, then associate with another farther along the actin filament. In this way, the myosin heads slide along the thin filaments, drawing the thick filament array into the thin filament array (see Fig. 5-28).
怎么看 · 按①→②→③→④顺时针读这个横桥循环,并把每一步与 ATP 水解阶段一一对应:①ATP 结合→解离(无 ATP 则保持紧密结合,即尸僵状态);②水解为 ADP+Pi→头部「上膛」构象;③重新结合肌动蛋白→释放 Pi;④Pi 释放触发动力冲程、释放 ADP,肌丝相对滑动。考研必答点:ATP 的作用是使横桥「解离」而非直接提供收缩力,真正做功的动力冲程发生在 Pi 释放时。
讲解 · 这幅图是横桥循环的标准示意图,看图时把四步与核苷酸状态一一对上:无核苷酸 = 紧结合(僵直态)→ 结合 ATP = 裂隙张开、解离 → 水解 ATP = 高能态、头部复位并弱结合新位点 → 释放 Pi = 裂隙闭合、结合加强 → 动力冲程 + 释放 ADP = 回到静息态并拉动肌丝。答题时务必写出「构象变化与 ATP 水解循环相耦联」这句因果表述。
图内标注中英对照 · 16 条
English中文
Myosin thick filament肌球蛋白粗肌丝
Myosin head肌球蛋白头部(横桥)
Actin filament肌动蛋白丝(细肌丝)
ATPATP(结合到肌球蛋白头部)
1① 步骤 1
ATP binds to myosin head, causing dissociation from actin.ATP 结合到肌球蛋白头部,使其与肌动蛋白解离
2② 步骤 2
As tightly bound ATP is hydrolyzed, a conformational change occurs. ADP and Pi remain associated with the myosin head.紧密结合的 ATP 被水解,肌球蛋白头部发生构象改变(头部竖起「上膛」);ADP 与 Pi 仍结合在头部上
ADP + PiADP + Pi(水解产物仍留在肌球蛋白头部)
3③ 步骤 3
PiPi(无机磷酸,被释放)
Myosin head attaches to actin filament, causing release of Pi.肌球蛋白头部结合到细肌丝上(形成横桥),并引起 Pi 释放
ADPADP(仍结合在肌球蛋白头部)
4④ 步骤 4
ADPADP(在动力冲程中被释放)
Pi release triggers a "power stroke," a conformational change in the myosin head that moves actin and myosin filaments relative to one another. ADP is released in the process.Pi 的释放触发「动力冲程(power stroke)」——肌球蛋白头部发生构象改变,使肌动蛋白丝与肌球蛋白丝相对滑动;此过程中 ADP 被释放
Original text

The interaction between actin and myosin must be regulated so that contraction occurs only in response to appropriate signals from the nervous system. The regulation is mediated by a complex of two proteins, tropomyosin and troponin (Fig. 5-30). Tropomyosin binds to the thin filament, blocking the attachment sites for the myosin head groups.

中文翻译

肌动蛋白与肌球蛋白之间的相互作用必须受到调控,使收缩只在神经系统发出恰当信号时才发生。这一调控由两种蛋白质组成的复合物介导,它们是原肌球蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白(troponin)(图 5-30)。原肌球蛋白结合在细肌丝上,把肌球蛋白头部的附着位点封挡住。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 705
Original text

protein. A nerve impulse causes release of Ca2+ ions from the sarcoplasmic reticulum. The released Ca2+ binds to troponin (another protein-ligand interaction) and causes a conformational change in the tropomyosin-troponin complexes, exposing the myosin-binding sites on the thin filaments. Contraction follows.

中文翻译

(肌钙蛋白是一种结合 Ca2+ 的)蛋白质。神经冲动引起 Ca2+ 从肌浆网中释放。释放出来的 Ca2+ 结合到肌钙蛋白上(这又是一次蛋白质—配体相互作用),使原肌球蛋白—肌钙蛋白复合物发生构象变化,把细肌丝上的肌球蛋白结合位点暴露出来。收缩随即发生。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 706
Original text

Troponin is attached to the actin-tropomyosin complex at regular intervals of 38.5 nm. Troponin consists of three different subunits: I, C, and T. Troponin I prevents binding of the myosin head to actin; troponin C has a binding site for Ca2+; and troponin T links the entire troponin complex to tropomyosin.

中文翻译

肌钙蛋白按 38.5 nm 的固定间隔附着在肌动蛋白—原肌球蛋白复合物上。肌钙蛋白由三种不同的亚基组成:I、C 和 T。肌钙蛋白 I 阻止肌球蛋白头部与肌动蛋白结合;肌钙蛋白 C 带有一个 Ca2+ 结合位点;肌钙蛋白 T 把整个肌钙蛋白复合物连接到原肌球蛋白上。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 706
原理解读

调控这一段的考法非常固定,按「静息—信号—解除抑制」三步答:静息时:原肌球蛋白(两条 α 螺旋组成的双股卷曲螺旋,与 α-角蛋白同一模体)以头尾相接的聚合方式缠绕在两条肌动蛋白链上,连同肌钙蛋白一起把细肌丝上的肌球蛋白结合位点挡住;肌钙蛋白每隔 38.5 nm 附着一处。信号来时:神经冲动使 Ca2+ 从肌浆网释放,Ca2+ 结合到肌钙蛋白 C 上。解除抑制:肌钙蛋白 C 的构象变化改变肌钙蛋白 I 与原肌球蛋白的位置,解除肌钙蛋白 I 的抑制,暴露肌球蛋白结合位点,收缩随即开始。三个亚基的分工是高频填空:I 抑制(Inhibitory,阻止头部结合肌动蛋白)、C 结合钙(Calcium)、T 连接原肌球蛋白(Tropomyosin)。首字母助记即为「I 抑、C 钙、T 连」。

图 5-30 原肌球蛋白与肌钙蛋白对肌肉收缩的调控。原肌球蛋白与肌钙蛋白结合在细肌丝的 F-肌动蛋白上。在舒张的肌肉中,这两种蛋白质环绕肌动蛋白丝排布,从而把肌球蛋白的结合位点封挡住。原肌球蛋白是由 α 螺旋组成的双股卷曲螺旋,与 α-角蛋白属同一结构模体(见图 4-11)。它形成头尾相接的聚合物,缠绕在两条肌动蛋白链上。
图注 · 图 5-30 原肌球蛋白与肌钙蛋白对肌肉收缩的调控。原肌球蛋白与肌钙蛋白结合在细肌丝的 F-肌动蛋白上。在舒张的肌肉中,这两种蛋白质环绕肌动蛋白丝排布,从而把肌球蛋白的结合位点封挡住。原肌球蛋白是由 α 螺旋组成的双股卷曲螺旋,与 α-角蛋白属同一结构模体(见图 4-11)。它形成头尾相接的聚合物,缠绕在两条肌动蛋白链上。
Caption · FIGURE 5-30 Regulation of muscle contraction by tropomyosin and troponin. Tropomyosin and troponin are bound to F-actin in the thin filaments. In the relaxed muscle, these two proteins are arranged around the actin filaments so as to block the binding sites for myosin. Tropomyosin is a two-stranded coiled coil of α helices, the same structural motif as in α-keratin (see Fig. 4-11). It forms head-to-tail polymers twisting around the two actin chains.
怎么看 · 看清四个组分在细肌丝上的位置:原肌球蛋白沿肌动蛋白沟槽延伸并遮盖肌球蛋白结合位点,肌钙蛋白复合体每 38.5 nm 结合一次。考研背诵口诀是三个亚基分工——T 连原肌球蛋白、C 结合 Ca2+、I 起抑制作用;神经信号使肌质网释放 Ca2+ → 结合 TnC → TnC 构象改变 → 移动 TnI 与原肌球蛋白 → 解除抑制、暴露结合位点 → 收缩开始。
讲解 · 把这幅图与图 5-29 连起来看,就得到完整的因果链:神经冲动 → 肌浆网释放 Ca2+ → Ca2+ 结合肌钙蛋白 C → 肌钙蛋白 C 构象变化 → 肌钙蛋白 I 与原肌球蛋白位置改变 → 解除肌钙蛋白 I 的抑制 → 暴露肌球蛋白结合位点 → 横桥循环启动 → 肌丝滑动、肌节缩短。注意原肌球蛋白与肌球蛋白名称相近但完全不同:原肌球蛋白是细肌丝上的调控蛋白(卷曲螺旋),肌球蛋白是粗肌丝的马达蛋白。
图内标注中英对照 · 5 条
English中文
Tropomyosin原肌球蛋白(两股 α 螺旋卷曲螺旋,头尾相接盘绕于两条肌动蛋白链上)
Troponin C肌钙蛋白 C(具 Ca2+ 结合位点)
Troponin T肌钙蛋白 T(把整个肌钙蛋白复合物连到原肌球蛋白上)
Actin肌动蛋白(细肌丝主体)
Troponin I肌钙蛋白 I(抑制肌球蛋白头部与肌动蛋白结合)
术语对照
  • 滑动丝模型sliding filament model粗、细肌丝长度不变,靠彼此滑动使肌节缩短
  • 横桥cross-bridge结合到细肌丝上的肌球蛋白头部;任一时刻约 1%–3%
  • 动力冲程power stroke第四步,头部复位并把尾部拉向 Z 盘;产力 3–4 pN、位移 5–10 nm
  • 原肌球蛋白tropomyosin双股卷曲螺旋,头尾相接缠绕肌动蛋白,封挡肌球蛋白结合位点
  • 肌钙蛋白troponin三亚基 I、C、T,每 38.5 nm 一处;Ca2+ 受体
  • 肌钙蛋白 Ctroponin C带 Ca2+ 结合位点,是调控的起点

可逆结合、ATP 酶与小结 5.3SUMMARY 5.3 Protein Interactions Modulated by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors

笔记 考点六:肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达
原理解读

本节收尾把第 5 章与第 6 章接上:工作中的骨骼肌同时用到蛋白质最常见的两种分子功能——结合与催化。肌球蛋白既是肌动蛋白结合蛋白(结合),又是 ATP 酶(催化)。

Original text

Working skeletal muscle requires two types of molecular functions that are common in proteins: binding and catalysis. The actin-myosin interaction, a protein-ligand interaction like that of immunoglobulins with antigens, is reversible and leaves the participants unchanged. This interaction illustrates why reversibility is important; a permanent actin-myosin interaction

中文翻译

工作中的骨骼肌,需要蛋白质中两类常见的分子功能:结合与催化。肌动蛋白—肌球蛋白的相互作用是一种蛋白质—配体相互作用,与免疫球蛋白同抗原的相互作用属同一类型,它可逆,并且不改变参与者本身。这一相互作用说明了可逆性为什么重要:一种永久性的肌动蛋白—肌球蛋白相互作用……

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 706
Original text

defines the state of rigor mortis, a state we all want to avoid as long as possible. When ATP binds myosin, however, it is hydrolyzed to ADP and Pi (inorganic phosphate). Myosin is not only an actin-binding protein, but also an ATPase — an enzyme. The function of enzymes in catalyzing chemical transformations is the topic of the next chapter.

中文翻译

……界定的正是尸僵状态,而我们都希望尽可能长久地避开这一状态。不过,ATP 一旦结合到肌球蛋白上,就会被水解为 ADP 和 Pi(无机磷酸)。肌球蛋白不仅是一种肌动蛋白结合蛋白,还是一种 ATP 酶——也就是一种酶。酶在催化化学转变中的功能,正是下一章的主题。

§Myosin Thick Filaments Slide along Actin Thin Filaments · 教材 p. 707
原理解读

尸僵(rigor mortis)是理解 ATP 作用的最好反例:死亡后 ATP 耗尽,肌球蛋白头部无法与肌动蛋白解离,横桥永久锁死,肌肉僵硬。由此可反推 ATP 在收缩中的两重角色——① 水解供能,驱动动力冲程;② 结合本身即引起解离,使循环得以重复。切记「ATP 使横桥解离,而不是使横桥结合」。「肌球蛋白既是结合蛋白又是酶(ATP 酶)」这句话,是第 5 章通向第 6 章(酶)的桥梁,也是简答题「举例说明蛋白质功能的多样性」的现成素材。

Original text

Protein-ligand interactions achieve a special degree of spatial and temporal organization in motor proteins. Muscle contraction results from choreographed interactions between myosin and actin, coupled to the hydrolysis of ATP by myosin. Myosin consists of two heavy chains and four light chains, forming a fibrous coiled coil (tail) domain and a globular (head) domain. Myosin molecules are organized into thick filaments, which slide past thin filaments composed largely of actin.

中文翻译

在马达蛋白中,蛋白质—配体相互作用达到了特殊程度的空间与时间组织水平。肌肉收缩来自肌球蛋白与肌动蛋白之间如编排好的舞蹈一般的相互作用,这些相互作用与肌球蛋白对 ATP 的水解相耦联。肌球蛋白由两条重链和四条轻链组成,形成一个纤维状的卷曲螺旋(尾部)结构域和一个球状(头部)结构域。肌球蛋白分子组织成粗肌丝,粗肌丝沿主要由肌动蛋白组成的细肌丝滑动。

§SUMMARY 5.3 Protein Interactions Modulated by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors · 教材 p. 708
Original text

ATP hydrolysis in myosin is coupled to a series of conformational changes in the myosin head, leading to dissociation of myosin from one F-actin subunit and its eventual reassociation with another, farther along the thin filament. The myosin thus slides along the actin filaments. Muscle contraction is stimulated by the release of Ca2+ from the sarcoplasmic reticulum. The Ca2+ binds to the protein troponin, leading to a conformational change in a troponintropomyosin complex that triggers the cycle of actin-myosin interactions.

中文翻译

肌球蛋白中的 ATP 水解,与肌球蛋白头部的一系列构象变化相耦联;这些变化使肌球蛋白先从一个 F-肌动蛋白亚基上解离,最终再与细肌丝上更远处的另一个亚基重新结合。肌球蛋白就这样沿肌动蛋白丝滑动。肌肉收缩由 Ca2+ 从肌浆网中释放所激发。Ca2+ 结合到肌钙蛋白这种蛋白质上,引起肌钙蛋白—原肌球蛋白复合物发生构象变化,从而触发肌动蛋白—肌球蛋白相互作用的循环。

§SUMMARY 5.3 Protein Interactions Modulated by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors · 教材 p. 708
原理解读

SUMMARY 5.3 就是「考点六」的标准答案,按五步背:① 总论:马达蛋白使蛋白质—配体相互作用达到特殊的空间与时间组织水平。② 分子:肌球蛋白 = 2 重链 + 4 轻链 = 纤维状卷曲螺旋尾部 + 球状头部;Mr 520,000。③ 组装:肌球蛋白 → 粗肌丝;G-肌动蛋白 → F-肌动蛋白 → 细肌丝(另含肌钙蛋白、原肌球蛋白);粗、细肌丝交错组成肌节。④ 机制:ATP 水解与肌球蛋白头部的构象变化相耦联 → 从一个 F-肌动蛋白亚基解离 → 与更远处的另一个亚基重新结合 → 肌球蛋白沿肌动蛋白丝滑动(滑动丝模型),肌节缩短而肌丝本身长度不变。⑤ 调控:神经冲动 → 肌浆网释放 Ca2+ → Ca2+ 结合肌钙蛋白 C → 肌钙蛋白—原肌球蛋白复合物构象变化 → 暴露结合位点 → 启动横桥循环。注意:干净副本中「troponintropomyosin」为连字符丢失所致,应读作 troponin-tropomyosin(肌钙蛋白—原肌球蛋白)复合物。

术语对照
  • 尸僵rigor mortisATP 耗尽致横桥永久锁死;反证 ATP 使横桥解离
  • ATP 酶ATPase肌球蛋白头部兼具的酶活性,连接第 6 章
  • 肌钙蛋白—原肌球蛋白复合物troponin-tropomyosin complexCa2+ 调控的执行者;干净副本中该词连字符丢失