三 分子机器一例

最早解出的红蛋白结构正好说明：像蛋白和核酸等功能大分子在为生命执行其特殊使命时，俨然是一架“精心设计”的灵巧的机器。生物大分子为生命执行的特殊使命有：DNA 和 RNA 对遗传信息的存档和提取以及前不久发现的 RNA 的自催化作用；蛋白分子之催化、储运、调控等作用。

现在要在红蛋白三维结构的基础上谈谈它们是怎样执行储运 O2 分子的使命的。

肌红蛋白为 153 肽，分子量为 17800。结构系由占用 121 肽的 8 段α

-螺旋（A，B，C，D，E，F，G，H）组成。大小为 45×35×25■（注：1

■=10-10m）。分子的活性部位是称为血红素的含 Fe 辅基。Fe 原子坐在辅基中央与 4 个 N 原子配位。在它的 6 个配位中，第 5 配位与肌红蛋白中第 93 位（F8）上称为近侧组氨酸残基的 N 原子结合，而第 6 配位是为O2 分子等准备的，在其附近有第 64 位（E7）称为远侧残基的组氨酸影响着进入第 6 配位的分子。这里顺便提一下，64 和 93 位在多肽链上隔得很远，但在高级结构中却汇合在一起了。这说明高级结构信息的重要性， 而一级结构并不能直接说明功能问题。

在生物演化过程中，生命立足于无氧到有氧的过渡是一件大事。葡萄糖在无氧到有氧的条件下释放的能量要上升到 8 倍。

脊椎动物发展出红蛋白分子来载氧，以克服氧在水中难溶所引起的传质问题。另外，为了不使血液变成难于流动的浓溶液，还将血红蛋白放在饼形红血球中输送。血红蛋白还兼管 CO2 和 H+的输运。肌红蛋白储备在肌肉中，以利在肌肉中供氧。

现在要来讲讲红蛋白分子中血红素的第 6 配位上的情况。

血红素在红蛋白中是由肽段围护着的。只有 FeⅡ才能结合 O2 分子， 而 FeⅢ只能结合水分子。

分子 O2 和 CO 都能在第 6 配位上与 FeⅡ结合。由于它们的电子结构不

同，各形成三角和直线构型。这样，CO 的结合力要比 O2 大 25000 倍。但在远侧组氨酸残基的影响下，使 CO 偏离直线构型，从而其结合力只比 O2 大 200 倍。换言之，CO 的结合优势降到了原来的 1％以下。不难想象， 这一点对人类是特别重要的。这些情况可从图中自明。

血红蛋白是 4 个与肌红蛋白相仿的分子作为 4 个亚基组成的。亚基

α和β各为 141 和 146 肽，而血红蛋白分子是α2β2。4 个亚基之间是由盐桥等联成一个整体。

肌红蛋白为肌肉中储氧效劳。血红蛋白要从肺气泡中取氧，然后输

运给肌红蛋白分子和其他需氧的细胞或部位。这两种红蛋白确实具有不同的释氧曲线。释氧曲线为分别以饱和度 Y 和氧分压 po2 作为纵坐标和横坐标描出的曲线。

如果考虑血红蛋白中 4 个亚基在氧合过程中相互之间有影响或互相呼应的，从而可以看成一个整体的话，我们就能从物理化学原理中推引出这样的 S 形曲线，而肌红蛋白的抛物线可以说明每个分子是独立进行氧合的。下列公式的推引过程和意义不难自明：

MbO2 = Mb + O 2

Hb(O2 ) n

= Hb + nO2

[Mb][O ] (po ) n

K = 2 Y = 2

[MbO2 ]

( Po

) n + ( p ) n

Y = [ MbO2 ]

[ MbO2 ] + [Mb]

Y = [O 2 ]

Y

1− Y

Y =

= po2

p50

po 2

[O 2 ] + K

Y = po2

po2 + p50

po 2 + p50

式中：p50 为 Y=50％时的 po2 值，n 代表 4 个亚基在氧合过程协同中的有效亚基数，约为 2.8 。血红蛋白在 po2 为 100 和 20mm Hg 时

（1mmHg=133.322Pa），Y 各为 0.98 和 0.32，分压差可得 0.66，而只有一个亚基的肌红蛋白是享受不到协同效应的，分压差要低得多，从而宜于储氧。这说明，4 个亚基的协同效应大大提高了血红蛋白输氧的效率。

血红蛋白 4 个亚基之间的协同效应是有其结构基础的。‘机器’中

‘安排’了一种机构使协同效应得以产生。这种机构首先能使 4 个亚基在氧合过程中通过构象变化来互通信息，而且这种构象变化的结果是给氧合过程中第一个分子‘开了路’，随后的分子就会越来越顺利了。脱氧过程也同样受制于协同效应。

氧合过程中 O2 分子会通过 Fe 原子牵动近侧组氨酸残基来启动其他亚基，并改动亚基之间盐桥键和整个分子的构象，而其结果可为随后的O2 分子‘开路’。脱氧过程又使血红蛋白的 4 个亚基回到原来的构象中， 即松态 Relax→紧态 Tense。紧态对底物，即 O2 分子的亲和力较低。这样的

变构调节及其产生的协同效应在酶促反应中也是常见的。详情请参阅有关书籍。