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114年:醫學一(2)

當血紅蛋白（ hemoglobin ）與2,3-bisphosphoglycerate （2,3-BPG）結合時，會更易於形成下列何種四級結構？

AR狀態（R state）
BT狀態（T state）
CA形態（A form）
DZ形態（Z form）

詳細解析

本題觀念：

本題考查的是**血紅蛋白（Hemoglobin, Hb）的異位調節（Allosteric regulation）以及其四級結構（Quaternary structure）**的構象變化。核心概念在於理解 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）如何透過結合血紅蛋白來影響其對氧氣的親和力。

選項分析

  • A. R狀態（R state）：錯誤。
    • R 態（Relaxed state）是**氧合血紅蛋白（Oxyhemoglobin）**的主要構象。在此狀態下，血紅蛋白對氧氣的親和力較高。
    • R 態的中心空腔（Central cavity）較狹窄，無法容納 2,3-BPG 分子，因此 2,3-BPG 難以與 R 態結合。
  • B. T狀態（T state）：正確。
    • T 態（Tense state）是**去氧血紅蛋白（Deoxyhemoglobin）**的主要構象。在此狀態下，血紅蛋白對氧氣的親和力較低。
    • 在 T 態的四級結構中，兩個 β\beta 次單元之間的中心空腔較大，且帶有正電荷（由 Histidine 和 Lysine 殘基提供），剛好能與帶負電荷的 2,3-BPG 結合。
    • 2,3-BPG 的結合就像一個「支架」，將血紅蛋白鎖定在 T 態，從而穩定這種低親和力的構象，促使氧氣釋放。
  • C. A形態（A form）：錯誤。
    • 在血紅蛋白的四級結構討論中，並無所謂的「A form」構象。
    • "A" 通常指成人血紅蛋白（Hemoglobin A, HbA），是蛋白種類而非結構狀態；或可能混淆自 DNA 的 A-form。
  • D. Z形態（Z form）：錯誤。
    • 同理，血紅蛋白四級結構中無「Z form」。
    • "Z" 常見於 Z-DNA 或 α1\alpha_1-抗胰蛋白酶缺乏症中的 Z 突變蛋白（Z protein），與本題 Hb 的異位調節構象無關。

答案解析

血紅蛋白主要存在兩種可互換的四級結構：**T 態（Tense state）**與 R 態（Relaxed state）。

  • 2,3-BPG 的作用機制：2,3-BPG 是一種帶高負電荷的分子，它專一性地結合在去氧血紅蛋白（Deoxy-Hb）四聚體中心的帶正電空腔中。
  • 結構選擇性：只有 T 態 的中心空腔足夠寬大以容納 2,3-BPG。當 Hb 轉變為 R 態（結合氧氣）時，該空腔會變窄，導致 2,3-BPG 被排出。
  • 結論：2,3-BPG 與 Hb 結合後，會透過「交聯」作用穩定 T 態 結構，阻止其轉變為 R 態，從而降低 Hb 對氧的親和力（使氧解離曲線右移），有利於在組織中釋放氧氣。

因此，當 2,3-BPG 與血紅蛋白結合時，會更易於形成/穩定 T 態（T state）。

核心知識點

考生應掌握以下關於血紅蛋白結構與功能的生理生化重點：

  1. 構象狀態（Conformational States）：
    • T state (Tense)：去氧、低親和力、組織釋氧型。
    • R state (Relaxed)：氧合、高親和力、肺部抓氧型。
    • 口訣記憶：T for Tissue (release O2 at tissue); R for Respiratory (bind O2 at lungs).
  2. 異位調節因子（Allosteric Effectors）：
    • 2,3-BPG、H+ (Bohr effect)、CO2：皆結合併穩定 T state，導致氧解離曲線右移（Right shift），促進氧氣釋放。
  3. 2,3-BPG 結合位點：結合於兩條 β\beta-globin 鏈之間的中心空腔（帶正電氨基酸殘基）。
    • 註：胎兒血紅蛋白（HbF, α2γ2\alpha_2\gamma_2）因 γ\gamma 鏈缺乏關鍵的正電氨基酸（His143 →\to Ser），對 2,3-BPG 親和力低，故對氧親和力高於 HbA，有利於從母體獲得氧氣。

參考資料

  1. Lehninger Principles of Biochemistry, "Protein Function: Hemoglobin and Allostery".
  2. Harper's Illustrated Biochemistry, "Hemoglobin & Myoglobin".
  3. Deranged Physiology: "Factors which influence the affinity of haemoglobin for oxygen" (https://derangedphysiology.com)
  4. NCBI Bookshelf: "Hemoglobin: Structure, Function and Allostery" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3905631/)
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