血红蛋白病结构和类型结构血红蛋白是一种结合蛋白 ， 分子量64 ， 000 ， 由珠蛋白和血红素构成 。血红素由原卟啉与亚铁原子组成 ， 每一个珠蛋白分子有二对肽链 ， 一对是α链 ， 由141个胺基酸残基构成 ， 含较多组氨酸 ， 其中α87位（即F8）组氨酸与血红素铁的结合 ， 在运氧中具重要生理作用 。另一对是非α链 ， 有β、γ、δ、ξ（结构与α链相似）及ε5种；后2种与α链、γ-链分别组成胚胎早期（妊娠3月以内）血红蛋白、HbGower-1（ζ2ε2）、HbGower-2（α2ε2）、HbPortland（ζ2γ2） 。β链含146个胺基酸残基、β93半胱氨酸易被氧化产生混合二硫化物及其它硫醚类物质 ， 可降低血红蛋白稳定性 。δ链亦由146个胺基酸残基组成 ， 仅10个胺基酸与β链不同 。由于δ链中第22位丙氨酸置换了β22谷氨酸 ， 第116位精氨酸置换了β116组氨酸 ， 因此δ链的正电荷大于β链 ， HbA2（α2δ2）等电点升高 ， 电泳时靠近负极 。γ链虽由146个胺基酸组成 ， 但与β链有39个胺基酸不同 ， 且含有4个异亮氨酸 ， 为α、β与δ链所缺如 ， 因此可用分析异亮氨酸方法以测定HbF（α2γ2）含量 。正常人有二种γ链、Gr-r136为甘氨酸 ， Ar-r136为丙氨酸 ， 说明控制γ链生物合成的基因位点不止一个 。初生时Gr与Ar的比例是3∶1 ， 儿童和成人二者之比为2∶3 。每一条肽链和一个血红素连线 ， 构成一个血红蛋白单体 。人类血红蛋白是由二对（4条）血红蛋白单体聚合而成的四聚体 。不同类型的血红蛋白珠蛋白结构略有不同 ， 但血红素均相同 。
文章插图
血红蛋白病血红蛋白的四级结构：由胺基酸顺序排列的肽链结构称为血红蛋白的一级结构 。肽链中的胺基酸可分为亲水的极化胺基酸（其侧链为羧基、氨基） ， 与非极化的胺基酸（其侧链是芳香族） 。肽链中的各种胺基酸的侧链相互拉紧形成α螺旋 ， 螺旋形节段间由短而非螺旋形节段相连 。螺旋形节段从N端-C端分别以A-H表示 ， 非螺旋形节段用AB、CD等表示 ， 称为血红蛋白的二级结构 。血红素的铁原子有6个配位键 ， 第5个配位键结合在肽链F段第8位胺基酸上（即α链第87位或β链第92位组氨酸的咪唑基上） ， 第6个配位键结合氧 ， 并间接结合在肽链E段的第7位胺基酸上（即α链第58位或β-链第63位组氨酸的咪唑基上） ， 使肽链围绕血红素为中心 ， 构成内外二层螺旋状蛇形盘曲的三维空间结构 ， 称为三级结构（图20-12） 。亲水胺基酸分布于外层 ， 使血红蛋白能溶于水而不致沉澱；疏水胺基酸分布于内层 ， 使水分子不能进入血红素腔内部 ， 避免血红素的Fe2+氧化为Fe3+ 。四个血红蛋白单体（肽链三级结构加血红素） ， 按一定的空间关係结合成四聚体 ， 如HbA（或HbA1 ， α2β2）、HbA2（α2δ2）及HbF（α2γ2） ， 称异质型四聚体；由二对同样的三级结构血红蛋白单体结合成的四聚体 ， 如HbH（β4）及HbBart（γ4） ， 称为同质型四聚体 。以上所述四聚体为血红蛋白四级结构 。通过X线衍射研究四聚体的空间关係 ， 发现α1β1及α2β2的接触面较大 ， 相互移动度较小 ， 疏水 ， 有利于血红蛋白分子构型的稳定性 。α1β2及α2β1接触面小而不牢固 ， 移动度大 ， 有利于血红蛋白对氧的正常摄取与释放 。四聚体解离 ， 首先离解为α1β1及α2β2 。综上所述 ， 血红蛋白与分子的外表结构必需完整 ， 带有负电荷；α、β链结合部位要固定 ， 包围血红素腔的胺基酸顺序排列应完整 ， 否则血红蛋白就不能维持分子结构稳定性及正常运输氧生理功能 ， 并易遭破坏 。类型正常人出生后有三种血红蛋白：①血红蛋白A（HbA） ， 由一对α链和一对β链组成（α2β2） ， 为正常人主要血红蛋白 ， 占血红蛋白总量的95％以上 。胚胎二个月时HbA即有少量出现 ， 初生时占10％～40％ ， 出生6个月后即达成人水平；②血红蛋白A2（HbA2） ， 由一对α链和一对δ链组成（α2δ2） 。自出生6～12个月起 ， 占血红蛋白的2～3％；③胎儿血红蛋白（HbF）由一对α链和一对γ链组成（α2γ2） ， 初生时占体内血红蛋白的70％～90％ ， 以后渐减 。至生后6月 ， 含量降至血红蛋白总量的1％左右 。血红蛋白的不同肽链是由不同的遗传基因控制的 ， α链基因位于第16号染色体 ， β、δ、γ链基因位于第11号染色体 ， 呈连锁关係 。α珠蛋白基因的缺失或缺陷 ， 导致α珠蛋白链合成减少或缺乏 ， 称为α海洋性贫血 。β珠蛋白基因缺陷 ， 导致β珠蛋白链合成减少或缺乏 ， 称为β海洋性贫血 。珠蛋白基因突变而致肽链的单个或多个胺基酸替代或缺如 ， 导致珠蛋白分子结构改变 ， 称为异常血红蛋白 。全世界範围内经结构分析证实的异常血红蛋白日益增多 ， 至90年代初期已达600多种 ， 但仅不到1／3的异常血红蛋白伴有临床症状 。世界卫生组织估计 ， 全球约有1．5亿人携带血红蛋白病基因 ， 并已将血红蛋白病列为严重危害人类健康的6种常见病之一 。异常血红蛋白病在我国以云南、贵州、广西、新疆等地发病率较高 ， 现已发现异常血红蛋白67种 ， 包括α链（34种）、β链（26种）、γ链（4种）等异常 ， 其中19种为我国首见 。海洋性贫血多发于华南及西南地区 。根据近10年来我国28个省市、自治区近100万人口的普查资料 ， 异常血红蛋白病的发病率为0．33％ ， α海洋性贫血的发病率为2．64％ ， β海洋性贫血的发病率为0．66% 。分子遗传学血红蛋白的分子遗传变化 ， 大致可归纳为以下6类：（一）单个硷基替代由于遗传密码中单个硷基替代 ， 导致由该硷基决定的胺基酸发生相应的变化 ， 形成肽链中单个胺基酸置换的异常血红蛋白 ， 例如HbS、HbC等 。目前发现的异常血红蛋白中 ， 以本类型最多见 ， 约占90％ 。（二）终止密码的突变因终止密码（UAA、UAG）的变异 ， 使珠蛋白肽链不在正常的位置终止 ， 导致肽链延长或缩短 ， 如Hb McKees Rock的β链第145位胺基酸的硷基由UAU变为UAA（终止密码） ， 使β链提前结束 ， 仅含144个胺基酸 。又如Hb ConstantSpring α链第142位终止密码UAA变为CAA ， 直至第173位才出现终止密码 ， 因此Hb Constant Spring α链比正常α链多32个胺基酸 。（三）移码突变如正常血红蛋白肽链遗传密码中 ， 嵌入或缺失1～2个硷基 ， 使正常三联密码子硷基成分发生改变 ， 如HbTak为β链第147位终止密码UAA前插入AC ， 使UAA→ACU苏氨酸 ， 而致β链延长至第157位胺基酸 ， 比正常β链多11个胺基酸 。（四）密码子缺失或插入生殖细胞减数分裂时 ， 联合中的染色体发生错配或不等交换 ， 形成两种珠蛋白基因 。一种失去一部分密码子 ， 合成缺失部分胺基酸的肽链 ， 如HbLyon ， β链第17-18位缺失赖、缬氨酸 。另一条染色单体上却嵌入了相应密码子 ， 合成插入部分胺基酸的肽链 。又如Hb Grady α链第119与120间嵌入了α链第117～119三个胺基酸（苯丙-苏-脯氨酸） 。（五）融合基因减数分裂时 ， 不同珠蛋白基因之间发生不等交换 ， 合成融合链的异常血红蛋白 ， 如δ链和β链基因错误联合 ， 产生不等交换 ， 形成融合基因δβ（Hb Lepore）和βδ（Hb反Lepore） 。（六）其它由于α珠蛋白基因缺陷 ， 使α链合成减少或缺如 ， 过剩的β链与γ链形成四聚体 ， 如β4-HbH ， γ4Hb Barts；或由于β珠蛋白基因缺陷 ， βmRNA缺乏或转录、转译缺陷 ， 使β链合成减少或缺如、导致HbA减少 ， 而HbF、HbA2增高 。上述珠蛋白肽链本身并无胺基酸顺序的改变 。血红蛋白病的分子病理与溶血机理异常血红蛋白病种类繁多 ， 临床症状多样化 ， 但归纳其结构变异所导致功能异常 ， 大致可分为以下数类：1．因分子内部胺基酸替代所产生的异常血红蛋白 ， 血红蛋白分子内部为非极性胺基酸 ， 在血红蛋白分子中构成血红素与珠蛋白链的接触 ， 肽链螺旋段间的接触及血红蛋白单体间的接触 ， 如被不同理化性质的胺基酸替代 ， 会影响分子的构型和稳定性 。此类异常血红蛋白包括血红蛋白M（HbM） ， 不稳定血红蛋白（UHb）和氧亲和力改变的血红蛋白 。（1）HbM：肽链中与血红素铁原子连线的组氨酸被酪氨酸所替代 ， 最常见的是E7或F8的组氨酸为酪氨酸所替代 ， 酪氨酸酚基上的氧与血红素的铁原子构成离子键 ， 使铁原子呈稳定的高铁状态 ， 影响血红蛋白的正常释氧功能 ， 使组织供氧不足 ， 出现紫绀及红细胞增多 。高铁血红素并易与珠蛋白链分离 ， 使血红蛋白分子结构不稳定而发生溶血 。（2）UHb：肽链中与血红素紧密结合的胺基酸发生替代或缺失 ， 影响肽链的立体结构或减弱与血红素的结合力 ， 形成UHb分子 。水易进入血红蛋白袋内 ， 使亚铁血红素氧化为高铁血红素；β第93位半胱氨酸的硫氢基被氧化 ， 产生硫化物 ， 形成硫化血红蛋白 ， 使珠蛋白链与血红素分离 。游离珠蛋白链在37℃即不稳定 ， 四聚体易解离为单体 ， 在红细胞内聚集沉澱 ， 形成包涵体 ， 使细胞膜僵硬 ， 通过微循环时往往导致膜部分丧失 ， 最终变为球形红细胞 ， 在脾脏阻留而破坏 。?蛋白种类很多 ， 一般均对分子构型、功能和稳定性没有明显影响 。HbE是β链第26位谷氨酸被赖氨酸替代 。因谷、赖两种胺基酸理化性质相同 ， 其替代位置虽在α1β1接触面上 ， 但对血红蛋白分子的稳定性和功能影响不大 。这类异常血红蛋白中少数可产生溶解度改变 ， 如HbS和HbC均由于其分子外部形状或电荷改变 ， 缺氧时溶解度降低；HbS聚合为螺旋状体 ， 扭曲成镰刀形纤维；而HbC聚合为一种副结晶；两者均使细胞膜变硬 ， 难以通过微循环 ， 丧失部份红细胞膜 ， 形成球形红细胞 ， 在脾窦内阻留溶破 。β-海洋性贫血患者 ， 过剩的α肽链形成多聚体 ， 引起红细胞膜损害 ， 致使大量幼红细胞无效生成 。α海洋性贫血 ， 过剩的β及γ链形成HbH（β4）或HbBart（γ4） 。HbH是一种不稳定血红蛋白 ， HbH包涵体结合在红细胞膜上 ， 使膜对阳离子通透性发生改变 ， 钾盐与水逐渐从红细胞内渗透至细胞外 。缺钾红细胞寿命缩短 ， 易在单核／吞噬细胞系统破坏 ， 导致溶血 。Hb Bart对氧亲和力增高 ， 造成组织缺氧 。诊断本病分布因地区、民族而异 ， 故应详细询问患者籍贯、民族 ， 临床有无黄疸、贫血、肝脾肿大 ， 生长发育迟缓或紫绀、红细胞增多等；家系中有无同样病史患者 。实验室检查包括网织红细胞计数、红细胞压积、周围红细胞形态及红细胞脆性试验 ， 了解有无低色素、小细胞性贫血 。如上述检查提示有血红蛋白病可能 ， 应对患者及其家系作下列有关实验室检查 ， 进一步确诊 。我国北京、上海等大城市已建立先进的基因诊断技术 ， 对多种遗传血液病如血友病 ， α海洋性贫血、β-海洋性贫血、异常血红蛋白病等成功地进行了基因诊断和产前基因诊断：1．常用基因诊断方法为抽提全血、乾纸片血、羊水细胞、绒毛细胞DNA作DNA点杂交 ， 适用于诊断基因缺失的遗传病 ， 如α海洋性贫血病人α珠蛋白基因不同程度的缺失 。2．限制性内切酶酶谱法 ， 适用于诊断基因突变改变了限制酶切点或DNA缺失而改变酶解片段大小长短的遗传病 。3．限制性片段多态性分析（RFLP） ， RFLP按孟德尔方式遗传 ， 如某种遗传病基因与特异的RFLP紧密相连 ， 即可将这一多态片段作为"遗传标记" ， 通过RFLP连锁分析推测该家庭成员和胎儿是否携带遗传病基因 ， RFLP连锁分析适用于诊断任何一种单基因遗传病 。4．寡核苷酸杂交是一种直接基因诊断技术 ， 对于基因突变部位的硷基序列已查明的遗传病 ， 均可以直接检测和鉴定其突变的基因 。5．聚合酶链反应（PCR）DNA体外扩增 ， 此种高效DNA分析技术可以直接通过PCR产物的电泳分析进行基因诊断 ， 适用于诊断基因缺失或部分DNA缺失所致的遗传病 。6．对非缺失型突变基因可结合限制酶切位点的改变 ， 如与RFLP位点相连锁 ， 则可用限制酶消化PCR扩增产物 ， 直接电泳分析 ， 不需套用基因探针进行分子杂交 ， 大大简化实验操作 ， 使基因诊断可在半天内完成 。治疗说明目前尚无根治方法 。对患者家系及本病高发地区 ， 应做好血红蛋白病普查 ， 遗传谘询和婚前检查 。必要时进行产前诊断 ， 做好优生工作 ， 防止严重型血红蛋白病患儿的出生 。对重型患者可给予超量输血 ， 使用铁螯合剂 ， 减少含铁血黄素沉着 。脾功能亢进时可切除脾脏 。至于对珠蛋白合成的调控 ， 控制外源性珠蛋白基因在宿主细胞内正确有效的表达 ， 目前尚在实验研究阶段 ， 未能用于临床 ， 作为海洋性贫血的基因治疗方法 。