Цитохром и гемоглобин различия и сходства
Содержание статьи
Классификация сложных белков.
| Небелковый компонент | |
| Нуклеопротеины Гликопротеины Липопротеины Флавопротеины Фосфопротеины Гемопротеины Протеогликаны Металлопротеины | РКН, ДНК, нуклеотиды (НАД, НАДФ) Углеводы, олигосахариды, моносахариды Липиды (ТАГ, ФЛ, Хол, Эхол) Флавиновые нуклеотиды (ФАД, ФМН) |
Гемопротеины: миоглобин и гемоглобин
Гемсодержащие белки имеют чрезвычайно важное биологическое значение. Одни участвуют в процессах связывания и транспорта кислорода, другие осуществляют транспорт электронов в дыхательной цепи, проявляют ферментативную активность и являются участниками антиоксидантной защиты организма.
Гемопротеины – это сложные белки, содержащие в качестве простетической группы, окрашенный в красный цвет гем – циклический тетрапиррол или протопорфирин, состоящий из 4-х пиррольных колец, соединенных метеновыми мостиками (=СН–) с образованием плоской кольцевой сопряженной системы, т. е. ароматической. Гем в молекулах гемоглобина и миоглобина содержит 2 винильных, 4 метильных и 2 пропионатные боковые цепи. В центре плоского кольца гема находится атом железа в ферросостоянии ( ), который образует четыре координационнные связи с азотами пиррольных колец, ещё две координационные связи возникают в плоскости перпендикулярной плоскости гема: пятая предназначена для связывания с полипептидной цепью (через азот пиридина), а шестая – для связывания физиологического лиганда – кислорода.
Основные гемсодержащие белки
| Гемопротеиды | Биологические функции |
| Гемоглобин ( ), Миоглобин ( ) | Акцепторы кислорода, способные обратимо связывать его. Миоглобин резервирует кислород, гемоглобин обеспечивает транспорт кислорода. Окисление в миоглобине и гемоглобине приводит к потере их биологической активности. |
| Цитохромы ( / ) | В цитохромах происходит попеременное окисление и восстановление атома железа, определяющее функцию цитохромов – транспорт электронов. |
| Хлорофиллсодержащие белки ( ) | Фотосинтез у растений. |
| Каталаза ( ) | Фермент, катализирующий расщепление перекиси водорода: |
| Витамин , цианкобаламин. Содержит – металлопорфирин. | Близок по структуре гему, необходим для нормального кроветворения. Единственный витамин, содержащий в своем составе кобальт. Синтезируется исключительно микроорганизмами. |
| Триптофаноксигеназа (триптофанпирролаза), содержит . | Катализирует начальную стадию метаболических превращений незаменимой аминокислоты трипто- фана, приводящих к синтезу никотинамида, а затем и . |
Миоглобин
Характеристика структуры
· Миоглобин содержится в красных мышцах, относится к классу сложных белков, гемопротеинам, содержит белковую часть (апомиоглобин) и небелковую часть, простетическую группу – гем. Миоглобин является глобулярным белком, представлен одной полипептидной цепью, состоящей из 153 аминокислотных остатков.
· Молекула миоглобина имеет высокую степень α-спирализации: почти 75% остатков образуют 8 правых α-спиралей, которые обозначают латинскими буквами, начиная от N-конца цепи: А, В, С, Д, Е, F, G, Н.
· Пространственная 3-х мерная структура миоглобина имеет вид глобулы, образованной из α-спиралей за счет петель и изгибов цепи в области неспирализованных участков белка. В изгибах цепи находятся 4 остатка пролина.
· Внутренняя часть глобулы миоглобина защищена от воды, т. к. содержит, в основном, неполярные гидрофобные радикалы аминокислот, за исключением 2-х остатков гистидина, располагающихся в активном центре, т. е. они пространственно сближены, но принадлежат различным спиралям – (проксимальный гистидин), (дистальный гистидин).
· Гем располагается в гидрофобном «кармане» между спиралями F и Е. Четыре связи атома железа с атомами пиррольных колец, пятое координа ционное положение атома железа занято атомом азота проксимального гистидина (Гис ) в полипептидной цепи. Шестое координационное положение атома железа связано с молекулой кислорода, вблизи располагается дистальный гистидин (Гис ), который не имеет связи с гемом, но обеспечивает угловой присоединение кислорода (121˚).
· Пространственная структура белковой глобулы вокруг гема обеспечивает прочное, но обратимое связывание с кислородом и устойчивость железа к окислению ( в ).
· Биологическая функция миоглобина: он не способен транспортировать кислород, но зато эффективно его запасает в красных мышцах. В условиях кислородного голодания, например, при сильной физической нагрузке кислород высвобождается из оксигенированного миоглобина и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТФ (окислительное фосфорилирование).
Для миоглобина кривая адсорбции кислорода имеет форму гиперболы. Даже при низком парциальном давлении кислород в работающей мышце (20 мм рт. ст.) степень насыщения миоглобина кислородом составляет ~ 80%. Только при снижении рО2 до 5 мм рт. ст. (при кислородном голодании и тяжелой физической нагрузке) миоглобин легко отдает связанный кислород в митохондрии.
Гемоглобин
Отличие в структурах миоглобина и гемоглобина связано с тем, что гемоглобин имеет четвертичную структуру, которая наделяет его дополнительными свойствами, отсутствующими у миоглобина. Гемоглобин обладает аллостерическими свойствами (от греческого «аллос» – другой), его функционирование регулируется компонентами внутренней среды (кислород; ; ; 2,3-ДФГ), что способствует выполнению гемоглобином его важнейших биологических функций.
Дезоксигемоглобин имеет жесткую, напряженную структуру, стабилизированную солевыми связями между субъединицами, т. е. Т-состояние (от англ. tense – напряжённый); центры связывания О2 малодоступны, сродство к О2 низкое.
В отличие от миоглобина, который имеет трехмерную структуру, гемоглобины, находящиеся в эритроцитах, представляют собой тетрамерные белки, молекулы которых содержат различные типы субъединиц (α, β, γ).
НbА – основной гемоглобин взрослого человека, олигомер, содержащий 2α цепи (по 141 аминокислотному остатку в каждой цепи) и 2β цепи (по 146 остатков, составляет ~ 98% от общего количества гемоглобина. Молекула гемоглобина имеет четыре гема, т. е. 4 центра связывания О2.
Функции гемоглобина:
· Транспорт О2 из легких к периферическим тканям;
· Участие в транспорте СО2 и протонов от периферических тканей в легкие для последуюшего выведения из организма;
· Буферное действие. Гемоглобиновая буферная система наиболее мощная из буферных систем крови, препятствует закислению среды в тканевых капиллярах и подщелачиванию в легких.
Сходство и отличие структур миоглобина и гемоглобина А (НbА)
Пространственные структуры (вторичная и третичная) отдельных цепей гемоглобина и миоглобина имеют поразительное сходство, несмотря на различия в аминокислотной последовательности в полипептидных цепях.
Сходным является и расположение гема в гидрофобном «кармане» внутри белковой глобулы, его соединение с белком, а также расположение атома относительно плоскости гема.
Итак, важнейшие акцепторы О2 в организме человека – миоглобин и гемоглобин имеют сходную конформацию, которая, по-видимому, обеспечивает им возможность обратимо связывать О2 и устойчивость к окислению.
Связывание О2 сопровождается разрывом солевых связей между протомерами гемоглобина, что облегчает присоединение последующих молекул О2, т. к. центры связывания О2 открываются. Т-форма гемоглобина переходит в R-форму (relaxed – релаксированная), т. е. структура оксигемоглобина становится мягкой, сродство к О2 возрастает в 300 раз.
Сродство гемоглобинов к О2 характеризуется величиной – значением парциального давления О2, при котором наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом. Чем ниже Р50, тем выше сродство к О2. Благодаря уникальной структуре гемоглобин присоединяет О2 в легких при его высоком насыщении кислородом (около 100%) и легко отдает О2 в капиллярах тканей при более низком давлении О2.
Источник
особенности структуры и функции гемоглобина и цитохрома
Окрашенные соединения ( гем, производные рибофлавина;
Гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза
Казеиноген молока, овальбумин, вителлин
Ферритин, трансферрин, церулоплазмин, гемосидерин
Углеводы и их производные
Гликофорин, интерферон, иммуноглобулины
Хиломикроны, липопротеины плазмы крови
В этом разделе мы более подробно коснёмся строения и свойств хромопротеинов и нуклеопротеинов. Характеристика белков — представителей других классов будет рассмотрена позднее.
Особенности строения и биологическая роль липопротеинов, нуклеопротеинов, фосфопротеинов, металлопротеинов.
3.2.1. Липопротеины – сложные белки, содержащие в качестве простетической группы липиды и их производные. Представителями служат хиломикроны и другие фракции липопротеинов крови. Липопротеины являются транспортными формами липидов в крови. Более подробно этот класс сложных белков рассматривается в разделе «Обмен липидов».
3.2.2. Нуклеопротеины – сложные белки, содержащие в качестве простетической группы нуклеиновые кислоты. Нуклеопротеинами являются вирусы, рибосомы, хроматин клеточного ядра. Существуют две разновидности нуклеопротеинов: 1) рибонуклеопротеины, в состав которых входит рибонуклеиновая кислота (РНК); 2) дезоксирибонуклеопротеины, в состав которых входит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Строение и свойства нуклеиновых кислот будут рассматриваться позднее.
Особенность белковой части нуклеопротеинов заключается в том, что в её состав входит много положительно заряженных аминокислотных остатков. Так, в состав дезоксирибонуклеопротеинов входят белки гистоны, богатые лизином и аргинином. Между белковыми и небелковыми компонентами нуклеопротеинов образуются ионные связи (так как нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно).
3.2.3. Фосфопротеины содержат в своём составе остатки фосфорной кислоты, соединённые с остатками гидроксиаминокислот (серин, треонин) при помощи сложноэфирных связей. К этой группе сложных белков относятся казеиноген молока, яичные белки овальбумин и вителлин. Многие внутриклеточные белки являются фосфопротеинами. Присоединение фосфатной группы к белку часто вызывает изменение его функции.
Фосфорилирование и обратный процесс – дефосфорилирование – распространенный механизм регуляции биологической активности белков. Например, фосфорилирование гистонов снижает их способность связываться с ДНК и участвовать в регуляции матричных синтезов с участием ДНК.
3.2.4. Металлопротеины. Если в белке содержатся ионы одного или нескольких металлов, то такие белки называются металлопротеинами. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка и участвуют в поддержании его пространственной структуры. Металлопротеины часто являются ферментами.
Трансферрин – водорастворимый железопротеин, содержащийся в сыворотке крови в составе β-глобулинов. Молекула трансферрина содержит 2 иона Fe 3+ ; этот белок служит переносчиком железа в организме.
Ферритин – внутриклеточный глобулярный белок, содержится главным образом в селезенке, печени, костном мозге, выполняя роль депо железа в организме. Благодаря ферритину цитозольные запасы железа поддерживаются в растворимой и нетоксичной форме.
Гемосидерин, в отличие от ферритина и трансферрина, является водонерастворимым железосодержащим белковым комплексом. Он содержится главным образом в клетках печени и селезенки, накапливается при избытке железа в организме, например, при частых переливаниях крови.
Церулоплазмин – белок α 2 -глобулиновой фракции сыворотки крови, его молекула содержит 6 – 8 ионов меди. Обладает каталитической активностью, катализирует реакцию окисления Fe 2+ в Fe 3+ . Это делает возможным связывание железа с трансферрином и его последующий транспорт в крови.
3.3.1. Гликопротеины – содержат в качестве простетической группы углеводы и их производные. Они присоединяются либо N-гликозидной связью к амидогруппе остатка аспарагина, либо О-гликозидной связью к гидроксигруппе остатка серина или треонина. Углеводная часть имеет нерегулярное строение.
Гликопротеины выполняют в организме следующие функции: структурную (коллаген, эластин), защитную (антитела, интерфероны), рецепторную, гормональную (гормоны гипофиза), ферментативную, транспортную.
3.3.2. Иммуноглобулины (антитела) — группа белков, вырабатываемых организмом в ответ на попадание в организм чужеродных структур (антигенов). Они синтезируются В-лимфоцитами или плазматическими клетками. В организме может вырабатываться порядка 107 разновидностей иммуноглобулинов, каждый из которых может распознавать определённый антиген. Все иммуноглобулины подразделяют на пять классов: IgA, IgG, IgM, IgD, IgE.
Основную структурную единицу иммуноглобулинов, или мономер, образуют четыре полипептидные цепи, соединённые между собой дисульфидными связями, из них:
а) две идентичные тяжёлые цепи (молекулярная масса 53000 — 75000 Да), обозначаемые буквами Н;
б) две идентичные лёгкие цепи (молекулярная масса около 23000 Да), обозначаемые буквами L.
Иммуноглобулины G, D и Е по своей структуре, как правило, являются мономерами, молекулы IgM построены из пяти мономеров, IgA могут быть как мономерами, так и состоять из двух и более структурных единиц.
Белковые цепи, входящие в состав иммуноглобулинов, можно условно разделить на специфические домены, или области, имеющие определённые структурные и функциональные особенности.
N-концевые участки как L-, так и Н-цепей называются вариабельной областью (V), так как их структура характеризуется существенными различиями у разных классов антител. Внутри вариабельного домена имеются 3 гипервариабельных участка, отличающихся наибольшим разнообразием аминокислотной последовательности. Именно вариабельная область антител ответственна за связывание антигенов по принципу комплементарности; первичная структура белковых цепей в этой области определяет специфичность антител.
С-концевые домены Н- и L-цепей обладают относительно постоянной первичной структурой в пределах каждого класса антител и называются константной областью (С). Константная область определяет свойства различных классов иммуноглобулинов, их распределение в организме, может принимать участие в запуске механизмов, вызывающих уничтожение антигенов.
3.3.3. Функции иммуноглобулинов. IgG составляют около 75% общего количества иммуноглобулинов плазмы крови. IgG эффективно связывают и инактивируют чужеродные молекулы и клетки, попавшие в организм, а также облегчают их дальнейшее уничтожение, способны преодолевать плацентарный барьер, что обеспечивает иммунитет новорождённых в течение первых недель жизни.
IgA содержатся главным образом в секретах слизистых оболочек дыхательных и выделительных путей, желудочно-кишечного тракта, т.е. обеспечивают защиту поверхностей, сообщающихся с внешней средой.
IgM синтезируются на ранних стадиях иммунного ответа, вступают в реакцию агглютинации с антигенами, активируют систему комплемента.
IgD связаны с мембраной лимфоцитов, функционируют в качестве рецепторов для антигенов.
IgE участвуют в развитии аллергических реакций, в защите от паразитарных инвазий.
| Раздел 3.4 | Миоглобин и гемоглобин: сходство и различия структуры и функции. |
| 3.4.1. Среди хромопротеинов различают гемопротеины (содержат в качестве простетической группы порфириновые производные) и флавопротеины (содержат производные рибофлавина — витамина B 2 ). Хромопротеины участвуют в осуществлении многих жизненно важных функций, таких как тканевое дыхание, перенос кислорода, окислительно-восстановительные реакции, светоощущение, фотосинтез в растительных клетках и другие процессы. Производные гемоглобина. Молекулярные формы гемоглобина: отличия HbF и HbS от HbA. 3.5.1. Следует различать производные гемоглобина и его молекулярные формы. К производным гемоглобина относятся продукты взаимодействия гемоглобина (дезоксигемоглобина) с различными лигандами. Это взаимодействие, как правило, носит обратимый характер. Производные гемоглобина, представляющие наибольший интерес для медицины, перечислены в таблице 3.2. Запомните, что метгемоглобин (MetHb), в отличие от гемоглобина, теряет способность связывать и транспортировать кислород. Следовательно, попадание в организм больших количеств веществ, вызывающих образование метгемоглобина (нитриты, нитраты, анилин, нитробензол, некоторые лекарства), может привести к гипоксии (кислородному голоданию) тканей и смерти. В то же время метгемоглобин может легко связывать ионы CN — , нейтрализуя их токсическое действие. В результате образуется цианметгемоглобин. 3.5.2. Молекулярные формы гемоглобина отличаются друг от друга строением полипептидных цепей. Примером такой разновидности гемоглобина, существующей в физиологических условиях, является фетальный гемоглобин (HbF), присутствующий в крови в эмбриональной стадии развития человека. В отличие от HbA, его молекула содержит 2 α- и 2 γ-цепи (то есть β-цепи заменены на γ-цепи). Такой гемоглобин обладает более высоким сродством к кислороду. Именно это позволяет эмбриону получать кислород из крови матери через плаценту. Вскоре после рождения HbF в крови ребёнка замещается на HbA. В качестве примера аномального или патологического гемоглобина можно привести уже упоминавшийся (см. 2.4.) гемоглобин S, обнаруженный у больных серповидно-клеточной анемией. Как вам уже известно, он отличается от гемоглобина А заменой в β-цепях глутамата на валин. Эта аминокислотная замена вызывает снижение растворимости HbS в воде и уменьшение его сродства к O 2 . | |
| Критерий | Дезоксигемоглобин | Оксигемоглобин | Карбгемоглобин | Карбоксигемоглобин | Метгемоглобин | Цианметгемоглобин |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Лиганд | — | O 2 | СО 2 | СО | ОН — | CN — |
| Валентность железа | II | II | II | II | III | III |
| Место присоединения лиганда | — | Fe2 + | NH 2 — группы глобина | Fe 2+ | Fe 3+ | Fe 3+ |
| Механизм образования | — | Hb + O 2 « HbO 2 | Hb-NH 2 + CO 2 « Hb-NH-COOH | HbО 2 + CO « HbCO + O 2 | Hb + O 2 + OН — « MetHb(OH) + O 2 — | MetHb(OH) + CN — « MetHb(CN) + OH — |
| Сродство к O 2 | низкое | высокое | низкое | очень низкое | отсутствует | отсутствует |
| Присутствие в крови в норме | присутствует | присутствует | присутствует | отсутствует | отсутствует | отсутствует |
| Примеры |
Источник