Особенности строения олигомерных белков на примере гемоглобина

ñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ îëèãîìåðíûõ áåëêîâ íà ïðèìåðå ãåìîãëîáèíà

Âëèÿíèå ÷åòâåðòè÷íîé ñòðóêòóðû íà ôóíêöèîíàëüíûå ñâîéñòâà áåëêà. Ñðàâíèòåëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ìèîãëîáèíà è ãåìîãëîáèíà, èõ ñòðóêòóðà è çíà÷åíèå. Êîîïåðàòèâíûå èçìåíåíèÿ êîíôîðìàöèè ïðîòîìåðîâ. Ðåãóëÿòîðíûå ñâîéñòâà îëèãîìåðíîãî áåëêà ãåìîãëîáèíà.

Ñòóäåíòû, àñïèðàíòû, ìîëîäûå ó÷åíûå, èñïîëüçóþùèå áàçó çíàíèé â ñâîåé ó÷åáå è ðàáîòå, áóäóò âàì î÷åíü áëàãîäàðíû.

Ðàçìåùåíî íà https://www.allbest.ru/

Ðåôåðàò

Îñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ îëèãîìåðíûõ áåëêîâ íà ïðèìåðå ãåìîãëîáèíà

Îëèãîìåðíûå áåëêè ïðîÿâëÿþò ñâîéñòâà, îòñóòñòâóþùèå ó ìîíîìåðíûõ áåëêîâ. Âëèÿíèå ÷åòâåðòè÷íîé ñòðóêòóðû íà ôóíêöèîíàëüíûå ñâîéñòâà áåëêà ìîæíî ðàññìîòðåòü, ñðàâíèâàÿ ñòðîåíèå è ôóíêöèè äâóõ ðîäñòâåííûõ ãåìñîäåðæàùèõ áåëêîâ: ìèîãëîáèíà è ãåìîãëîáèíà. Îáà áåëêà èìåþò îáùåå ýâîëþöèîííîå ïðîèñõîæäåíèå, ñõîäíóþ êîíôîðìàöèþ îòäåëüíûõ ïîëèïåïòèäíûõ öåïåé è ñõîäíóþ ôóíêöèþ (ó÷àñòâóþò â òðàíñïîðòå êèñëîðîäà), íî ìèîãëîáèí — ìîíîìåðíûé áåëîê, à ãåìîãëîáèí — òåòðàìåð. Íàëè÷èå ÷åòâåðòè÷íîé ñòðóêòóðû ó ãåìîãëîáèíà ïðèäà¸ò ýòîìó áåëêó ñâîéñòâà, îòñóòñòâóþùèå ó ìèîãëîáèíà.

Ìèîãëîáèí ñîäåðæèò íåáåëêîâóþ ÷àñòü (ãåì) è áåëêîâóþ ÷àñòü (àïîìèîãëîáèí).

Ãåì — ìîëåêóëà, èìåþùàÿ ñòðóêòóðó öèêëè÷åñêîãî òåòðàïèððîëà, ãäå 4 ïèððîëüíûõ êîëüöà ñîåäèíåíû ìåòèëåíîâûìè ìîñòèêàìè è ñîäåðæàò 4 ìåòèëüíûå, 2 âèíèëüíûå è 2 ïðîïèîíàòíûå áîêîâûå öåïè. Ýòà îðãàíè÷åñêàÿ ÷àñòü ãåìà íàçûâàåòñÿ ïðîòîïîðôèðèíîì. Âîçìîæíû 15 âàðèàíòîâ ðàñïîëîæåíèÿ áîêîâûõ öåïåé, íî â ñîñòàâå ãåìîïðîòåèíîâ ïðèñóòñòâóåò òîëüêî îäèí èçîìåð, íàçûâàåìûé ïðîòîïîðôèðèí IX. Â ãåìå 4 àòîìà àçîòà ïèððîëüíûõ êîëåö ïðîòîïîðôèðèíà IX ñâÿçàíû ÷åòûðüìÿ êîîðäèíàöèîííûìè ñâÿçÿìè ñ Fe2+, íàõîäÿùèìñÿ â öåíòðå ìîëåêóëû.

Àïîìèîãëîáèí — áåëêîâàÿ ÷àñòü ìèîãëîáèíà; ïåðâè÷íàÿ ñòðóêòóðà ïðåäñòàâëåíà ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ èç 153 àìèíîêèñëîò, êîòîðûå âî âòîðè÷íîé ñòðóêòóðå óëîæåíû â 8 à-ñïèðàëåé. à-Ñïèðàëè îáîçíà÷àþò ëàòèíñêèìè áóêâàìè îò À äî Í, íà÷èíàÿ ñ N-êîíöà ïîëèïåïòèäíîé öåïè, è ñîäåðæàò îò 7 äî 23 àìèíîêèñëîò. Òðåòè÷íàÿ ñòðóêòóðà èìååò âèä êîìïàêòíîé ãëîáóëû, îáðàçîâàííîé çà ñ÷¸ò ïåòåëü è ïîâîðîòîâ â îáëàñòè íåñïèðàëèçîâàííûõ ó÷àñòêîâ áåëêà. Âíóòðåííÿÿ ÷àñòü ìîëåêóëû ïî÷òè öåëèêîì ñîñòîèò èç ãèäðîôîáíûõ ðàäèêàëîâ, çà èñêëþ÷åíèåì äâóõ îñòàòêîâ Ãèñ, ðàñïîëàãàþùèõñÿ â àêòèâíîì öåíòðå.

Ñâÿçûâàíèå ãåìà ñ àïîìèîãëîáèíîì.

Ãåì — ñïåöèôè÷åñêèé ëèãàíä àïîìèîãëîáèíà, ïðèñîåäèíÿþùèéñÿ ê áåëêîâîé ÷àñòè â óãëóáëåíèè ìåæäó äâóìÿ à-ñïèðàëÿìè F è Å. Öåíòð ñâÿçûâàíèÿ ñ ãåìîì îáðàçîâàí ïðåèìóùåñòâåííî ãèäðîôîáíûìè îñòàòêàìè àìèíîêèñëîò, îêðóæàþùèìè ãèäðîôîáíûå ïèððîëüíûå êîëüöà ãåìà. Äâå áîêîâûå ãðóïïû ïðîïèîíîâûõ êèñëîò, èîíèçèðîâàííûå ïðè ôèçèîëîãè÷åñêèõ çíà÷åíèÿõ ðÍ, âûñòóïàþò íà ïîâåðõíîñòè ìîëåêóëû.

Â àêòèâíûé öåíòð àïîìèîãëîáèíà êðîìå ãèäðîôîáíûõ àìèíîêèñëîò âõîäÿò òàêæå 2 îñòàòêà Ãèñ (Ãèñ64 è Ãèñ93 èëè Ãèñ Å7 è Ãèñ F8), èãðàþùèå âàæíóþ ðîëü â ôóíêöèîíèðîâàíèè áåëêà. Îíè ðàñïîëîæåíû ïî ðàçíûå ñòîðîíû îò ïëîñêîñòè ãåìà è âõîäÿò â ñîñòàâ ñïèðàëåé F è Å, ìåæäó êîòîðûìè ðàñïîëàãàåòñÿ ãåì. Àòîì æåëåçà â ãåìå ìîæåò îáðàçîâûâàòü 6 êîîðäèíàöèîííûõ ñâÿçåé, 4 èç êîòîðûõ óäåðæèâàþò Fe2+ â öåíòðå ïðîòîïîðôèðèíà IX (ñîåäèíÿÿ åãî ñ àòîìàìè àçîòà ïèððîëüíûõ êîëåö), à 5-ÿ ñâÿçü âîçíèêàåò ìåæäó Fe2+ è àòîìîì àçîòà èìèäàçîëüíîãî êîëüöà Ãèñ F8 (ðèñ. 2).

Ãèñ Å7 õîòÿ è íå ñâÿçàí ñ ãåìîì, íî íåîáõîäèì äëÿ ïðàâèëüíîé îðèåíòàöèè è ïðèñîåäèíåíèÿ äðóãîãî ëèãàíäà — Î2 ê ìèîãëîáèíó.

Àìèíîêèñëîòíîå îêðóæåíèå ãåìà ñîçäà¸ò óñëîâèÿ äëÿ äîâîëüíî ïðî÷íîãî, íî îáðàòèìîãî ñâÿçûâàíèÿ Î2 ñ Fe2+ ìèîãëîáèíà. Ãèäðîôîáíûå îñòàòêè àìèíîêèñëîò, îêðóæàþùèå ãåì, ïðåïÿòñòâóþò ïðîíèêíîâåíèþ â öåíòð ñâÿçûâàíèÿ ìèîãëîáèíà âîäû è îêèñëåíèþ Fe2+ â Fe3+. Òð¸õâàëåíòíîå æåëåçî â ñîñòàâå ãåìà íå ñïîñîáíî ïðèñîåäèíÿòü Î2.

Ñòðóêòóðà è ôóíêöèè ãåìîãëîáèíà.

Ãåìîãëîáèíû — áåëêè, íàõîäÿùèåñÿ â ýðèòðîöèòàõ ÷åëîâåêà è ïîçâîíî÷íûõ æèâîòíûõ. Ýòè áåëêè âûïîëíÿþò 2 âàæíûå ôóíêöèè:

— ïåðåíîñ Î2 èç ë¸ãêèõ ê ïåðèôåðè÷åñêèì òêàíÿì;

— ó÷àñòèå â ïåðåíîñå ÑÎ2 è ïðîòîíîâ èç ïåðèôåðè÷åñêèõ òêàíåé â ë¸ãêèå äëÿ ïîñëåäóþùåãî âûâåäåíèÿ èç îðãàíèçìà.

Êðîâü åæåäíåâíî äîëæíà ïåðåíîñèòü èç ë¸ãêèõ â òêàíè îêîëî 600 ë Î2. Òàê êàê Î2 ïëîõî ðàñòâîðèì â âîäå, òî ïðàêòè÷åñêè âåñü êèñëîðîä â êðîâè ñâÿçàí ñ ãåìîãëîáèíîì ýðèòðîöèòîâ. Îò ñïîñîáíîñòè ãåìîãëîáèíà íàñûùàòüñÿ Î2 â ë¸ãêèõ è îòíîñèòåëüíî ëåãêî îòäàâàòü åãî â êàïèëëÿðàõ òêàíåé çàâèñÿò êîëè÷åñòâî ïîëó÷àåìîãî òêàíÿìè Î2 è èíòåíñèâíîñòü ìåòàáîëèçìà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, Î2 — ñèëüíûé îêèñëèòåëü, èçáûòîê ïîñòóïëåíèÿ Î2 â òêàíè ìîæåò ïðèâåñòè ê ïîâðåæäåíèþ ìîëåêóë è íàðóøåíèþ ñòðóêòóðû è ôóíêöèé êëåòîê. Ïîýòîìó âàæíåéøàÿ õàðàêòåðèñòèêà ãåìîãëîáèíà — åãî ñïîñîáíîñòü ðåãóëèðîâàòü ñðîäñòâî ê Î2 â çàâèñèìîñòè îò òêàíåâûõ óñëîâèé.

Ãåìîãëîáèíû îòíîñÿò ê ãåìîïðîòåèíàì, íî îíè èìåþò ÷åòâåðòè÷íóþ ñòðóêòóðó (ñîñòîÿò èç 4 ïîëèïåïòèäíûõ öåïåé), áëàãîäàðÿ êîòîðîé âîçíèêàåò âîçìîæíîñòü ðåãóëÿöèè èõ ôóíêöèé.

Ãåìîãëîáèíû ÷åëîâåêà.

Ðàçëè÷àþò íåñêîëüêî âèäîâ ãåìîãëîáèíà ÷åëîâåêà. Ðàññìîòðèì ñòðîåíèå ãåìîãëîáèíà À.

Êîíôîðìàöèÿ îòäåëüíûõ ïðîòîìåðîâ ãåìîãëîáèíà óäèâèòåëüíî íàïîìèíàåò êîíôîðìàöèþ ìèîãëîáèíà, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî â ïåðâè÷íîé ñòðóêòóðå èõ ïîëèïåïòèäíûõ öåïåé èäåíòè÷íû òîëüêî 24 àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêà. Ïðîòîìåðû ãåìîãëîáèíà, òàê æå êàê è àïîìèîãëîáèí, ñîñòîÿò èç 8 ñïèðàëåé, ñâ¸ðíóòûõ â ïëîòíóþ ãëîáóëÿðíóþ ñòðóêòóðó, ñîäåðæàùóþ âíóòðåííåå ãèäðîôîáíîå ÿäðî è «êàðìàí» äëÿ ñâÿçûâàíèÿ ãåìà. Ñîåäèíåíèå ãåìà ñ ãëîáèíîì (áåëêîâîé ÷àñòüþ) àíàëîãè÷íî òàêîâîìó ó ìèîãëîáèíà — ãèäðîôîáíîå îêðóæåíèå ãåìà, çà èñêëþ÷åíèåì 2 îñòàòêîâ Ãèñ Å7 è Ãèñ F8 (ðèñ. 3). Îäíàêî òåòðàìåðíàÿ ñòðóêòóðà ãåìîãëîáèíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áîëåå ñëîæíûé ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíûé êîìïëåêñ, ÷åì ìèîãëîáèí.

Ðîëü ãèñòèäèíà E7 â ôóíêöèîíèðîâàíèè ìèîãëîáèíà è ãåìîãëîáèíà.

Ãåì èìååò âûñîêîå ñðîäñòâî ê îêñèäó óãëåðîäà (ÑÎ). Â âîäíîé ñðåäå ñâîáîäíûé îò áåëêîâîé ÷àñòè ãåì ñâÿçûâàåòñÿ ñ ÑÎ â 25 000 ðàç ñèëüíåå, ÷åì Î2. Âûñîêàÿ ñòåïåíü ñðîäñòâà ãåìà ê ÑÎ ïî ñðàâíåíèþ ñ Î2 îáúÿñíÿåòñÿ ðàçíûì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàñïîëîæåíèåì êîìïëåêñîâ Fe2+ ãåìà ñ ÑÎ è Î2 (ðèñ. 3, À).

Â êîìïëåêñå Fe2+ ãåìà ñ ÑÎ àòîìû Fe2+, óãëåðîäà è êèñëîðîäà ðàñïîëîæåíû íà îäíîé ïðÿìîé, à â êîìïëåêñå Fe2+ ãåìà ñ Î2 àòîìû æåëåçà è êèñëîðîäà ðàñïîëîæåíû ïîä óãëîì, ÷òî îòðàæàåò èõ îïòèìàëüíîå ïðîñòðàíñòâåííîå ðàñïîëîæåíèå.

Â ìèîãëîáèíå è ãåìîãëîáèíå íàä Fe2+ â îáëàñòè ïðèñîåäèíåíèÿ Î2 ðàñïîëîæåí Ãèñ Å7, íàðóøàþùèé îïòèìàëüíîå ðàñïîëîæåíèå ÑÎ â öåíòðå ñâÿçûâàíèÿ áåëêîâ è îñëàáëÿþùèé åãî âçàèìîäåéñòâèå ñ ãåìîì. Íàïðîòèâ, òîò æå Ãèñ Å7 ñîçäà¸ò îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ äëÿ ñâÿçûâàíèÿ Î2 (ðèñ. 3, Á). Â ðåçóëüòàòå ñðîäñòâî ãåìà ê ÑÎ â áåëêàõ âñåãî â 200 ðàç ïðåâûøàåò åãî ñðîäñòâî ê Î2.

Ñíèæåíèå ñðîäñòâà ãåìñîäåðæàùèõ áåëêîâ ê ÑÎ èìååò âàæíîå áèîëîãè÷åñêîå çíà÷åíèå. ÑÎ îáðàçóåòñÿ â íåáîëüøèõ êîëè÷åñòâàõ ïðè êàòàáîëèçìå íåêîòîðûõ âåùåñòâ, â ÷àñòíîñòèãåìà. Ýòîò ýíäîãåííî îáðàçóþùèéñÿ ÑÎ áëîêèðóåò îêîëî 1% ãåìñîäåðæàùèõ áåëêîâ. Åñëè áû ñðîäñòâî òåìà ê ÑÎ íå óìåíüøàëîñü ïîä âëèÿíèåì áåëêîâîãî îêðóæåíèÿ, ýíäîãåííûé îêñèä óãëåðîäà ìîã áû âûçûâàòü ñåðü¸çíûå îòðàâëåíèÿ.

×åòâåðòè÷íàÿ ñòðóêòóðà ãåìîãëîáèíà.

×åòûðå ïîëèïåïòèäíûå öåïè, ñîåäèí¸ííûå âìåñòå, îáðàçóþò ïî÷òè ïðàâèëüíóþ ôîðìó øàðà, ãäå êàæäàÿ à-öåïü êîíòàêòèðóåò ñ äâóìÿ â-öåïÿìè (ðèñ. 4).

Òàê êàê â îáëàñòè êîíòàêòà ìåæäó à1- è â1-, à òàêæå ìåæäó à2- è â2-öåïÿìè íàõîäèòñÿ ìíîãî ãèäðîôîáíûõ ðàäèêàëîâ, òî ìåæäó ýòèìè ïîëèïåïòèäíûìè öåïÿìè ôîðìèðóåòñÿ ñèëüíîå ñîåäèíåíèå çà ñ÷¸ò âîçíèêíîâåíèÿ â ïåðâóþ î÷åðåäü ãèäðîôîáíûõ, à òàêæå èîííûõ è âîäîðîäíûõ ñâÿçåé. Â ðåçóëüòàòå îáðàçóþòñÿ äèìåðû à1â1, è à2â2. Ìåæäó ýòèìè äèìåðàìè â òåòðàìåðíîé ìîëåêóëå ãåìîãëîáèíà âîçíèêàþò â îñíîâíîì ïîëÿðíûå (èîííûå è âîäîðîäíûå) ñâÿçè, ïîýòîìó ïðè èçìåíåíèè ðÍ ñðåäû â êèñëóþ èëè ùåëî÷íóþ ñòîðîíó â ïåðâóþ î÷åðåäü ðàçðóøàþòñÿ ñâÿçè ìåæäó äèìåðàìè. Êðîìå òîãî, äèìåðû ñïîñîáíû ëåãêî ïåðåìåùàòüñÿ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà.

Òàê êàê ïîâåðõíîñòü ïðîòîìåðîâ íåðîâíàÿ, ïîëèïåïòèäíûå öåïè â öåíòðàëüíîé îáëàñòè íå ìîãóò ïëîòíî ïðèëåãàòü äðóã ê äðóãó, â ðåçóëüòàòå â öåíòðå ôîðìèðóåòñÿ «öåíòðàëüíàÿ ïîëîñòü», ïðîõîäÿùàÿ ñêâîçü âñþ ìîëåêóëó ãåìîãëîáèíà.

Ñâÿçûâàíèå ãåìîãëîáèíà ñ Î2 â ë¸ãêèõ è åãî äèññîöèàöèÿ èç êîìïëåêñà â òêàíÿõ.

Îñíîâíàÿ ôóíêöèÿ ãåìîãëîáèíà — äîñòàâêà Î2 îò ë¸ãêèõ ê òêàíÿì. Îëèãîìåðíàÿ ñòðóêòóðà ãåìîãëîáèíà îáåñïå÷èâàåò áûñòðîå íàñûùåíèå åãî êèñëîðîäîì â ë¸ãêèõ (îáðàçîâàíèå îêñèãåìîãëîáèíà — Íb(Î2) 4), âîçìîæíîñòü îòùåïëåíèÿ êèñëîðîäà îò ãåìîãëîáèíà â êàïèëëÿðàõ òêàíåé ïðè îòíîñèòåëüíî âûñîêîì ïàðöèàëüíîì äàâëåíèè Î2, à òàêæå âîçìîæíîñòü ðåãóëÿöèè ñðîäñòâà ãåìîãëîáèíà ê Î2 â çàâèñèìîñòè îò ïîòðåáíîñòåé òêàíåé â êèñëîðîäå.

Êîîïåðàòèâíûå èçìåíåíèÿ êîíôîðìàöèè ïðîòîìåðîâ.

Î2 ñâÿçûâàåòñÿ ñ ïðîòîìåðàìè ãåìîãëîáèíà ÷åðåç Fe2+, êîòîðûé ñîåäèí¸í ñ ÷åòûðüìÿ àòîìàìè àçîòà ïèððîëüíûõ êîëåö òåìà è àòîìîì àçîòà Ãèñ F8 áåëêîâîé ÷àñòè ïðîòîìåðà. Ñâÿçûâàíèå Î2 ñ îñòàâøåéñÿ ñâîáîäíîé êîîðäèíàöèîííîé ñâÿçüþ Fe2+ ïðîèñõîäèò ïî äðóãóþ ñòîðîíó îò ïëîñêîñòè ãåìà â îáëàñòè Ãèñ Å7 (àíàëîãè÷íî òîìó, êàê ýòî ïðîèñõîäèò ó ìèîãëîáèíà). Ãèñ Å7 íå âçàèìîäåéñòâóåò ñ Î2, íî îáåñïå÷èâàåò îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ äëÿ åãî ñâÿçûâàíèÿ (ðèñ. 4).

Â äåçîêñèãåìîãëîáèíå áëàãîäàðÿ êîâàëåíòíîé ñâÿçè ñ áåëêîâîé ÷àñòüþ àòîì Fe2+ âûñòóïàåò èç ïëîñêîñòè ãåìà â íàïðàâëåíèè Ãèñ F8. Ïðèñîåäèíåíèå Î2 ê àòîìó Fe2+ îäíîãî ïðîòîìåðà âûçûâàåò åãî ïåðåìåùåíèå â ïëîñêîñòü ãåìà, çà íèì ïåðåìåùàþòñÿ îñòàòîê Ãèñ F8 è ïîëèïåïòèäíàÿ öåïü, â ñîñòàâ êîòîðîé îí âõîäèò. Òàê êàê ïðîòîìåð ñâÿçàí ñ îñòàëüíûìè ïðîòîìåðàìè, à áåëêè îáëàäàþò êîíôîðìàöèîííîé ëàáèëüíîñòüþ, ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå êîíôîðìàöèè âñåãî áåëêà. Êîíôîðìàöèîííûå èçìåíåíèÿ, ïðîèçîøåäøèå â äðóãèõ ïðîòîìåðàõ, îáëåã÷àþò ïðèñîåäèíåíèå ñëåäóþùåé ìîëåêóëû Î2, ÷òî âûçûâàåò íîâûå êîíôîðìàöèîííûå èçìåíåíèÿ â áåëêå è óñêîðåíèå ñâÿçûâàíèÿ ñëåäóþùåé ìîëåêóëû Î2. ×åòâ¸ðòàÿ ìîëåêóëà Î2 ïðèñîåäèíÿåòñÿ ê ãåìîãëîáèíó â 300 ðàç ëåã÷å, ÷åì ïåðâàÿ ìîëåêóëà (ðèñ. 6).

Èçìåíåíèå êîíôîðìàöèè (à ñëåäîâàòåëüíî è ôóíêöèîíàëüíûõ ñâîéñòâ) âñåõ ïðîòîìåðîâ îëèãîìåðíîãî áåëêà ïðè ïðèñîåäèíåíèè ëèãàíäà òîëüêî ê îäíîìó èç íèõ íîñèò íàçâàíèå êîîïåðàòèâíûõ èçìåíåíèé êîíôîðìàöèè ïðîòîìåðîâ.

Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì â òêàíÿõ äèññîöèàöèÿ êàæäîé ìîëåêóëû Î2 èçìåíÿåò êîíôîðìàöèþ âñåõ ïðîòîìåðîâ è îáëåã÷àåò îòùåïëåíèå ïîñëåäóþùèõ ìîëåêóë Î2.

2,3 — Áèôîñôîãëèöåðàò — àëëîñòåðòåñêèé ðåãóëÿòîð ñðîäñòâà ãåìîãëîáèíà ê Î2.

2,3 — Áèôîñôîãëèöåðàò (ÁÔÃ) — âåùåñòâî, ñèíòåçèðóåìîå â ýðèòðîöèòàõ èç ïðîìåæóòî÷íîãî ïðîäóêòà îêèñëåíèÿ ãëþêîçû 1,3 — áèôîñôîãëèöåðàòà.

ãåìîãëîáèí áåëîê ìèîãëîáèí îëèãîìåðíûé

2,3 — Áèôîñôîãëèöåðàò

Áèñôîñôîãëèöåðàò â êàïèëëÿðàõ òêàíåé, ñâÿçûâàÿñü ñ äåçîêñèãåìîãëîáèíîì, îáëåã÷àåò äèññîöèàöèþ Î2 èç îêñèãåíèðîâàííîãî ÍÜ.Â öåíòðå òåòðàìåðíîé ìîëåêóëû ãåìîãëîáèíà íàõîäèòñÿ ïîëîñòü. Åå îáðàçóþò àìèíîêèñëîòíûå îñòàòêè âñåõ 4 ïðîòîìåðîâ (ðèñ. 4).

Â ìîëåêóëå äåçîêñèãåìîãëîáèíà ïî ñðàâíåíèþ ñ îêñèãåìîãëîáèíîì èìåþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå èîííûå ñâÿçè, ñîåäèíÿþùèå ïðîòîìåðû. Âñëåäñòâèå ýòîãî ðàçìåðû öåíòðàëüíîé ïîëîñòè ìåíÿþòñÿ: óâåëè÷èâàþòñÿ â äåçîêñèãåìîãëîáèíå è óìåíüøàþòñÿ â îêñèãåìîãëîáèíå.

Öåíòðàëüíàÿ ïîëîñòü ÿâëÿåòñÿ ìåñòîì ïðèñîåäèíåíèÿ 2,3 — áèñôîñôîãëèöåðàòà (2,3 — ÁÔÃ) ê ãåìîãëîáèíó (ðèñ. 7). Èç-çà ðàçëè÷èÿ â ðàçìåðàõ öåíòðàëüíîé ïîëîñòè 2,3 — ÁÔÃ ìîæåò ïðèñîåäèíÿòüñÿ òîëüêî ê äåçîêñèãåìîãëîáèíó.

2,3 — ÁÔÃ ïðèñîåäèíÿåòñÿ ê ãåìîãëîáèíó â èíîì ïî ñðàâíåíèþ ñ Î2 ó÷àñòêå. Òàêîé ëèãàíä íàçûâàåòñÿ àëëîñòåðè÷åñêèì. Öåíòð, ãäå ñâÿçûâàåòñÿ àëëîñòåðè÷åñêèé ëèãàíä, íàçûâàåòñÿ àëëîñòåðè÷åñêèì öåíòðîì.

Ðåãóëÿòîðíûå ñâîéñòâà îëèãîìåðíîãî áåëêà ãåìîãëîáèíà

Òàêèì îáðàçîì, îëèãîìåðíûé áåëîê ãåìîãëîáèí, â îòëè÷èå îò ìîíîìåðíîãî ðîäñòâåííîãî áåëêà ìèîãëîáèíà, ñïîñîáåí ïðèñîåäèíÿòü ê ñïåöèôè÷åñêèì ó÷àñòêàì 4 ðàçëè÷íûõ ëèãàíäà: Î2, Í+, ÑÎ2 è ÁÔÃ. Âñå ýòè ëèãàíäû ïðèñîåäèíÿþòñÿ ê ïðîñòðàíñòâåííî ðàçîáù¸ííûì ó÷àñòêàì, íî êîíôîðìàöèîííûå èçìåíåíèÿ áåëêà â ìåñòå ïðèñîåäèíåíèÿ îäíîãî ëèãàíäà ïåðåäàþòñÿ íà âåñü îëèãîìåðíûé áåëîê è èçìåíÿþò ñðîäñòâî ê íåìó äðóãèõ ëèãàíäîâ. Òàê, êîëè÷åñòâî ïîñòóïàþùåãî â òêàíè Î2 çàâèñèò íå òîëüêî îò ïàðöèàëüíîãî äàâëåíèÿ Î2, íî è êîíöåíòðàöèè àëëîñòåðè÷åñêèõ ëèãàíäîâ, ÷òî óâåëè÷èâàåò âîçìîæíîñòü ðåãóëÿöèè ôóíêöèé ãåìîãëîáèíà. Ñëåäîâàòåëüíî, áëàãîäàðÿ âîçäåéñòâèþ ðåãóëÿòîðíûõ ëèãàíäîâ îëèãîìåðíûå áåëêè ñïîñîáíû ïðèñïîñàáëèâàòü ñâîþ êîíôîðìàöèþ è ôóíöèþ ê èçìåíåíèÿì, ïðîèñõîäÿùèì â îêðóæàþùåé ñðåäå.

Ëèòåðàòóðà

ãåìîãëîáèí áåëîê ìèîãëîáèí îëèãîìåðíûé

1. Áèîõèìèÿ: Ó÷åáíèê/ Ïîä. ðåä. Å.Ñ. Ñåâåðèíà. — Ì.: — ÃÝÎÒÀÐ-ÌÅÄ, 2003. — ñ. 45-53.

2. Ð. Ìàððè, Ä. Ãðåííåð, Ï. Ìåéåñ, Â. Ðîäóýëë. Áèîõèìèÿ ÷åëîâåêà: Â 2-õ òîìàõ. Ò.1. Ïåð. ñ àíãë.: — Ì.: Ìèð, 1993. — ñ. 52.

3. https://idoktor.info/biohimiya/stroenie-svoistva-i-funktsii-belkov

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru

…

Источник

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГЕМОГЛОБИНА — Студопедия

Гемоглобин (НЬ) — сложный олигомерный белок, состоящий из 4 протомеров двух типов (2α и 2β), включающих 574 аминокислотных остатка. Содержится в эритроцитах, на его долю приходится до 90% массы белков клетки. Гемоглобин обеспечивает перенос кислорода из легких в ткани и удаление диоксида углерода из тканей.

В мышцах внутриклеточный транспорт и кратковременное депонирование кислорода осуществляет другой белок — миоглобин (Mb). Он не является олигомером, так как состоит только из одной полипептидной цепи, конформация которой очень похожа на пространственную структуру β-цепи гемоглобина (рис. 1.20). Большую часть молекулы

Рис. 1.20. Структура миоглобина иβ-цепи гемоглобина

А— миоглобин; Б— β-цепь гемоглобина

Mb и протомеров Hb составляют 8 α-спиральных участков, образующих глобулу с гидрофобным углублением, в котором находится центр связывания с кислородом (активный центр).При этом полипептидные цепи миоглобина и протомеров гемоглобина идентичны всего на 20%.

Оба белка являются холопротеинами, простетическая группа — гем, который находится в активном центре и участвует во взаимодействии с кислородом (рис. 1.21). Гем (ферропротопорфирин) представляет собой органическое соединение с плоской молекулой, включающей 4 пиррольных цикла и ион железа Fe2+. Он является окрашенным соединением и придает красный цвет гемоглобину, эритроцитам (красные кровяные тельца) и крови.

Гем присоединяется к неполярным радикалам активного центра своими пиррольными циклами, а также к радикалу гистидина с помощью атома Fe. Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости, а ион Fe2+ в неоксигенированом состоянии Hb выступает над плоскостью на 0,6 А. При присоединении кислорода ион железа погружается в плоскость колец гема (рис. 1.22). В результате сдвигается и участок полипептидной цепи, нарушаются слабые связи в молекуле Hb и изменяется конформация всей глобулы. Таким образом, присоединение кислорода вызывает изменение пространственной структуры молекулы миоглобина или протомеров гемоглобина.

Рис. 1.21. Строение гемоглобина и гема

А— гемоглобин— сложный белок, олигомер, состоит из 2 α- и 2 β-субъединиц глобина, каждая имеет центр связывания, где располагается небелковая часть молекулы — гем. Он участвует в присоединении молекулы кислорода. Между протомерами образуется аллостерический центр для присоединения регуляторного лиганда гемоглобина 2,3-бисфосфоглицерата;

Б— гем— простетическая группа гемоглобина, миоглобина и других гемопротеинов. Связывается с глобином гидрофобными связями между пиррольными циклами и гидрофобными радикалами аминокислот. В центре молеку-

лы расположен ион железа (Fe ), который образует 6 координационных связей: 4 — с атомами азота пиррольных колец гема, 1 — с азотом радикала гистидина цепей глобина, 1 — с молекулой кислорода. В присоединении О2к гему участвует еще один радикал гистидина цепи глобина

Рис. 1.22. Взаимодействие кислорода с гемом в миоглобине и гемоглобине

Молекула миоглобина может присоединять только 1 молекулу кислорода в свой активный центр:

Гемоглобин является олигомерным белком и имеет ряд особенностей функционирования, характерных для всех олигомерных белков. Молекула гемоглобина состоит из 4 протомеров и имеет 4 центра связывания О2 (активные центры). Гемоглобин может существовать как в свободной (дезоксигемоглобин), так и в оксигенированной форме, присоединяя до 4 молекул кислорода. Взаимодействие с кислородом 1-го протомера вызывает изменение его конформации, а также кооперативные конформационные изменения остальных протомеров (рис. 1.23, А). Сродство к кислороду возрастает, и присоединение О2 к активному центру 2-го протомера происходит легче, вызывая дальнейшую конформационную перестройку всей молекулы. В результате еще сильнее изменяется структура оставшихся протомеров и их активных центров, взаимодействие с О2 еще больше облегчается. В итоге 4-я молекула кислорода присоединяется к Hb примерно в 300 раз легче, чем 1-я (рис. 1.23, Б). Так происходит в легких при высоком парциальном давлении кислорода. В тканях, где содержание кислорода

ниже, наоборот, отщепление каждой молекулы О2 облегчает освобождение последующих.

Таким образом, взаимодействие олигомерного белка гемоглобина с лигандом (О2) в одном центре связывания приводит к изменению конформации всей молекулы и других, пространственно удаленных центров, расположенных на других субъединицах (принцип «домино»). Подобные взаимосвязанные изменения структуры белка называют кооперативными конформационными изменениями. Они характерны для всех олигомерных белков и используются для регуляции их активности.

Взаимодействие обоих белков (Mb и Hb) с кислородом зависит от его парциального давления в тканях. Эта зависимость имеет разный характер, что связано с их особенностями структуры и функционирования (рис. 1.24).

Гемоглобин имеет S-образную кривую насыщения, которая показывает, что субъединицы белка работают кооперативно, и чем больше кислорода они отдают, тем легче идет освобождение остальных молекул О2. Этот процесс зависит от изменения парциального давления кислорода в тканях.

График насыщения миоглобина кислородом имеет характер простой гиперболы, т.е. насыщение Mb кислородом происходит быстро и отражает его функцию — обратимое связывание с

Рис. 1.23. Кооперативные изменения конформации молекулы гемоглобина при взаимодействии с кислородом

А— при взаимодействии молекулы дезоксигемоглобина НЬ с О2 происходят кооперативные конформационные изменения, которые сопровождают присоединение каждой последующей молекулы кислорода; Б— в результате изменения конформации активного центра возрастает сродство НЬ к кислороду, 4-я молекула кислорода присоединяется к оксигенированному гемоглобину [НЬ(О2)3] в 300 раз легче, чем 1-я

Рис. 1.24. Кривые насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом

кислородом, высвобождаемым гемоглобином, и освобождение в случае интенсивной физической нагрузки.

Изменение сродства гемоглобина к О2 обеспечивает быстрое насыщение крови кислородом в легких, а также освобождение и передачу его в ткани. Миоглобин обладает более высоким сродством к О2, поэтому связывает и передает в митохондрии клеток кислород, транспортируемый НЬ в мышцы.

Гемоглобин доставляет в сутки до 600 л (850 г) О2 в ткани и способствует удалению из них ~ 500 л (1000 г) СО2. Движущей силой этих потоков является градиент концентраций О2 между альвеолярным воздухом и межклеточной жидкостью. Парциальное давление О2 в альвеолярном воздухе составляет 100 мм рт.ст. Парциальное давление О2

в тканях намного ниже (~ 40 мм рт.ст.), что обусловлено поступлением и использованием кислорода митохондриями клеток, где он превращается в Н2О. Таким образом О2 поглощается клетками.

Обмен О2 и СО2 происходит в капиллярах: в легких О2 переходит из альвеолярного воздуха в эритроциты, а СО2 — в обратном направлении; в капиллярах тканей О2 из эритроцитов перемещается в клетки тканей, а СО2 — в обратном направлении (рис. 1.25).

Изменение функциональной активности белка при взаимодействии с другими лигандами вследствие конформационных изменений называется аллостерической регуляцией, а соединения-регуляторы — аллостерическими лигандами. Способность к аллостерической регуляции характерна, как правило, для олигомерных белков, т.е. для проявления аллостерического эффекта необходимо взаимодействие протомеров. При воздействии аллостерических лигандов белки меняют свою конформацию (в том числе и активного центра) и функцию.

Молекула гемоглобина способна связываться с несколькими лигандами: О2, Н+, СО2, 2,3-бис- фосфоглицератом (БФГ). Н+, СО2 и БФГ являются аллостерическими регуляторами активности гемоглобина и присоединяются к участкам (аллостерическим центрам), пространственно удаленным от активного центра.

Концентрация аллостерических лигандов снижает сродство гемоглобина к кислороду, а миоглобин и отдельные субъединицы гемоглобина нечувствительны к изменениям концентрации Н+, СО2 и БФГ, т.е. аллостерические свойства гемоглобина возникают только в результате взаимодействия субъединиц.

Рис. 1.25. Перенос кислорода и диоксида углерода гемоглобином. Эффект Бора

БФГ образуется из глюкозы в эритроцитах и является одним из регуляторов работы гемоглобина. Его молярная концентрация в крови близка к молярной концентрации НЬ. В центре молекулы гемоглобина полипептидные цепи 4 протомеров образуют полость (аллостерический центр), причем величина ее увеличивается в дезоксигемоглобине и уменьшается в оксигемоглобине. БФГ поступает в полость дезоксигемоглобина, связываясь с положительно заряженными группами на β-протомере (рис. 1.26). При этом его сродство к О2 снижается в 26 раз. В результате происходит высвобождение кислорода в капиллярах ткани при низком парциальном давлении О2.

Рис. 1.26. Связывание БФГ с дезоксигемоглобином

Центр связывания БФГ находится в положительно заряженной полости между 4 протомерами гемоглобина. Взаимодействие БФГ с центром связывания изменяет конформацию α- и β-протомеров НЬ и их активных центров. Сродство НЬ к молекулам О2 снижается и кислород высвобождается в ткани. В легких при высоком парциальном давлении О2 активные центры гемоглобина насыщаются за счет изменения конформации и БФГ вытесняется из аллостерического центра

В легких высокое парциальное давление О2, наоборот, приводит к оксигенированию НЬ и освобождению БФГ.

Содержание БФГ в крови человека соответствует содержанию гемоглобина и повышается при понижении содержания кислорода в воздухе (гипоксии) или затруднении дыхания при заболеваниях легких. Понижение его концентрации ухудшает снабжение тканей кислородом.

Это важно учитывать при переливании крови и сохранять необходимую концентрацию БФГ при консервации. Переливание донорской крови с пониженным содержанием БФГ может привести к гипоксии и гибели больных.

В регуляции работы гемоглобина основная роль принадлежит протонам Н+. • В ткани НЬ поступает преимущественно в виде НЬ(О2)4. Но при низком парциальном давлении О2 происходит отщепление части кислорода. Увеличение содержания не полностью оксигенированных форм НЬ облегчает высвобождение О2.

В мышцах образуется много СО2, который под действием карбоангидразы превращается в угольную кислоту Н2СО3, диссоциирующую на Н+ и бикарбонат-ион:

СО2 + Н2О → Н2СО3 → Н+ + НСО3-

Повышение концентрации Н+ вызывает протонирование ионогенных групп НЬ, что приводит к снижению его сродства к О2:

Н+ + НЬ О2 → Н+ НЬ + О2

Далее с дезоксигемоглобином взаимодействует

БФГ:

В легкие поступает кровь с высоким содержанием дезоксигемоглобина, протонированного, связанного с БФГ или СО2. В такой форме гемоглобин имеет пониженное сродство к О2.

Из капилляров диффундирует СО2, освобождающийся в результате реакции:

Н+ + НСО-3 → Н2СО3 → СО2 + Н2О

Это стимулирует депротонирование гемоглобина:

Н+ НЬ → Н+ + НЬ

Высокое парциальное давление О2 приводит к оксигенированию НЬ, при этом вытесняется БФГ:

НЬ БФГ → НЬ + БФГ

Частичное оксигенирование гемоглобина повышает его сродство к кислороду, все реакции, приведенные выше, происходят в обратном порядке.

Зависимость сродства гемоглобина к кислороду от концентрации ионов водорода (Н+) получила название эффекта Бора по имени датского физиолога, изучавшего функционирование гемоглобина (см. рис. 1.25).

Таким образом, количество транспортируемого гемоглобином в ткани кислорода регулируется и повышается при увеличении содержания СО2 и Н+ в крови (например, при интенсивной физической работе); при сдвиге рН крови в щелочную сторону (алкалозе) доставка кислорода в ткани понижается.

Источник