3.8. Семейство гемоглобинов

Сюда относятся гемсодержащие родственные глобулярные белки: миоглобин и гемоглобин. Оба белка имеют родственное происхождение, сходную конформацию полипептидных цепей и сходную функцию (транспорт О₂), но различаются по молекулярной массе, количеству протомеров в четвертичной структуре и локализации в тканях (рис.42).

Рис.42. Сравнение конформации миоглобина и β-цепи гемоглобина

3.8.1.Миоглобин

Миоглобин содержится в клетках красных мышцах; присоединяет кислород, доставляемый гемоглобином и транспортирует его в митохондрии, а также в форме оксигемоглобина участвует в запасании О₂. При кислородном голодании (сильная физическая нагрузка) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии. Миоглобин – это глобулярный сложный белок; состоит из простетической не белковой группы гема и белковой части - апомиоглобина. Гем – состоит из органической части протопорфирина, в которой атомы азота 4 пирольных колец связаны 4 координационными связями с атомом Fe²⁺ (рис.43).

Рис.43. Строение гема миоглобина

Апомиоглобин (рис.44) - состоит из одной полипептидной цепи, включающей 153 аминокислых остатков, которые во вторичной структуре уложены в 8 α–спиралей.

Рис.44. Графическая формула апомиоглобина

( квадратом выделен гем)

Спирали обозначаются буквами от А до Н, аминокислотные остатки в спирали обозначаются цифрами их порядкового номера в спирали (Гис F8). Третичная структура - компактная глобула. Активный центр миоглобина находится между двумя α–спиралями F и Е, и содержит в основном гидрофобные остатки аминокислот и 2 остатка гистидина (Гис Е7 и Гис F8), расположенные по обе стороны от гемма (рис. 45).

Рис.45. Расположение гемма в активном центре апомиоглобина протомеров апогемоглобина

Атом Fе²⁺ может образовывать 6 связей: 4 - с атомами протопо- фирина гемма, 5^я - с азотом идозольного кольца Гис₈, 6^я - с лигандом О₂; Гис Е₇ не связан с гемом; он обеспечивает правильные присоединение О₂ к миоглобину. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие их, припятствуют проникновению воды в центр связывания миоглобина и окислению Fе²⁺ в Fе³⁺, так как Fе³⁺ не способно связывать О₂.

3.8.2.Гемоглобины

Гемоглобины – это родственные белки, находящиеся в эритроцитах человека и позвоночных животных. Они выполняют функцию: 1 - переноса О₂ из легких в ткани; 2 - участвуют в переносе СО₂ и Н⁺ из периферических тканей в легкие. Гемоглобин извлекает из воздуха и передает тканям за сутки около 600л О₂. В тканях образуется за сутки около 500л. СО₂, который удаляется из тканей при участии гемоглобина. Гемоглобин насыщается О2 в клетках и легко отдает его в тканях, но О₂ является также сильным окислителем и его избыток в тканях может привести к повреждением молекул, структуры клеток и их гибели. Регулировку количества О₂ в тканях при разных условиях осуществляет гемоглобин, благодаря особенностям своей четвертичной структуры.

Гемоглобин – это глобулярный сложный белок с простетической группой – гемом (рис.43), сходный с миоглобином. В отличии от миоглобина образует четвертичную структуру, состоящую из 4 полипептидных цепей - 2α и 2β протомеров (рис.46).

Рис.46. Строение гемоглобина

Каждый протомер образует вторичную конформацию, подобно миоглобину (рис.42), состоящую из 8 α–спиралей, свернутых в третичную глобулу с ядром и «карманом» для связывание гема. В каждом протомере имеется белковая часть – глобин, которая соединяется с не белковой – гемом. Соединения гемма с глобином аналогично таковому у миоглобина – атом железа Fе^2· гемма образует 6 связей: 4 - с атомами протопорфирина гемма, 5^я - с азотом идозольного кольца Гис F₈ и 6^юсвязь - с О₂. Для правильной ориентации присоединения О₂ к гемму необходим Гис Е₇ (рис.45).

Протомеры гемоглобина соединяются вместе, образуя почти правильную форму шара с диаметром 55А (1А - 10м^-10) (рис.47).

Рис. 47 Модель гемоглобина при низком разрешении

Центральная полость

Четыре цепи молекулы гемоглобина расположены в форме тетраэдра. Четыре гема находятся на внешней стороне молекулы. α₁-цепь и β₁-цепь образуют один димер, соединяясь гидрофобными водородными и ионными связями, α₂-цепь и β₂-цепь - второй димер. Связи между димерами слабее, чем внутри димера, а между двумя α- и двумя β- цепями вообще незначительны. Кроме того, димеры способны перемещаться относительно друг друга. Протомеры в центре не могут прилегать друг к другу плотно, так как у них неровные поверхности и поэтому формируется «центральная полость».

Гемоглобин – это основной белок эритроцитов крови. У человека встречается 4 вида гемоглобина (Нв), в состав которых входят 5 видов полипептидов (субъединиц): α, β, δ, ε, γ.

1.Гемоглобин А (НвА) – основной гемоглобин взрослого человека, составляет 98% от общего количества гемоглобина; тетрамер, состоит из 2α- и 2β-субъединиц – формула - (α2 + β2) .

1.Гемоглобин А (НвА) – основной гемоглобин взрослого человека, составляет 98% от общего количества гемоглобина; тетрамер, состоит из 2α- и 2β-субъединиц – формула - (α2 + β2) .

2.Гемоглобин А2 (НвА2) – гемоглобин взрослого человека, составляет 2% от общего количества гемоглобина. Состоит из 2α- и 2δ-субъединиц – формула - (α2 + δ2).

3.Эмбриональный гемоглобин (НвЕ) – синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Состоит из 2α- и 2ε-субъединиц. Через 2 недели после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться фетальный гемоглобин, который полностью заменяет эмбриональный к 6 месяцам. Формула НвЕ – (α2+ε2).

4.Фетальный гемоглобин или гемоглобин плода (НвF) – синтезируется в печени и костном мозге плода до его рождения. Состоит из 2α- и 2γ-субъединиц. γ–субъединицы бывают 2 разновидностей: γ^σ (в положении 196 находится глицин) и γ^А (в том же положении находится аланин). После рождения заменяется на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга на 8 месяце развития плода. Формула - (α₂₊γ₂)_.

Общая для всех α-цепь состоит из 141 аминокислотного остатка, резко отличаясь от других цепей по аминокислотному составу (рис. 48).

Положение в спирали

Гемоглобин человека F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9

α-цепь - Leu - Ser - Ala - Leu - Ser - Asp - Leu - His - Ala -

β-цепь - Phe - Ala -Thr -Leu - Ser - Glu - Leu -His -Cys- миоглобин кашалота - Leu - Lys - Pro - Leu - Ala - Gin - Str - His - Ala –

Рис.48. Сравнение структуры гемоглобина человека и кашалота

β-, γ-, δ-цепи имеют сходное строение и содержат 146 аминокислотных остатков, различаясь по двум аминокислотам. Но, у всех изученных видов животных, гемоглобины при всем их разнообразии имеют 9 положений в последовательностях, где стоят одни и те же аминокислоты: гистидин в F₈ и E₇ , фенилаланин в СД₁, лейцин в F₄ и т.д. (табл.6). Эти аминокислоты участвуют в присоединении О₂ к гемму или стабилизируют молекулу.

Гемоглобины взрослого человека, эмбрионов и плодов различаются по способности связывать О₂ (сродство к О₂). Так, НвF имеет большее срод- ство к О₂, чем НвА и это усиливает транспорт О₂ из крови матери в кровь плода.

Гемоглобин, присоединивший О₂, называется оксигемоглобином и именно он выполняет функцию транспорта О₂. СО₂ присоединяется к концевым α-аминокислотам протомеров гемоглобина, образуя гемоглобин, транспортирующий СО₂ и называющийся карбогемоглобином. Гемогло- бин, не связанный с О₂, называется дезоксигемоглобином.

Гемоглобин является аллостерическим белком, то есть белком, имеющим несколько лигандов: О₂, СО₂, Н+ и БФГ (2,3-бифосфоглицерат); каждый лиганд имеет свой собственный активный центр. Присоединение лигандов к молекуле гемоглобина уменьшает его сродство к О₂, в зависимости от тканевых условий. Этот же механизм регулирует количес- тво транспортируемого СО₂ (присоединение О₂ уменьшает сродство к СО₂).

Таблица 6.

Консервативные последовательности аминокислот в гемоглобине

(Из: Страйер, 1984)

положение	аминокислота	функция
F8	гистидин	Проксимальный связанный с гемом гистидин
Е7	гистидин	Дистальный гистидин вблизи гема
CD1	фенилаланин	Контакт с гемом
F4	Лейцин	То же
В6	Глицин	Разрешает сближение спиралей В и Е
С2	Пролин	Терминирование спиралей
НС2	Тирозин	Перекрестная связь между спиралями Н и F
С4	Треонин	Не установлена
Н10	Лизин	//-//-//-//-//-//-//