3.8.2.1. Мутантные гемоглобины человека
Первичная структура белка играет важную роль в формировании их конформации и выполнении ими функций. Изменение первичной структуры гемоглобина приводит к возникновению аномальных гемоглобинов, которые возникают в результате мутаций генов, кодирующих цепи гемоглобина. Сегодня известно около 300 мутантных гемоглобинов, кото- рые нарушают в разной степени их функцию. Это приводит к развитию гемоглобинопатий, состояний, оказывающимися либо пагубными для чело- века, либо никак не влияющих на здоровье человека. Например:
1. Замена аминокислот на поверхности гемоглобина А. В β-цепи гемоглобина А глутаминовая кислота в положении 6 заменяется на аминокислоту валин (рис.49).
Гемоглобин А Val - His - Leu - Thr - Pro - Glu - Glu - Lys -
Гемоглобин S Val - His - Leu - Thr - Pro - Val - Glu - Lys -
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис.49. Аминокислотный состав нормального гемоглобина (А) и
гемоглобина больного серповидноклеточной анемией(S)
Так как, валин имеет неполярный остаток, который оказывается на поверхности дезоксигемоглобина Ѕ, то это снижает его растворимость и приводит к появлению «липкого» участка на наружной стороне каждой β – цепи гемоглобина Ѕ (рис.50).
Рис.50. Расположение «липких» и комплементарных им участков на
наружной стороне β-цепи гемоглобинов А и S
Это способствует полимеризации молекулы гемоглобина Ѕ. «Липкие» концы Нg Ѕ взаимодействуют с комплементарными им участками другой молекулы Нg Ѕ (рис.51), что приводит к образованию агрегатов большой длины – фиб-
Рис.51. Взаимодействие «липких» концов дезоксигемоглобина S с комплементарными им участками другой молекулы дезоксигемоглобина S при образовании длинных агрегатов
Рис.52. Ассоциация молекул дезоксигемоглобина S
рилл (рис.52), деформирующих структуру мембран эритроцитов, придавая им форму серпа (рис.53).
Рис.53. Эритроциты крови больного серповидноклеточной анемией
«Серповидные» эритроциты плохо проходят через капилляры тка- ней, увеличивают вязкость крови, нарушая ее циркуляцию; закупоривают сосуды, создавая местную гипоксию, что повышает образование гемоглобина Ѕ и продолжает деформацию эритроцитов. Некоторые эрит- роциты остаются необратимо серповидными и разрушаются. Нарушение доставки О2 в ткани вызывают боли и некроз клеток в данной области. Через некоторое время пониженное кровоснабжение приводит к некрозу органов, например селезенки, и ее атрофии, и, как следствие, к возник- новению заболевания, получившего название серповидно-клюточной анемии. Это первый описанный пример молекулярной болезни, которая наследуется как рецессивное заболевание. Почти все замены аминокислот на поверхности гемоглобина безвредны; гемоглобин Ѕ - редкое исключение.
2. Изменение аминокислотного остатка в области активного центра. Между гемом и белковой частью гемоглобина существует около 60 межатомных неполярных контактов. Мутации, нарушающие эти контакты, изменяют структуру активного центра. В этом случае в дефектной субъединице не происходит связывание О2 и это приводит к возникно- вению анемий, заболеваний причиной которых является дефицит О2:
а. Замена в гене α- или β-цепи гистидинов (Гис Е7 и Гис F8) на тирозин. В результате Fе2+ окисляется до Fе3+, не способного к связыванию О2 (рис.54). Гем с окисленным Fе3+ называется ферри-гемом, а гемоглобин, содержащий 2 ферри-гемма, называется метгемоглобином или гемогло- бином М. Если изменение затрагивает 2 цепи, то гемоглобин может переносить только 2 молекулы О2 и развивается заболевание, связанное с дефицитом О2 – цианоз, если все 4 цепи, то это приводит к летальном исходу.
Рис.54. Замена проксимального гистидина (F8) тирозином, приводящая к образованию гемоглобина М
б. Замена фенилаланина СД1 (гидрофобная аминокислота) на серин (гидрофильная аминокислота) (рис.55). Такой гемоглобин называется гемоглобином Хаммерсмита. В результате этой замены нарушается связывание глобина с гемом. В гидрофобный «карман», где находятся гем, начинает проникать вода, из-за присутствия там серина, и окислять Fе2+ до Fе3+. Образуется ферри-гем, в результате чего развивается анемия.
в. В нормальных гемоглобинах в месте пересечения двух α-спиралей В и Е н аходятся глицин, у которого радикалом является водород и поэтому две спирали плотно прилегают друг к друг. В гемоглобине Ривердейла-Бронкса (мутант гемоглобина А) вместо глицина в положении В6 нахо- дятся аргинин с объемным радикалом, который не помещается в узком пространстве, что меняет конформацию молекулы и она становится неста- бильной. Это приводит к разрушению эритроцита и развитию несфероцитарных гемолитических анемий.
Рис.55. Гемоглобин Хаммерсмита
3. Мутации генов α- и β-цепей гемоглобина, затрагивающие разные этапы синтеза этого белка, приводят к понижению скорости трансляции и полному её прекращению. Это становится причиной развития тяжелых форм анемии, известных под названием талассемия. Различают α- и β-талассемии. Молекулярными механизмами возникновения талассемий являются: делеция α-глобинового гена; нестабильность мRНК (замена стоп-кодона в α- цепи на кодирующий кодон приводит к синтезу удлиненной (172 остатка вместо 141 в норме) цепи, которая делает мутантную мRНК чувствительной к действию нуклеаз); нарушение инициации цепей (некоторые β-талассемии возникают в результате дефекта 5ʹ–нетранслируемой области); преждевременная терминация цепи (замена одного нуклеотида в кодоне лицина ААГ приводит к образованию стоп-кодона УАГ в 17 положении) и т.д.