1.1. Гемопротеины

По биохимическим функциям гемопротеины делят на ферментные и неферментные.

К неферментным гемопротеинам относятся гемоглобин и его производные, а также миоглобин и его производные.

К ферментным гемопротеинам относятся: цитохромы, пероксидаза и каталаза, триптофанпирролаза.

Гем – это небелковая часть гемопротеинов, является металлопор­фириновым комплексом.

Основу составляет макроцикл – порфин, который состоит из четырех пиррольных колец, соединенных метинильными группировками (-СН=):

Порфин

Атомы водорода в β-положениях пиррольных колец могут замещаться на различные радикалы. Такой порфин с заместителями называется порфирином. Порфирин имеет много изомеров. Так, например, гем гемоглобина представлен изомером – протопорфирином и имеет номенклатурное название 1,3,5,8-тетраметил-2,4-дивинил-6,7-дипро­пионовокислый порфин:

Протопорфирин

В геме протопорфирин связан с Fe²⁺. Координационное число для железа равно шести. В геме железо связано двумя ковалентными связями с восстановленными атомами азота двух пиррольных колец и двумя координационными – с окисленными. Остальные две координационные связи Fe²⁺ образуются с белком глобином (через аминокислоту гистидин) и с различными лигандами (О₂, вода и чужеродные соединения):

Гем - Глобин - Лиганд

Из группы Fe-содержащих неферментов мы подробно познакомимся со структурой и транспортной функцией гемоглобина.

1.1.1. Гемоглобин (Нb)

Имеет четвертичную структуру. Молекулярная масса его 66 000–68 000, изоэлектрическая точка рI 5,5. Состоит из 4-х субъединиц. Каждая субъединица представлена гемом и соответствующей полипептидной цепью – глобином.

В кислой или щелочной среде гемоглобин диссоциирует на гем и глобин. В растворе ацетон–НСl глобин осаждается, а гем (ферропротопорфирин) остается в растворе:

Гемоглобин + HCl → глобин-HCl + гем.

Гемоглобин А (HbА) взрослого человека содержит две  (по 141 аминокислоте) и две  (по 146 аминокислот) полипептидные цепи. Каждая полипептидная цепь имеет третичную структуру. Связаны субъединицы между собой через неспиральные участки глобина ионными связями. Внутри каждой субъединицы есть гидрофобный «карман», в который погружен гем. Гем прочно удерживается в «кармане» благодаря ван–дер–ваальсовым (гидрофобным) связям между неполярными участками гема и гидрофобными радикалами аминокислот (их около 60).

Однако глобин с гемом связан еще через Fe²⁺. Образуется координационная связь между Fe²⁺ и азотом имидазольного ядра гистидина полипептидной цепи глобина.

К другим физиологическим типам гемоглобинов относятся примитивный гемоглобин (HbP) и фетальный гемоглобин (HbF) (эти формы гемоглобина характерны для эмбрионов). Существуют и патологические формы. Всего обнаружено свыше 100 аномальных гемоглобинов.

Наиболее часто встречается среди мутантных гемоглобинов гемоглобин S (HbS). Такая гемоглобинопатия приводит к развитию серповидноклеточной анемии (гемоглобин выпадает в осадок в виде длинных волокон или серпа). Причина – генетически обусловленное изменение в структуре пептидной -цепи: глутаминовая кислота (гидрофильная) заменена на валин (гидрофобная). В результате HbS теряет способность растворяться.

Для всех видов животных организмов отмечается идентичность третичной и четвертичной структур гемоглобина (рис. 1, 2). Небольшие отличия наблюдаются в первичной структуре глобина. Среднее число различий во всех полипептидных цепях гемоглобина лошади, свиньи, быка и кролика по сравнению с гемоглобином человека составляет около 22. Гемоглобин с пищевой точки зрения ценный белок, однако, в его структуре нет некоторых незаменимых аминокислот (нет изолейцина и низкое содержание метионина и триптофана). Содержание гемоглобина в крови разных видов животных: крупный рогатый скот – 10,3%, свиньи – 14,2% и мелкий рогатый скот – 9,3%. Препараты гемоглобина добавляют для придания интенсивной и более стойкой окраски колбас.

Дезоксигемоглобин

Рис. 1. Четвертичная структураHbA

Рис. 2. Солевые (ионные) связи между субъединицами в дезоксигемоглобине