9.5. Регуляция обмена веществ

Регуляция метаболизма на клеточном и субклеточном уровнях осуществляется прежде всего путем регуляции синтеза и каталитической активности ферментов. К таким регуляторным механизмам относятся: подавление синтеза ферментов конечным продуктом метаболического пути, индукция синтеза одного или более ферментов субстратами, модуляция активности уже присутствующих молекул ферментов, в том числе аллостерическая регуляция. Большое значение имеет также регуляция скорости поступления метаболитов в клетку, где ведущую роль играют биологические мембраны, окружающие цитоплазму и находящиеся в ней ядро, митохондрии, лизосомы и другие субклеточные органеллы. Важнейшим средством, с помощью которого осуществляется регуляция обмена веществ в живых организмах, являются гормоны. Особая роль в механизме действия гормонов принадлежит циклическим нуклеотидам (цАМФ и цГМФ).

У животных и человека гормональная регуляция обмена веществ тесно связана с координирующей деятельностью нервной системы. Примером влияния нервной системы на углеводный обмен является так называемый сахарный укол Клода Бернара (механическое раздражение дна IV желудочка), который приводит к гипергликемии и глюкозурии в результате рефлекторного выброса надпочечниками адреналина в кровь и опосредованного аденилатциклазной системой расщепления гликогена в печени.

Важнейшая роль в процессах интеграции обмена веществ принадлежит коре большого мозга. Как указывал И. П. Павлов: «Чем совершеннее нервная система животного организма, тем она централизованнее, тем высший ее отдел является все в большей и большей степени распорядителем и распределителем всей деятельности организма... Этот высший отдел содержит в своем ведении все явления, происходящие в теле».

10. Гемоглобин

10.1. Строение гемоглобина

Термин «гемоглобин» ( НЬ, haemoglobinum) происходит от греч. Haima кровь+ лат. Globus шарик. Гемоглобин- это гемопротеид, сложный белок, относящийся к гемсодержащим хромопротеидам. Он осуществляет перенос кислорода от легких к тканям и участвует в переносе углекислого газа от тканей в органы дыхания. Гемоглобин содержится в эритроцитах всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие), а также в корневых клубеньках некоторых бобовых растений. Молекулярная масса гемоглобина эритроцитов человека равна 64 458; в одном эритроците находится около 400 млн. молекул гемоглобина. В воде гемоглобин хорошо растворим, нерастворим в спирте, хлороформе, эфире, хорошо кристаллизуется (форма кристаллов гемоглобина различных животных неодинакова).

В состав гемоглобина входит простой белок-глобин и железосодержащая простетическая (небелковая) группа — гем (96 и 4% от массы молекулы соответственно). При рН ниже 2,0 происходит расщепление молекулы гемоглобина на гем и глобин.

Гем (C₃₄ H₃₂ O₄ N₄) представляет собой железопротопорфирин — комплексное соединение протопорфирина IX с двухвалентным железом. Железо находится в центре протопорфиринового ядра и связано с четырьмя атомами азота пиррольных ядер две связи координационные и две связи с замещением водорода.

Поскольку координационное число железа равно 6, две валентности остаются неиспользованными, одна из них реализуется при связывании гема с глобином, а ко второй присоединяется кислород или другие лиганды — СО, F⁺, азиды, вода и т. д.

Комплекс протопорфина IX с Fe³⁺ называют гематином. Солянокислая соль гематина (хлоргемин, гемин) легко выделяется в кристаллическом виде (так называемые кристаллы Тейхманна). Гем обладает способностью образовывать комплексные соединения с азотистыми соединениями (аммиаком, пиридином, гидразином, аминами, аминокислотами, белками и т.д.), превращаясь при этом в гемохромогены. Поскольку у всех видов животных гем одинаков, то различия в свойствах гемоглобинов обусловлены особенностями строения белковой части молекулы гемоглобина — глобина. Глобин — белок типа альбуминов, содержит в своей молекуле четыре полипептидные цепи: две α-цепи (в каждую из которых входит по 141 аминокислотному остатку) и две β-цепи, содержащие по 146 остатков аминокислот. Таким образом, белковый компонент молекулы гемоглобина построен из 574 остатков различных аминокислот. Первичная структура, т. е. генетически обусловленная последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях глобина человека и ряда животных полностью изучена. Отличительной особенностью глобина человека является отсутствие в его составе аминокислот изолеицина и цистина. N-концевыми остатками в β-цепях являются остатки валина. С-концевые остатки α-цепей представлены остатками аргинина, β-цепей — гистидина. Предпоследнее положение в каждой из цепей занимают остатки тирозина.

Рентгеноструктурный анализ кристаллов гемоглобина позволил выявить основные особенности пространственной структуры его молекулы [Перутц (М. Perutz)]. Оказалось, что α- и β-цепи содержат спиральные сегменты различной длины, которые построены по принципу α-спиралей (вторичная структура); α-цепь имеет 7, а β-цепь —8 спиральных сегментов, соединенных неспиральными участками. Спиральные сегменты, начиная с N-конца, обозначаются буквами латинского алфавита (А, В, С, В, Е, F, С, Н), а неспиральные участки или углы поворота спиралей имеют соответствующее обозначение (АВ, ВС, СВ, ОЕ и т. д.). Неспиральные участки на аминном (N) или карбоксильном (С) конце цепи глобина обозначают соответственно NA или НС. Аминокислотные остатки нумеруются в каждом сегменте и, кроме того, в скобках дается нумерация данного остатка от конца цепи.

Спиральные и неспиральные участки определенным образом уложены в пространстве, что определяет третичную структуру цепей глобина. Последняя почти идентична у α- и β-цепей гемоглобина, несмотря на значительные различия в их первичной структуре. Это обусловлено специфическим расположением полярных и гидрофобных групп аминокислот, приводящим к скоплению неполярных групп во внутренней части глобулы с образованием гидрофобного ядра. Полярные группы белка обращены к водной среде, находясь с ней в контакте. Внутри каждой цепи глобина недалеко от поверхности находится гидрофобная впадина («гемовый карман»), в которой располагается гем, ориентируясь так, что его неполярные заместители направлены во внутрь молекулы, входя в состав гидрофобного ядра. В результате возникает около 60 неполярных контактов между гемом и глобином и один-два полярных (ионных) контакта гема с α- и E-цепями, в которых участвуют остатки пропионовой кислоты гема, выходящие наружу из гидрофобного «кармана». Расположение гема в гидрофобной впадине глобина обеспечивает возможность обратимого присоединения кислорода к Fe²⁺ гема без окисления последнего до Fe³⁺ и характерно для гемоглобинов различных видов животных. Подтверждением этого является крайняя чувствительность гемоглобина к любым изменениям неполярных контактов вблизи гема. Так, замена гема в гемоглобине на гематопорфирин приводит к резкому нарушению свойств гемоглобина. Некоторые аминокислотные остатки, окружающие гем в гидрофобной впа­дине, относятся к числу инвариантных аминокислот, т. е. аминокислот, одинаковых для различных видов животных и существенных для функции гемоглобина. Среди инвариантных аминокислот большое значение отводится трем: остаткам гистидина, так называемым проксимальным гистидинам (87-я позиция в α- и 92-я позиция в β-цепях), дистальным гистидинам (58-я позиция в α- и 63-я позиция в β-цепях), а также остатку валина Е-11 (62-я позиция в α-цепи и 67-я позиция в β-цепи).

Связь между так называемым проксимальным гистидином и железом гема является единственной химической связью между ними (реализуется пятая координационная связь атома Fe²⁺ гема) и непосредственно влияет на присоединение кислорода к гему. «Дистальный» гистидин непосредственно не связан с гемом и участия в фиксировании кислорода не принимает. Его значение состоит в стабилизации атома Fe²⁺ против необратимого окисления (по-видимому, за счет образования водородной связи между кислородом и азотом). Остаток валина (Е-11) является своего рода регулятором скорости присоединения кислорода к гемам: в Р-цепях он стерически расположен так, что занимает то место, куда должен присоединиться кислород, вследствие чего оксигенация начинается с α-цепей.

Белковая часть и простетическая группа молекулы гемоглобина оказывают друг на друга сильное влияние. Глобин изменяет многие свойства гема, при­давая ему способность к связыванию кислорода. Гем обеспечивает устойчивость глобина к действию кислот, нагреванию, расщеплению ферментами и обусловливает особенности кристаллизационных свойств гемоглобина.

Полипептидные цепи с присоединенными к ним молекулами гема образуют четыре основные части — субъединицы молекулы гемоглобина. Характер соединения (укладки) их между собой и расположение в пространстве определяют особенности четвертичной структуры гемоглобина: α- и β-цепи располагаются по углам тетраэдра вокруг оси симметрии, причем α-цепи лежат поверх β-цепей и как бы втискиваются между ними, а все четыре гема далеко удалены друг от друга. В целом образуется тетрамерная сфероидная частица размерами 6,4x5,5x5,0 нм.

Четвертичная структура стабилизирована солевыми связями между α—α- и β - β-цепями и двумя видами контактов между α- и β-цепями (α₁—β₁ и α₁— β₂). Контакты α₁—β₁ наиболее обширны, в них участвуют 34 аминокислотных остатка, большинство взаимодействий неполярно. Контакт α₁— β₂ включает 19 аминокислотных остатков, большинство связей также неполярно, за исключением нескольких водородных связей. Все остатки, находящиеся в этом контакте, одинаковы у всех изученных видов животных, в то время как 1/3 остатков в α₁—β₁-контактах варьирует.

Гемоглобин человека гетерогенен, что обусловлено различием полипептидных цепей, входящих в его состав. Так, гемоглобин взрослого человека, составляющий 95—98% гемоглобина крови (НbА), содержит две α- и две β-цепи; малая фракция гемоглобина (НbА₂), достигающая максимального содержания 2,0-2,5%, содержит две α- и две σ—цепи; гемоглобин составляющий в крови взрослого человека 0,1-2%, состоит из двух α- и двух γ-цепей. Фетальный гемоглобин заменяется НbА в первые месяцы после рождения. Он характеризуется значительной устойчивостью к тепловой денатурации, на чем основаны методы определения его содержания в крови. В зависимости от состава полипептидных цепей перечисленные типы гемоглобина обозначаются следующим образом: НbА - как Hbα₂β₂, НbА₂-как Hbα₂β₂, HbF-как Hbα₂γ.

При врожденных аномалиях и заболеваниях кроветворного аппарата появляются аномальные типы гемоглобина, например, при серповидноклеточной анемии, талассемии, врожденной метгемоглобинемии неэнзиматического происхождения и др. Наиболее часто встречается замещение единственной аминокислоты в одной паре полипептидных цепей. В зависимости от величины валентности атома железа гема и типа лиганда в молекуле гемоглобина последний может находиться в нескольких формах. Восстановленный гемоглобин (дезокси-Hb) имеет Fe²⁺ со свободной шестой валентностью, при присоединении к нему О₂ образуется оксигенированная форма гемоглобина (НbО₂). При действии на НbО₂ ряда окислителей (феррицианид калия, нитриты, хиноны и др.) происходит окисление Fe ⁺ до Fe ³⁺ с образованием метгемоглобина, неспособного к переносу О₂. В зависимости от величины рН среды различают кислую и щелочную форму метгемоглобина, содержащих в качестве шестого лиганда Н₂О или ОН-группу. В крови здоровых люден концентрация метгемоглобина составляет 0,83+0,42% .

Метгемоглобин обладает способностью прочно связывать фтористый водород, синильную кислоту и другие вещества. Этим его свойством пользуются в медицинской практике для спасения людей, отравленных синильной кислотой.

Различные производные гемоглобина различаются по спектрам поглощения.