Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Биохимия

F8. Однако тетрамерная структура гемоглобина представляет собой более сложный структурно-функциональный комплекс, чем миоглобин.

Роль гистидина Е7 в функционировании миоглобина и гемоглобина

Гем имеет высокое сродство к оксиду углерода (СО). В водной среде свободный от белковой части гем связывается с СО в 25 000 раз сильнее, чем O2. Высокая степень сродства гема к СО по сравнению с O2 объясняется разным пространственным расположением комплексов Ге2+ гема с СО и O2 .

Пространственное расположение СО и O2, связанных со свободным гемом (А) и гемом в составе гемоглобина или миоглобина (Б).

Вкомплексе Fе2+ гема с СО атомы Fе2+, углерода и кислорода расположены на одной прямой, а в комплексе Fе2+ гема с O2 атомы железа и кислорода расположены под углом, что отражает их оптимальное пространственное расположение.

Вмиоглобине и гемоглобине над Fе2+ в области присоединения O2 расположен Гис E7, нарушающий оптимальное расположение СО в центре связывания белков и ослабляющий его взаимодействие с гемом. Напротив, тот же Гис E7 создаёт оптимальные условия для связывания O2 . В результате сродство гема к СО в белках всего в 200 раз превышает его сродство к O2.

Снижение сродства гемсодержащих белков к СО имеет важное биологическое значение. СО образуется в небольших количествах при катаболизме некоторых веществ, в частности гема. Этот эндогенно образующийся СО блокирует около 1% гемсодержащих белков. Если бы сродство гема к СО не уменьшалось под влиянием белкового окружения, эндогенный оксид углерода мог бы вызывать серьёзные отравления.

Четвертичная структура гемоглобина

Четыре полипептидные цепи, соединённые вместе, образуют почти правильную форму шара, где каждая α-цепь контактирует с двумя β-пепями:

Так как в области контакта между α1- и β1-, а также между α2- и β2-цепями находится много гидрофобных радикалов, то между этими полипептидными цепями формируется сильное соединение за счёт возникновения в первую очередь гидрофобных, а также ионных и водородных связей. В результате образуются димеры α1β1 и α2β2. Между этими димерами в тетрамерной молекуле гемоглобина возникают

восновном полярные (ионные и водородные) связи, поэтому при изменении pH среды

вкислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. Кроме того, димеры способны легко перемещаться относительно друг друга.

Так как поверхность протомеров неровная, полипептидные цепи в центральной области не могут плотно прилегать друг к другу, в результате в центре формируется «центральная полость», проходящая сквозь всю молекулу гемоглобина.

Связывание гемоглобина с О2 в лёгких и его диссоциация из комплекса в тканях

Основная функция гемоглобина — доставка О2 от лёгких к тканям. Олигомерная структура гемоглобина обеспечивает быстрое насыщение его кислородом в лёгких (образование оксигемоглобина — Нb(O2)4), возможность отщепления кислорода от гемоглобина в капиллярах тканей при относительно высоком парциальном давлении O2, а также возможность регуляции сродства гемоглобина к О2 в зависимости от потребностей тканей в кислороде.

Кооперативные изменения конформации протомеров

О2 связывается с протомерами гемоглобина через Fе2+, который соединён с четырьмя атомами азота пиррольных колец гема и атомом азота Гис F8 белковой части протомера. Связывание O2 с оставшейся свободной координационной связью Fе2+ происходит по другую сторону от плоскости гема в области Гис Е7 (аналогично тому, как это происходит у миоглобина). Гис Е7 не взаимодействует с O2, но обеспечивает оптимальные условия для его связывания:

В дезоксигемоглобине благодаря ковалентной связи с белковой частью атом Fе2+ выступает из плоскости гема в направлении Гис F8. Присоединение O2 к атому Fе2+ одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, за ним перемещаются остаток Гис F8 и полипептидная цепь, в состав которой он входит. Так как протомер связан с остальными протомерами, а белки обладают конформационной лабильностью, происходит изменение конформации всего белка. Конформационные изменения, произошедшие в других протомерах, облегчают присоединение следующей молекулы O2, что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы O2. Четвёртая молекула O2 присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула:

Изменение конформации (а, следовательно, и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров.

Аналогичным образом в тканях диссоциация каждой молекулы O2 изменяет конформацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул O2.

Кривые диссоциации O2 для миоглобина и гемоглобина

Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации O2 для миоглобина и гемоглобина:

Отношение занятых O2 участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные белки O2 при различных значениях парциального давления кислорода.

Кривая диссоциации O2 для миоглобина имеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие посторонние факторы.

Процессы образования и распада оксимиоглобина находятся в равновесии, и это равновесие смещается влево или вправо в зависимости от того, добавляется или удаляется кислород из системы. Миоглобин связывает кислород, который в капиллярах тканей высвобождает гемоглобин, и сам миоглобин может освобождать O2 в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании O2 в результате физической нагрузки.

Миоглобин имеет очень высокое сродство к O2. Даже при парциальном давлении O2, равном 1 — 2 мм рт. ст., миоглобин остаётся связанным с O2 на 50%.

Кривая диссоциации для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше O2 отдают протомеры, тем легче идёт отщепление последующих молекул O2.

В капиллярах покоящихся мышц, где давление O2 составляет около 40 мм рт. ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе давление O2 в капиллярах мышц падает до 10 — 20 мм рт. ст.

В области (от 10 до 40 мм рт. ст.) располагается «крутая часть» S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

Следовательно, благодаря уникальной структуре каждый из рассмотренных белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин — присоединять O2, высвобождаемый гемоглобином, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин — присоединять O2 в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать O2 в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления O2.

Перенос Н+ и СO2 из тканей в лёгкие с помощью гемоглобина. Эффект Бора

Окисление органических веществ с целью получения энергии происходит в митохондриях клеток с использованием O2, доставляемого гемоглобином из лёгких. В результате окисления веществ образуются конечные продукты распада — СO2 и Н2O, количество которых пропорционально интенсивности процессов окисления.

СO2, образовавшийся в тканях, транспортируется в эритроциты. Там под действием фермента карбангидразы происходит увеличение скорости образования Н2СO3. Слабая угольная кислота может диссоциировать на Н+ и НСO3-

СO2 + Н2O <-> Н2СO3 <-> Н+ + HCO3-.

Равновесие реакции в эритроцитах, находящихся в капиллярах тканей, смещается вправо, так как образующиеся в результате диссоциации угольной кислоты протоны могут присоединяться к специфическим участкам молекулы гемоглобина: к радикалам Гис146 двух β-цепей, радикалам Гис122 и концевым α-аминогруппам двух α- цепей. Все эти 6 участков при переходе гемоглобина от окси- к дезоксиформе приобретают большее сродство к Н+ в результате локального изменения аминокислотного окружения вокруг этих участков (приближения к ним отрицательно заряженных карбоксильных групп аминокислот).

Присоединение 3 пар протонов к гемоглобину уменьшает его сродство к O2 и усиливает транспорт O2 в ткани, нуждающиеся в нём (рис.А). Увеличение освобождения O2гемоглобином в зависимости от концентрации Н+ называют эффектом Бора (по имени датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект).

В капиллярах лёгких высокое парциальное давление O2 приводит к оксигенированию гемоглобина и удалению 6 протонов. Реакция СO2+ + Н2O <-> Н2СO3 <-> Н+ + НСO3-сдвигается влево и образующийся СO2 выделяется в альвеолярное пространство и удаляется с выдыхаемым воздухом (рис.Б).

Увеличение концентрации протонов в среде снижает сродство O2 к гемоглобину и усиливает его транспорт в ткани.

Большая часть СO2 транспортируется кровью в виде бикарбоната НСO3-. Небольшое количество СO2 (около 15 — 20%) может переноситься в лёгкие, обратимо присоединяясь к неионизированным концевым α-аминогруппам. R-NН2+ + СO2 = R- NН-СОО- + Н+, в результате образуется карбогемоглобин, где R — полипептидная цепь гемоглобина. Присоединение СO2 к гемоглобину также снижает его сродство к

O2.

2,3-Бифосфоглицерат — аллостерический регулятор сродства гемоглобина к O2

2,3-Бифосфоглицерат (БФГ) — вещество, синтезируемое в эритроцитах из промежуточного продукта окисления глюкозы 1,3-бифосфоглицерата.

Регуляция с помощью 2,3-бифосфоглицерата сродства гемоглобина к O2

В нормальных условиях 2,3-бифосфоглицерат присутствует в эритроцитах примерно в той же концентрации, что и гемоглобин. БФГ, присоединяясь к гемоглобину, также может менять его сродство к O2.

В центре тетрамерной молекулы гемоглобина есть центральная полость, образованная аминокислотными остатками всех четырёх протомеров — место присоединения БФГ.

Размеры центральной полости могут меняться: отщепление O2 от оксигемоглобина вызывает его конформационные изменения, которые способствуют образованию дополнительных ионных связей между димерами α1β1 и α2β2. В результате пространственная структура дезоксигемоглобина становится более жёсткой, напряжённой, а центральная полость расширяется.

Поверхность полости ограничена остатками аминокислот, в числе которых имеются положительно заряженные радикалы Лиз82, Гис143 β-цепей и положительно заряженные α-аминогруппы N-концевого валина β-цепей. В расширенную полость дезоксигемоглобина БФГ, имеющий сильный отрицательный заряд, присоединяется с помощью ионных связей, образующихся с положительно заряженными функциональными группами двух β-цепей гемоглобина. Присоединение БФГ ещё сильнее стабилизирует жёсткую структуру дезоксигемоглобина и снижает сродство белка к O2:

Присоединение БФГ к дезоксигемоглобину происходит в участке, ином по сравнению с гемом, где происходит связывание O2. Такой лиганд называется «аллостерический», а центр, где связывается аллостерический лиганд, — «аллостерический центр» (от греч. «аллос» — другой, иной, «стерос» — пространственный).

В лёгких высокое парциальное давление O2 приводит к оксигенированию гемоглобина. Разрыв ионных связей между димерами α1β1 и α2β2 приводит к «расслаблению» белковой молекулы, уменьшению центральной полости и вытеснению БФГ.

Изменение концентрации БФГ как механизм адаптации организма к гипоксии. Концентрация БФГ в эритроцитах людей, живущих в определённых климатических условиях, — величина постоянная. Однако в период адаптации к высокогорью, когда человек поднимается на высоту более 4000 м над уровнем моря, концентрация БФГ уже через 2 дня возрастает почти в 2 раза (от 4,5 до 7,0 мМ). Это снижает сродство гемоглобина к O2 и увеличивает количество O2, транспортируемого в ткани:

Такую же адаптацию наблюдают у больных с заболеваниями лёгких, при которых развивается общая гипоксия тканей. Так, у больных с тяжёлой обструктивной эмфиземой лёгких парциальное давление в них снижается от 100 до 50 мм рт. ст. Но при этом в эритроцитах усиливается выработка БФГ, и его концентрация повышается с 4,5 до 7,0 мМ, что существенно увеличивает доставку O2 в ткани.

Клиническое значение концентрации БФГ в консервированной крови

В крови, консервированной в некоторых средах, например, цитрат-декстрозной, за 10 дней концентрация БФГ снижается с 4,5 до 0,5 мМ. Гемоглобин такой крови имеет очень высокое сродство к O2. Если кровь со сниженной концентрацией БФГ переливать тяжелобольным, возникает опасность развития гипоксии тканей. Введённые с кровью эритроциты за 24 ч могут восстановить лишь половину нормальной концентрации БФГ. Добавлением в кровь БФГ нельзя восстановить нормальную концентрацию его в эритроцитах, так как, имея высокий отрицательный заряд, БФГ не может проникать через мембраны эритроцитов. Поэтому в настоящее время в кровь добавляют вещества, способные проникать через мембрану эритроцитов и поддерживать в них нормальную концентрацию БФГ.

Физико-химические свойства белков

К физико-химическим свойствам белков относят амфотерность, растворимость,

способность к денатурации, коллоидные свойства.

Амфотерность

Так как белки содержат кислые и основные аминокислоты, то в их составе всегда имеются свободные кислые (СОО–) и основные (NH3+) группы.

Заряд белка зависит от соотношения количества кислых и основных аминокислот. Поэтому, аналогично аминокислотам, белки заряжаются положительно при снижении рН, и отрицательно при его увеличении. Если рН раствора соответствует изоэлектрической точке белка, то заряд белка равен 0.

Если в пептиде или белке преобладают основные аминокислоты (лизин и аргинин), то при нейтральных рН заряд белка положительный, т.к. обусловлен положительным зарядом радикала этих аминокислот.

Если в белке преобладают кислые аминокислоты (глутамат и аспартат), то белок кислый, при нейтральных рН заряд белка отрицательный и изоэлектрическая точка находится в кислой среде. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в диапазоне рН 4,8-5,4, что свидетельствует о преобладании в их составе глутаминовой и аспарагиновой аминокислот.

Амфотерность имеет значение для выполнения белками некоторых функций.

Н., буферные свойства белков, т.е. способность поддерживать стабильность рН крови, основаны на способности присоединять ионы Н+ при закислении среды или отдавать их при защелачивании.

С практической стороны наличие амфотерности позволяет разделять белки по заряду (электрофорез) или использовать изменение величины рН раствора для осаждения какого-либо известного белка. Наличие как положительных, так и

отрицательных зарядов в белке обусловливает их способность к высаливанию, что удобно для выделения белков в нативной (живой) конформации.

Влияние рН на заряд белка

При смещении рН в растворе изменяется концентрация ионов Н+. При закислении среды (при снижении рН) ниже изоэлектрической точки ионы Н+ присоединяются к отрицательно заряженным группам глутаминовой и аспарагиновой кислот и нейтрализуют их. Заряд белка при этом становится положительным.

При увеличении рН в растворе выше изоэлектрической точки концентрация ионов Н+ снижается и положительно заряженные группы белка (NH3+-группы лизина и аргинина) теряют протоны, их заряд исчезает. Суммарный заряд белка становится отрицательным:

Растворимость белков

Так как большинство белков несет много заряженных групп, то в целом они водорастворимы. Растворимость объясняется:

-наличием заряда и взаимоотталкиванием заряженных молекул белка,

-наличием гидратной оболочки – окружение молекулы диполями воды и взаимодействие их с полярными и заряженными группами на поверхности глобулы белка. Чем больше полярных и/или заряженных аминокислот в белке, тем больше гидратная оболочка.

Свойства белковых растворов определяются большими размерами молекул, т.е.

белки являются коллоидными частицами и образуют коллоидные растворы.

К свойствам белковых растворов относятся:

1. Рассеивание света вследствие дифракции на коллоидных частицах

– опалесценция. Особенно это заметно при прохождении луча света через белковый раствор, когда виден светящийся конус (эффект Тиндаля).

2. Белковые растворы в отличие от истинных обладают малой скоростью диффузии.