28. Кооперативные свойства макромолекул (на примере перехода спираль-клубок и связывания гемоглобином кислорода). Электронно-конформационные взаимодействия в молекуле гемоглобина при оксигенации

Конформации полипептидных цепей, стабилизированные водородными связями, устойчивы лишь в определенных условиях. Изменения температуры, растворителя, рН среды приводят к переходам порядок - беспорядок, к превращению регулярной конформации цепи в статистический клубок. Переход этот происходит не постепенно, а сразу по принципу "все или ничего". До определенной температуры спираль устойчива, а затем разрушается как целое. Этот процесс аналогичен плавлению кристалла или кипению жидкости. Невозможно из кристаллической решетки выдернуть один атом, не затрагивая соседей. Поэтому до определенной температуры кристаллическая решетка устойчива, а затем разрушается как целое. Также невозможно освободить одно звено - спирали, не разорвав соседних водородных связей. Плавление- спирали может осуществляться лишь путем разрыва многих водородных связей. Это – кооперативный процесс.

Кривая насыщения гемоглобина кислородом представляет собой явно выраженную s-образную кривую (рис.3).

Рис.3. Кривая насыщения кислородом гемоглобина: Y- степень насыщения гемоглобина кислородом; рО₂- парциальное давление кислорода

В 1909 г. Хилл предложил модель связывания кислорода с гемоглобином, объясняющую сигмоидный характер этой кривой.

Дело в том, что центры связывания в молекуле гемоглобина не являются независимыми. Молекула дезоксигемоглобина напряжена. Важную роль в удержании этой напряженной конформации играютвосемь ион-ионныхсвязей между четырьмя субъединицами. Оксигенация гемоглобина не может произойти, пока не разорвутся некоторые из этих связей и атом железа гема не войдет в плоскость гема на 5-7. Число связей, которое необходимо разорвать для связывания первой молекулы кислорода, больше, чем для связывания последующих, а для связывания 4-й молекулы кислорода – совсем немного. Поскольку для разрыва связей требуется энергия, то для связывания 4 молекул кислорода требуется разное количество энергии. Изменение энтальпии при связывании первой, второй, третьей и четвертой молекул кислорода гемоглобином овцы равны Н₁= -65,9± 3,3, Н₂= -47,8±10,5, Н₃= -32,7+3,8 и Н₄= -36,5±13,8 кДж/моль. Связывание кислорода усиливается по мере присоединения. Такое последовательное возрастание сродства гемоглобина к кислороду и объясняетs-образную форму кривой насыщения, полученной экспериментально. Это процесс кооперативного связывания.

Молекула дезоксигемоглобина отличается от молекулы оксигемоглобина как третичной структурой всех четырех субъединиц, так и их объединением в четвертичную структуру. Оксигенация начинается с присоединения молекулы кислорода к катиону железа гема одной из субъединиц. Полинг и Корнелл с помощью измерений магнитной восприимчивости показали, что молекула дезоксигемоглобина содержитвысокоспиновыйкатион железа с четырьмя неспаренными электронами, а молекула оксигемоглобина -низкоспиновыйкатион железа без неспаренных электронов (рис. 4). В высокоспиновом состоянии радиус катиона железа слишком велик, чтобы поместиться в плоскости порфиринового кольца гема. При переходе в низкоспиновое состояние радиус катиона железа уменьшается примерно на 17%,это позволяет ему поместиться между атомами пиррольного азота в плоскости порфиринового кольца.

Рис.4. Структурные изменения в молекуле гемоглобина при оксигена-ции; Nn - атомы азота порфиринового кольца; Nr- атом азота гистидина

Смещение катиона железа сопровождается смещением связанного с ним атома азота гистидина. А это приводит к изменению в третичной структуре и к ослаблению водородных и ионных связей между субъединицами, т.е. к изменению четвертичной структуры гемоглобина. Механизм оксигенации гемоглобина является примером элетронно-конформационных взаимодействий, общая концепция которых была развита М.В.Волькенштейном (1971). Суть этой концепции: в макромолекулах осуществляется сопряжение химических (электронных) процессов с конформационными (структурными) перестройками.