Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

рассматриваемого белка. Рентгеновская кристалло­

графия является дорогостоящим методом. требует

больших затрат времени и солидного профессиона­

льного опы га. но в итоге она позволяет получить

очень подробную и точную картину взаимной

ориентации всех аминокислот во многих белках. Ее

вклад в наши сегодняшние представления о структу­

ре белка трудно переоценить.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ

СТРУКТУРЫ

Центрифугирование в градиеllте

плотности сахарозы

Набор белковых стандартов и исследуемый бе­

лок наслаивают поверх налитого в пластмассовую

пробирку раствора сахарозы. плотность которого

ИТ\1еняется так, что образуется градиент концентра­

ций от 5 до 20%~ далее в гечение ночи проводят цен­

трифугирование при ...... 105g. После этого дно про­ бирки прокалывают иголкой, содержимое собирают по каплям внебольшие пробирки. устанавливают относительное положение ·белков вдоль градиента

Определение четвертичной структуры олигомер­ ных белков включает идентификацию протомеров каждого типа. определение их взаимной ориентации и изучение взаимодействий. стабилизирующих всю

структуру.

Для определения молекулярной массы олигоме­ ра пригодны многие из применяемых для этой цели

методов. лишь бы они не приводили к денатурации олигомера. Если же предварительно провести дена­

турацию олигомера. то можно теми же методами

определить молекулярную массу протомера.

Таб"lИца 5.6. Ч~гв~ртичная ,"'груктура некоторых Ф~Р:\1СНГ()DI

плотности и проводят необходимые расчеты.

Фильтрация через молекулярные сита

Вначале проводят калибровку колонки с сефадек­ сом или сходным наполнителем. используя набор белков известной молекулярной массы. Затем оцени­ вают молекулярную массу неизвестного белка. срав­

нивая его подвижность с подвижностью стандартов.

Однако. если белок представляет собой высокоасим­

метричную молекулу или же взаимодействует с на-

полнителем (молекулярным ситом). могут возни-

кать серьезные ошибки.

Электрофорез в полиакриламидном геле

Набор стандартных белков разделяют с помо­ щью электрофореза в гелях различной пористости с содержанием поперечных сшивок 5-15%. Выяв­ ляют белок, окрашивая его кумасси синим или сере­ бром, и определяют молекулярную массу. сравнивая подвижность белка и стандарта. Особенно широкое

применение этот метод нашел при определении мо­

лекулярной массы протомера; сначала осуществ­ ляют денатурацию олигомера (например. кипяче­

нием в детергенте в присутствии ~-меркап­

тоэтанола), а затем проводят разделение в гелях, содержащих ионный детергент - додецилсуль­

фат натрия.

Электронная микроскопия

С помощью электронного микроскопа можно по­ лучать изображения малых объектов при линейном увеличении в 100000 раз. Это открывает возмож­ ность визуализации высокомолекулярных белков в составе вирусных частиц, ферментных комплексов, олигомерных белков.

В табл. 5.6 приведены выборочные данные

о числе и молекулярной массе протомеров, из кото-

рых формируется четвертичная структура ряда фер-

ментов.

ЛИТЕРАТУРА

Advances in Protein Chemistry, Academic Press. 19441987.

(Ежегодник.)

Aisen Р.. Lis{m~'sky J. lron transport and storage proteins, Ап­ Шl. Rev. Biochem.• 1980.49. 357.

Bald}~';n R. L. Intermcdiates in protein folding. Аппи. Rev. Вiосhеш.. 1975, 44,453.

Chou Р. У., Fassman G. D. Empirical predictions of protein structure. Аппи. Rev. Biochem., 1978. 47, 251.

Cro}; L. R. Handbook of Amino Acid Sequences of Proteins. JoynsonBruvvers Ltd. (Oxford. England), 1973.

Gurd F. N., Rothgeh Т. М. Motions in proteins, Adv. Protein

mes. Аппи. Rev. Biochem., 1974. 43. 279.

Lennar= w. J. (ed.) The Biochemistry ofGlycoproteins and Proteoglycans, Plenum Press, 1980.

Цjаs А., Rossman М. G. X-ray studies 01' protein interactions. Аппи. Rev. Biochem.. 1974. 43, 475.

Neuratll н., Hill R. L. (ed.) Thc Proteins, 3rd ed., Academic Press. 1975.

Osborne J. С. Jr., Вгеи'ег Н. В. Jr. Thc plasma lipoproteins, Adv. Protcin Chem., 1977. 31, 253.

Smitll L. с., Рои·nаП Н. J., GOf{O А. М. Jr. The plasma liporroteins: Structure and metabolism. Аппи. Rc\'. Biochcm.• 1978.47.751.

ВВЕДЕНИЕ

Белки, о которых здесь пойдет речь, имеют кар­ динальное биологическое значение. Очень важно

и то, что на их примере можно проследить взаимо­

связь между структурой белков и их биологическими функциями.

в особенности. Эти два сложных белка содержат

и красный цвет этих белков, и их способность запа­ сать кислород (миоглобин) и обеспечивать его транспорт (гемоглобин). Тетрапирролы состоят из четырех молекул пиррола (рис. 6.1), связанных четы­ рьмя Q-метиленовыми мостиками с образованием

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Гемсодержащие белки участвуют в процессах

связывания и транспорта кислорода, в транспорте

электронов и фотосинтезе. Детальное изучение гемо­

глобина и миоглобина выявляет ряд структурных аспектов, общих для многих белков. Говоря о боль­ шом биомедицинском значении этих белков, мы

имеем в виду, что результаты, полученные при их ис­

следовании, наглядно иллюстрируют структурно­

функциональные взаимосвязи. Кроме того, эти ис­

следования выявляют молекулярную основу ряда ге­

нетических болезней, таких, как серповидноклеточ­

ная анемия (возникающая в результате изменения

свойств поверхности ~-субъединицы гемоглобина) или талассемия (хроническое наследуемое гемолити­ ческое заболевание, характеризующееся нарушения­

ми процессов синтеза гемоглобина). Летальный

эффект цианида и окиси углерода объясняется тем,

что эти вещества блокируют физиологическую функ­

плоской кольцевой структуры. Что при этом обра­

зуется-гем или какое-то родственное соединение­

зависит от природы ~-заместителей в пиррольных

кольцах. Замещающими группами в геме являются метильная (М), винильная (V) и пропионатная (Рг) группы, расположенные в таком порядке: М, V, М,

V, М, Pr, Pr, М (рис. 6.2). В центре п.'юского кольца

находится один атом железа в ферро-состоянии (Fe2+). Тетрапиррольные простетические группы и связанные с ними ионы металлов содержат и дру­ гие белки: цитохромы (Fe2 + и Fe3+), некоторые фер­ менты, например каталаза, триптофанпирролаза,

и хлорофиллсодержащие белки (Mg2+). В цитохро­

мах происходит попеременное окисление и восста­

новление атома железа, играющее определяющую

роль в их функционировании (транспорт электронов; см. гл. 12). Напротив, в миоглобине и гемоглобине окисление Fe1 + приводит к потере их биологической

активности.

глобина соответственно. Наконец, стабилизация чет­ вертичной структуры дезоксигемоглобина 2,3-

бисфосфоглицератом (ДФГ) занимает центральное

место в исследовании механизмов кислородной не­

достаточности в условиях высокогорья и процессов

адаптации к этим условиям.

гЕмопротЕинымиоггЛОБИН И ГЕМОГЛОБИН

На примере миоглобина и гемоглобина очень

четко прослеживается связь между структурой

Рис. 6.1. Пиррол. Атомы а-углерода соединены метилено­ выми мостиками с образованием тетрапиррола. При ато­ мах Р-углерода находятся заместители, характерные для

-о

0-

Рис. 6.2. Гем. Пиррольные Ko.'Ibuaи атомы углерода, уча­ с't"вующие в образовании метиленовых мостиков, находя­

тся в одной плоскости; почти не выходит из этой плоскости

и атом железа (Fe2 +). Пятое и шестое координационные по­

ложения находятся выше и ниже плоскости гемового коль­

ца на линии, перпендикулярной плоскости. Обратите вни­ мание на природу заместителей при Р-атомах углерода

пиррольных колец: полярная часть гема в молекуле мио­

глобина обращена в CTOPl;my ее поверхности (на рисункеслева внизу).

МИОГЛОБИН

Биологическая функция миоглобина

Миоглобин содержится в красных мышцах и уча­

ствует в запасании кислорода. В условиях кислород­ ного голодания (например, при сильной физической

нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышеч­

ных клеток, где осуществляется синтез АТР (окисли­

тельное фосфорилирование; см. гл. 13).

Ilервичнан структура и распределение

аминокислот

Миоглобин состоит из единичной полипептидной

цепи с мол. массой 17000; никаких особенностей в характере составляющих его 153 аминокислотных остатков не обнаруживается. При анализе же их про­

странственного распределения четко выявляется од­

на особенность: ка поверхности молекулы каходятся

полнриые остатки, а внутри структуры - неПОЛRpиые;

это свойство характерно для глобулярных белков.

Остатки, содержащие одновременно и полярные, и неполярные группы (например, Thr, Trp .,и Tyr),

расположены так, что неполярные группы ориенти-

руются внутрь глобулы. Если не считать двух остат­

ков гистидина, принимающих участие в связывании

кислорода, то внутренние облает... миоглобина содер­

жат только неПОЛRpиые остатки (например, Leu, Val,

Phe, Met).

Вторичная и третичная структура миоглобина

Как показывает рентгеноструктурный анализ, миоглобин представляет собой компактную, при­ мерно сферическую молекулу размером 4,5 х 3,5 х 2,5 нм (рис. 6.3). Примерно 75% остатков образуют восемь правых а-спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Начиная с N-конца, спирали обо­ значают буквами от А дО Н. Участки, соединяющие спирали, обозначают двумя буквами, указывающи­ ми соответствующие спирали. Индивидуальным остаткам присваивают букву, указывающую спи­ раль, в которой они находятся, и порядковый номер, отсчитываемый QT N-конца спирали. Например, His F8 - восьмой остаток в спирали F, им является ги­ стидин. 'Остатки, далеко отстоящие друг от друга

вдоль цепи (например, принадлежащие разным спи­

ралям), могут быть пространственно сближены; на­

пример, довольно близко находятся остатки гисти­ дина F8 (проксимальный) и Е7 (дистальный) (рис.

6.3).

Ряд данных свидетельствует о том, что в раство­ ре вторичная и третичная структуры миоглобина

Рис. 6.3. Модель молекулы миоглобина. Контуры-это

очертания, наблюдаемые при низком разрешении. Изобра­

жены в основном только атомы а-углерол:а и гем. (Из ста­

тьи Dickerson R. Е. In: The Proteins, 2nd ed., 2. Neurath Н. (editor). Academic Press, 1964, с любезного разрешения.)

близки к структуре кристаллического миоглобина.

В обоих случаях наблюдаются практически идентич­

ные спектры поглощения; кристаллический миогло­ бин связывает кислород; содержание а-спиралей

в растворе, оцениваемое по дисперсии оптического вращения и круговому дихроизму, сходно с данны­ ми, полученными методом рентгеноструктурного анализа.

Влияние гема на конформацию миоглоБИllа

При понижении рН до 3,5 образуется апомиогло­

бин (миоглобин, не содержащий гема), и содержание

а-спиралей резко падает, а последующее добавление мочевины к апомиоглобину при нейтральном рН

приводит к почти полному их исчезновению. После­

дующее удаление мочевины диализом и добавле­

ние гема полностью восстанавливает число а­

спиралей. а добавление Fe2 + приводит к полному восстановлению биологической (кислородсвязываю­ щей) активности. Таким образом. информация, со­ держащаяся в первичной структуре апомиоглобина,

в присутствии гема однозначно детерминирует свер­

тывание молекулы белка с образованием нативной,

биологически активной конформации. Это важное

положение распространяется и на другие белки: пер­

вичная структура белка определяет его вторичную

и третичную структуру.

Пространственная ориентаl'ИЯ атома железа,

проксимального и дистального остатков

гистидина в молекуле миоглобина

Гем в молекуле миоглобина расположен в щели

между спиралями Е и F; его полярные пропионатныс

группы ориенгированы к поверхности глобулы,

а остальная часть находится внутри структуры

иокружена неполярными остатками, за исключе­

нием His F8 и His F7. Пятое координационное поло­

жение атома железа занято атомом азота гетероци­

клического кольца .проксимального гистидина His F8 (рис. 6.4). Дистальный гистидин (His Е7) расположен

по другую сторону гемового кольца, почти напротив

His ·F8. но шестое координационное положение ато­

ма железа His Е7 остается свободным (рис. 6.4).

Расположение атома железа

В неоксигенированном миоглобине атом железа

на 0,03 нм выступает из плоскости кольца в направ­ лении His F8. В оксигенированном миоглобине атом

кислорода занимает шестое координационное поло­

жение атома железа, а сам атом железа выступает из

плоскости гема только на 0,01 нм. Таким образом, оксигенирование миоглобина сопровождается сме­

щением атома железа и, следовательно, His F8 и ко­

валентно связанных с ним остатков в направлении

Проксимаnьный

His (F8)

Дистаnьныи

His (Е7)

Рис. 6.4. Положение молекулы кислорода в геме после ок­

сигенирования. Изображсны также имидазольные КО.lьца двух важных остатков гистидина в глобиновой цепи, кото­

рые располагаются рядом с атомом железа. (Из работы

Нагрег Н. А. et al .• Physiol6gische Chemie. Springcr-Verlag,

1975. с любезного разрешения.)

плоскости кольца; в результате эта область белко­

вой глобулы принимает новую конформацию.

Лиганды

Связь, образующаяся между атомом кислорода и атомом Fe2 +. при оксигенировании миоглобина

направлена перпендикулярно плоскости КОЛЬЦd ге­

ма. Второй атом кислорода удален от дистального

гистидина. и связь между атомами кислорода обра­

зует относительно плоскости гема угол 1210 (рис.

6.5).

Рис. 6.5. Предпочтительные ориснтании молекул кислоро­

да и окиси yr.lepoJ1L1. связанных с атомом железа ИЗОJ1ИРО­

ванного гема (темные полоски).

ным гемом примерно в 25000 раз более прочно. чем кислород. Поскольку атмосферный воздух содержит следы СО и еще небольшое количество СО образуе­ тся в ходе нормального. катаболизма гема, возни­

кает вопрос: почему же шестое координационное по­

ложение железа в миоглобине занято не СО, а моле­ кулой 02? Связано это со·стерическими ограничения­

ми, возникающими в миоглобине. Молекула СО,

связываясь с гемом, стремится принять такую

ориентацию, при которой все три атома (Fe, С, О)

находятся вдоль линии, перпендикулярной плоско­

сти кольца гема (рис. 6.6). Для изолированного гема такая ориентация вполне возможна. но в миоглоби­

не связыванию СО в такой ориентации стерически пре­ пятствует дистальный ГИСТИДИн (рис. 6.6). Поэтому

СО связывается в менее благоприятной конфигура­ ции, что понижает прочность связи СО С гемом бо­

лее чем на два порядка, так что она становится всего

лишь в 200 раз прочнее, чем связь гем- 02' Тем не

менее небольшая часть молекул миоглобина (около 1%) в нормальных условиях связывает СО.

ICннетика окснгеннрования миоглобина

Почему миоглобин неспособен транспортиро­

вать кислород, но зато эффективно его запасает? Ко­

личество кислорода, связывающегося с миоглоби­ ном (<<процент насыщения»), зависит от концентра­

ции кислорода в среде. непосредственно окружаю­

щей молекулу белка (эту концентрацию выражают как Ро, -парциальное давление кислорода). Зависи­

мость - между количеством связанного кислорода

и Ро можно представить графически в виде кривой

насы1цения миоглобина кислородом (кривой диссо­

циации кислорода). Для миоглобина изотерма ад­ сорбции кислорода имеет форму гиперболы (рис. 6.7).

[:5 [:5

Рис. 6.6. Ориентация молекул кислорода и окиси углерода.

связанных с атомом железа гема в составе миоглобина. Ди­

стальный гистидин Е7 препятствует связыванию СО

в предпочтительной для этой молекулы ориентации-под

угло.м 900 к плоскости гемового кольца.

са

::r

20

О

Рис. 6.7. Кривая насыщения миоглобина кислородом.

ро в ткани, окружающей легочные капилляры, со­

стJвляет 100 мм рт. ст., поэтому миоглобин В легких

мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом.

В венозной крови Ро равно 40 мм рт. ст., а в активно

работающей мышце2-около 20 мм рт. ст. Но даже

при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень на­ сыщения миоглобина кислородом будет весьма зна­

чительной, и поэтому миоглобин не может служить средством его доставки от легких к периферическим

тканям. Однако при кислородном голодании, кото­

рым сопровождается тяжелая физическая работа, Р02

В мышечной ткани может понизиться и до 5 мм рт. СТ.; при столь низком давлении миоглобин легко от­ дает связанный кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТР в митохондриях мышеч­

ных клеток.

ГЕМОГЛОБИНЫ

Биологическая функция гемоглобинов

Гемоглобины- структурно-родственные белки, находящиеся в ·эритроцитах позвоноч.ных. Они вы­

полняют две важные биологические функции: 1) переносят 02 из легких к периферическим тканям; 2) переносят С02 и протоны от периферических ТIca­

ней к дыхательным органам для последующего вы­ ведения из организма. Сравнительная биохимия

гемоглобинов чрезвычайно интересна сама по себе,

однако мы здесь сосредоточим внимание только

на гемоглобинах человека.

Первичная структура гемоглобина А

В отличие от миоглобина, который не имеет чет­

вертичной структуры, гемоглобины представляют собой тетрамерные белки, молекулы которых обра­

зованы различными типами полипептидных цепей

(они обозначаются а, ~,y, Ь, S и т. д.). В состав моле­

кулы входят по две цепи двух разных типов. Длина

ГШ6а "

а- и ~-цепей примерно одинакова - а-цепь содержит 141 остаток, а ~-цепь-146; однако а- и ~­ полипептиды гемоглобина А (НЬА) кодируются раз­

ными генами и имеют разную первичную структуру.

В то же время первичная структура ~-, у- и о-цепей

гемоглобина человека в значительной степени кон­

сервативна.

Вторичная и третичная структура гемоглобина А

Несмотря на различия в длине цепи и аминоки­

слотной последовательности миоглобина и ~­

полипептида НЬА, они имеют почти идентичную

вторичную и третичную структуру. Это поразитель­

ное сходство, которое распространяется на располо­

Давпение газообразного киспорода, мм рт. ст.

жение гема и восьми спиральных участков, частично

обусловлено тем, что в эквивалентных положениях

первичной структуры миоглобина и ~-субъединицы

НЬА находятся хотя и различающиеся, но сходные

по своим' свойствам аминокислоты. а-Полипептид

также весьма сходен с миоглобином, хотя В нем со­

держится семь, а не восемь спиралей. Как и в мио­ глобине, гидрофобные остатки у него размещаются внутри структуры, а гидрофильные (опять-таки за исключением двух остатков гистидина)-на поверх­ ности; это в одинаковой мере свойственно и а-,

и ~-субъединицам.

Четвертичная структура гемоглобина А

Свойства индивидуальных гемоглобинов нераз­ рывно связаны с их четвертичной, равно как и вто­

ричной и третичной, структурами. Наиболее распро­

страненные гемоглобины имеют следующую тетра­

мерную структуру: НЬА (нормальный гемоглобин взрослого человека)-а2~2; HbF (фетальный гемо­ глобин)-а2У2; HbS (гемоглобин при серповидно­ клеточной анемии)-а2S2; НЬА2 (минорный гемо­ глобин взрослого человека)-а2О2. Четвертичная

структура наделяет гемоглобин дополнительными

важными особенностями (отсутствующими у мио­

глобина), которые способствуют выполнению гемо­

глобином его уникальной биологической функции

и обеспечивают возможность строгой регуляции его

свойств. Гемоглобин обладает аллостерическими свойствами (от треч. аллос- другой, стерос­

место, пространство), и на его примере можно луч­

ше понять свойства других аллостерических белков.

Кинетика оксигенирования гемоглобина

Гемоглобин связывает четыре молекулы кисло­

рода на тетрамер (по одной на гем в каждой субъе­

динице); особенно важным отличием его от миогло­ бина является характерная кривая насыщения кисло­

родом, которая имеет сигмоидную форму (рис. 6.8).

Таким образом, способность гемоглобина связы-

Рис. 6.8. Кривые еВЯlывания кие.1()рода гемог:юбином и ~ИОг.10бином. ПарниаJlьное давление КИС.l0рода в арте­

риальной крови еостаВ:lяет около ЮО М:\1 р1. СТ.• В венозной

крови - ОКО.10 40 :\1:\1 рт. СТ., В капиллярах кровеносных со­ судов активной МЫllЩЫ - ОКО.10 20 мм рг. ст.; минима.1Ь­

ное давление, необходимое .1.1Я ФУНКJlИОНl1рования фермен­

тов шпохромной сисгемы. равно..., 5 мм рТ. СТ. И'J рисунка видно. Чl·0 ассоциаЦIIЯ цеllей с образованием теграмерной

структуры приводит к существенному повышению Jффек­

тивноети снабжения тканей кислородом по .сравнению

с мономерными белками. (Иl0J1ированные цепи гемогло­

бина об.1адают примерно таким же сродством к кислороду. что и :\1иог.10бин. И характеризуются ilHa.1or ичной гипсрбо­

.1ическоЙ кривой насыщения.) (Из работы Stanhury J. В..

\Vyngaarden J. В., Fredrickson О. S. (editors): The Metabolic Basis ol'lnherited Diseases. 4th ed. МсGгаw-НilI. 1978, с изме-

нениями.)

вать 02 зависит от Toro, содержатся ли в данном те­

трамере другие молекулы 02' Если да, то последую­ щие молекулы 02 присоединяются легче. Следова­

тельно, для гемоглобина характерна кинетика коо­ перативного связывания, благодаря которой он

связывает максимальное количество 02 в легких и отдает макс~мальное количество 02 при тех Р02'

которые имеют место в периферических тканях. Сравните, например, какие количества кислорода связываются гемоглобином и миоглобином в лег­

ких, при Ро = 100 мм рт. СТ., И какие в тканях, при РО = 20 мм2 Iрт. ст. (рис. 6.8).

2Сродство гемоглобинов к 02 характеризуется ве-

личиной Рso - значением Ро ' при котором иаблюдае­

тся полуиасыщение гемоглОбина кислородом. Значе­

ние Рso У разных организмов существенно различае­ тся, но во всех случаях оно превышает значение ров

2

периферических тканях рассматриваемого организ-

ма. Это хорошо иллюстрирует фетальный гемогло­ бин человека (HBF). ДЛЯ НЬА Рso = 26 мм. рт. СТ.,

а дЛЯ HBF Pso = 20 мм рт. СТ. Благодаря этой разни­

це гемоглобин F отбирает кислород у НЬА, находя­

щегося в плацентарной крови. Однако после рож­ дения ребенка HBF утрачивает свою функцию; обла­

дая более высоким сродством к 02' он высвобожда­

ет меньшее его количество в тканях.

а/Р-пары, что приводит к компактизации тетрамера и повышению сродства гемов к 02 (рис. 6.1 О и 6.11).

Четвертичная структура частично оксигенирован­ ного feMorлобина описывается как Т-состояние (от англ. tаut-напряжение); полностью оксигенирован­

ному гемоглобину (НЬ02) отвечает R-состояние (re-

/ахеd-релаксированное) (рис. 6.12). Термины R- и Т-состояния используют для характеристики чет­

вертичной структуры аллостерических ферментов;

меньшим сродством к субстрату обладает Т­

состояние.

Конформационные изменения в окружении

гемогруппы

Оксигенирование гемоглобина, как и миоглоби­

на, сопровождается структурными изменениями

в окружении гемогруппы. При оксигенировании

атом железа, который в дезоксигемоглобине высту­

пал на 0,06 нм из плоскости гемового кольца, втяги­ вается в эту плоскость (рис. 6.13). Вслед за атомом

железа ближе к гему перемещается и проксимальный

I

I

i

J

I

Рис. 6.9. Солевые связи между субъединицами в дезоксиге­ моглобине. При оксигенировании-эти нековалентные связи. обусловленные электростатическими взаимодействиями.

разрушаются. (Из книги Stryer L.: Biochemistry, 2nd ed .•

Freeman. 1981. с изменениями.)

гистидин (F8), а также связанные с ним соседние

остатки.

Транспорт двуокиси углерода

Гемоглобин не только переносит кислород от легких к периферическим тканям, но и ускоряет

транспорт COz от тканей к легким. Гемоглобин

связывает С02 сразу после высвобождения кислоро­

да; примерно 15% С02, присутствующего в крови,

переносится молекулами гемоглобина. Находя­

щаяся в эритроцитах карбоангидраза катализирует

превращение поступающего из тканей С02 в уголь­

ную кислоту (рис. 6.14). Угольная кислота быстро диссоциирует на бикарбонат-ион и протон, причем

равновесие сдвинуто в сторону диссоциации. Для

Дезокеи

(Т-ijюрма)

Рис. 6.11. Изменения. происходяш.ие в оБЛdСТИ ul,f32-KOH-

такта при оксигенировании. Контакт как бы «переека­

киваеп) с одного зубца на другой, с заменой одной водо­ родной связи на другую. Остальные связи образованы не­

полярными остатками. (Из работы Perutz М. F.: Molecular

p<lthology оfhuтап hemoglobin_ Stereochemical interpretation of аЬпогтаl oxygen affinities_ Nalure 1971 :232:408, с любезно-

го разрешения.)

ГИСТИ4ИН F8

F-i;пиралЬ.... N

'с"'-

11 ~H

o~::::e;:O:eHJC_N\fe

@ Плоскост..

___поРФири-

Н08oro

Рис. 6.13. При оксигенировании диаметр координационной сферы атома железа становится меньше, и он втягивается в плоскость гема_ Вместе с атомом железа смещается ги­

стидин F8_ (Из книги Stryer L: Biochemistry, 2nd ed., Free-

тап. 1981, с некоторыми изменениями.)

кислота

+====~. нсоз + н+

СdМОПРОИJВОЛЫIO

Рис. 6.14. Образование УГОЛЬНОЙ кислрты В ходе реакции,

катаЛИlируемой карбоангидразой эритроцитов, и ее диссо­ llиаllИЯ на бикарбонат-ион и протон.

предотвращения опасного повышения кислотности

крови должна существовать буферная система, спо­

собная поглощать избыток протонов. Гемоглобин

связывает два протона на каждые четыре освободив­ шиеея молекулы кислорода и определяет буферную емкость крови (рис. 6.15). В легких идет обратный

процесс: присоединение кислорода к дезоксигемогло­

бину сопровождается высвобождением протонов, ко­ торые СВЯЗЬ.Jваются с бикарбонат-ионами, переводя их в угольную кислоту. Далее эффективно действую­

щая карбоангидраза катализирует превращение

угольной кислоты в углекислый газ, выдыхаемый из легких. Таким образом, связывание кислорода тесно

сопряжено с выдыханием COZ• Это обратимое явле­

ние известно как эффект Бора. Эффект Бора является свойством TeTpaMepHoro гемоглобина и определяе­ тся гем-гемоВbIМ взаимодействием, лежащим в осно-

Удаляется вместе с

rBIoIAbIxaeMIoIM воздухом

2С02 + 2Н2О

111r-17:~~:-:~:"J!':"::":a:::::-:;:-J-1

2H2COJ

r'"'I"7"~~--.

Легкие

Рис. b.15. Эффект Бора. Двуокись углерода, образовав­ шаяся в ПСРllфсрических тканях, реагирует с водой, образуя

угольную кислоту. которая диссоциирует на бикарбонат­

ион и протон. Дезоксигенированный гемоглобин выпол­ няет роль буфера -- он связывает протоны и ПОСПlВЛ>lет их в ле,·кие. В сlегких связывание гемоглобином кислорода со­

провождается высвобождением протонов из геМОГ.:юбина.

Протоны соединяются с бикарбонат-ионом, обра'JУЯ уголь­

ную кислоту. которая при участии карбоангидразы превра­

щается в дв}окись углерода и воду. Двуокись углерода

(углекислый газ) удалчется из легких с выдыхаемым возду-

хом.

ве кооперативных эффектов. У миоглобина эффект Бора не обнаруживается.

Молек~·лярная основа эффекта Бора

Протоны, ответственные за эффект Бора, высво­

бождаются в результате разрушения солевых мости­

ков, которым сопровождается связывание кислоро­

да с Т-структурой; они отсоединяются от атомов азота остатков гистидина (146) в ~-цепях. Эти прото­ ны сдвигают равновесие в сторону образования угольной кислоты, которая расщепляется карбо­

ангидразой с образованием CO~ (рис. 6.15).

НаоБОРОl. при высвобождении кислорода вновь

формируется Т-структура с присущими ей солевыми

мостиками, при образовании которых происходит присоединение протонов к остаткам гистидина в ~­

цепях. Таким образом. в периферических тканях про­

тоны благоприятствуют образованию солевых мо­

стиков путем протонирования (по атому азота) кон­

цевых остатков гистидина в ~-субъединицах. Обра­ зование солевых мостиков форсирует освобождение кислорода из окситенированной R-формы гемогло­

бина. Итак. повышение концентрации протонов спо­

собствует освобождению кислорода, а повышение кон':'

центрации кислорода стимулирует высвобождение

протонов. Первый из этих эффектов проявляется

в сдвиге кривой диссоциации кислорода вправо при

повышении концентрации ионов водорода (прото­

нов).

Регуляция 2,З-бисфосфоглицератом

Недостаток кислорода в периферических тканях

приводит к накоплению 2,З-бисфосфоглицерата (ди­

фосфоглицерата, ДФГ) (рис. 6.16). Это соединение

образуется из l,З-бисфосфоглицерата. промежуточ­

ного продукта гликолиза. Тетрамер гемоглобина связывает одну молекулу ДФГ. которая размеща­ ется в центральной полости, выстланной остатками всех четырех субъединиц. Объем этой полости доста­ точен для размещения ДФГ только в том случае,

когда молекула гемоглобина находится в Т-форме

и образуется достаточно широкий просвет между Н-

р

-о" \\

о

Рис. 6.16. Стр}ктура 2.3-бисфосфоглицерага.