Биохимия гемоглобина

Потребление атмосферного кислорода организмами теплокровных животных – важнейший биохимический процесс – осуществляется с помощью порфиринсодержащих белков – гемоглобина и миоглобина. Гемоглобин эритроцитов обеспечивает обратимое связывание и транспорт кислорода от лёгких во все органы живых существ. В нём молекула протеина (белка) связана с четырьмя молекулами комплекса Fe (II) с протопорфирином. Этот комплекс получил название гема крови. Аминокислоты расположены в глобине в виде четырех полипептидных цепочек; две из них идентичны по структуре, и их обозначают как α-цепочки; две другие тоже идентичны между собой и их обозначают как β-цепочки. Следовательно, формулу глобина можно выразить как α2β2. α-полипептидная цепь состоит из 141, β-полипептидная цепь - из 146 аминокислот. α-полипептидная цепь заканчивается комбинацией аминокислот валина-лейцина, а β-полипептидная цепь - комбинацией валина-гистидина-лейцина. α и β полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле не расположены линейно, по причине существования интрамолекулярных сил, полипептидные цепи скручиваются в форме типичной для белков α-геликсовой спирали ("вторичная структура"). Сама α-геликсовая спираль на каждую α- и β-полипептидную цепь огибается пространственно, образуя сплетения овоидной формы ("третичная структура"). Отдельные части α-геликсовых спиралей полипептидных цепей отмечают латинскими буквами от А до Н. Все четыре третично изогнутые α- и β-полипептидные цепи располагаются пространственно в определенном соотношении ("кватернерная структура, они связаны между собой не настоящими химическими связями, а межмолекулярными силами.

Четыре гема гемоглобиновой молекулы расположены в форме дисков меду складками четырех α-, соответственно β-полипептидных цепей, причем каждый гем связан с одной полипептидной цепью посредством координационной связи между Fe++-атомом гема и гистидиновым остатком полипептидной цепи. Комплекс, составленный из одного гема и одной α-, респ. β-полипептидной цепи, называется Сведберговой единицей. Очевидно, гемоглобиновая молекула состоит из четырех Сведберговых единиц. В настоящее время принято считать, что молекулярный вес гемоглобина равен 64458, т.е. на один атом железа, соответственно приблизительно на Сведбергову единицу полагается по 16115.

Кроме координационной связи, существующей между полипептидными цепями глобина, Fe++ атом гема располагает еще тремя координационными связями. Две из них связаны двумя азотными атомами порфиринового кольца, а третья, в среде с низким парциальным давлением кислорода (венозная кровь), связана с одной молекулой воды ( редуцированный гемоглобин ). В среде с высоким парциальным давлением кислорода (артериальная кровь), третья координационная связь соединена с одной

молекулой кислорода, причем получается соединение -

оксигемоглобин . Путем непрерывного превращения оксигемоглобина

в редуцированный гемоглобин и обратно, осуществляется перенос

кислорода из легких к тканям.

Гем встраивается в структуру протеина гемоглобина таким образом, что оказывается сильно экранированным его аминокислотными остатками. Каждая молекула гема связывается с белком карбоксильными группами остатков пропионовой кислоты за счёт кислотно-основного взаимодействия с концевыми аминогруппами белка:

Белок

(СН₂)₂ - СООН

H₂N

+

Белок

СН₂- СН₂-С-О^{- +}NH₃

Гем

СН₂- СН₂-С-О^{- +}NH₃

H₂N

(СН₂)₂ - СООН

Гем

Протопорфирин Fe(II)

(гем крови Fe ПП)

Протопорфирин (Н₂ПП)

Электростатическая связь карбоксильных и аммонийных группировок в определенных условиях легко разрушается и гем может быть также легко отделен от протеина. Гем располагается в полости между спиралями белковой молекулы, называемой «карманом». Атом Fe(II) в составе гема, будучи отделен от белка, почти мгновенно окисляется до Fe(III) и тотчас теряет все функции гема.

Если окисление происходит в присутствии Cl^- , то образуется гемин:

FeПП + О₂ (Cl) FeПП

Гем Гемин

В гемоглобине атом Fe(II) предохраняется от окисления до Fe(III) экранирующим влиянием молекулы белка, которая не позволяет крупным реагентам проникать к атому Fe(II) и не допускает реализации довольно сложного механизма окисления FeПП в (Cl)FeПП.

В гемоглобине атом Fe(II)прикрыт (экранирован) в полости молекулы гема атомами макроцикла, а сверху и снизу – остатками имидазола (Im) аминокислотного фрагмента гистидин (His), находящегося в составе молекулы белка. Один из имидазолов Im₁ образует донорно-акцепторную связь с железом, а второй Im₂ находится на значительном удалении от железа и не координирован с ним. Второй имидазол «бережет» шестое координационное место во внутренней координационной сфере железа (II) для молекулы О_{2 ,} не допуская к нему никаких молекул, даже Н₂О. сам химизм обратимого связывания кислорода прост:

Белок (Im) FeПП + О₂ Белок (Im)Fe(О₂)ПП

Гемоглобин Оксигемоглобин

Координационный узел атома железа гемоглобина Fe(N)₄(Im) представляет квадратную пирамиду с основанием из четырех атомов азота (N₄) порфирина над которым находится Fe на удалении 0,075нм от них. При этом Fe(II) находится в высокоcпиновом состоянии (четыре неспаренных электрона с суммарным спином s=2). Присоединяя кислород, комплекс в оксигемоглобине переходит в искаженный октаэдр Fe(N)₄(Im)(О₂) с низкоспиновым состоянием железа (s=0).

В процессе обратимого связывания кислорода происходит передача электронной плотности от имидазола (донор электронов) к О₂ (акцептор электронов) через посредство заполненных d_π-орбиталей – низкоспинового атома железа (II). В комплексе (Im)Fe(О₂)ПП атом железа втягивается в полость порфирина и оказывается в центре плоскости MN₄. Молекула О₂, связанная одним концом с атомом железа, стабилизируется за счёт связывания её другого конца второй имидазольной группой белка с помощью водородной связи O---NH.

Механизм связывания О₂ гемоглобином состоит в том, что одновременная координация Im и О₂ переводит Fe(II) в возбужденное состояние. В возбужденном Fe(II) имеется 6 вакантных орбиталей гибридного d²sp³-типа, которые образуют шесть донорно-акцепторных σ-связей: 5 с атомами азота и одну с φ_n – орбиталью молекулы кислорода. Возникающая σ-связь Fe О₂ объясняет тот факт, что молекула связанного О₂ образует с плоскостью xy угол 120°. Теперь заполненные d²_yz - d²_xz – орбитали могут перекрываться с вакантной π-орбиталью молекулы кислорода. Таким образом, электронная конфигурация Fe(II) оказалась самой подходящей для обратимого связывания О₂.

Нельзя забывать о том, что связывание О₂ гемоглобином является ферментативным процессом. При этом ферментом может выступать белок самого гемоглобина. Тем не менее имеются, вероятно, ферменты, которые изменяют конформацию молекул белка в гемоглобине, вызывают освобождение молекул связанного О₂ в капиллярах и его проникновение в клетки. Кроме О₂ гемоглобин на атоме Fe(II)может связывать СО. Поскольку возникает связь прочнее, чем с О₂ , то СО является при высоких концентрациях смертельным ядом. Карбоксигемоглобин (Im)Fe(СО)ПП медленно диссоциирует в легких под действием О₂ :

О₂

(Im)Fe(СО)ПП (Im)Fe(О₂)ПП + СО

СО