ГБОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития России

Кафедра биохимии

Реферат

Особенности функционирования олигомерных белков.

Выполнил: студент 14 группы,

1 курса, лечебного факультета

Бербенцев В.В.

Волгоград-2012 г.

Содержание

Введение…………………………..…………………………………………....2

2.Глобины…….….…………………………………………...……………………3

3. Миоглобулин …………………………………………………………………..4

4.Гемоглобин……………………......................................................................…..8

5.Четвертичная структура гемоглобина................................................................8

6. Присоединение кислорода к гемоглобину и сопровождающие его изменения третичной структуры …………………………………………...….11

7. Функциональная роль четвертичной структуры гемоглобина…………….14

8. 2,3-Дифосфоглицерат—эффектор, регулирующий функцию гемоглобина……………………………………………………………………..17

9. Участие гемоглобина в транспорте СО₂ и ионов водорода……………….19

Список литературы………………………………………………………….21

Введение

Олигомерные белки проявляют свойства, отсутствующие у мономерных белков. Влияние четвертичной структуры на функционирование свойства белка можно рассмотреть, сравнивая строение и функции двух родственных гемсодержащих белков: миоглобулина и гемоглобина. Оба белка имеют общее эволюционное происхождение , сходную конформацию полипептидных цепей и сходную функцию( участвуют в транспорте кислорода), но миоглобулин – мономерный белок, а гемоглобин – тетрамер. Наличие четвертичной структуры у гемоглобина придаёт этому белку свойства, отсутствующие у миоглобулина.

Глобины

Глобины—семейство эволюционно родственных белков, которые способны об­ратимо связывать кислород и обеспечивают его хранение и транспорт в биологических системах.

Глобины широко распространены в мире животных. Глобины принадлежат к так называемым сложным белкам и содержат характер­ный небелковый компонент простетическую группу) — гем, представляющий со­бой комплекс двухвалентного железа и порфирина:

Гем играет ключевую роль в функционировании глобинов, так как именно к нему, точнее — к включенному в его структуру иону двухвалентного железа, при­соединяется молекула кислорода.

Особенность глобинов состоит в том, что в норме связывание молекулы кислорода не вызывает окисления железа до трехвалентного. Функциональный смысл этой особенности понятен — окисление привело бы к расходованию кислорода и сделало бы невозможным его транспорт и хранение. Таким образом, при анализе строения этих белков следует уделить главное внимание способу связывания кислорода и молекулярным механизмам, которые позволяют управ­лять его соединением и отщеплением.

Существует два главных типа глобинов: миоглобин, содержащийся в мышцах и обеспечивающий хранение кислорода, и гемоглобин — белок, сосредоточенный в эритроцитах и ответственный за перенос кровью кислорода от легких к тканям. Изучение строения и функциональных свойств глобинов, в котором особо важная роль принадлежит рентгеноструктурным исследованиям М.Перутца, Дж.Кендрью и их сотрудников, оказало большое влияние на формирование современных представлений о структуре, функции и эволюции белков.

Миоглобин

Миоглобин и субъединицы гемоглобина имеют очень близкую третичную структуру, их пептидные цепи свернуты в пространстве сходным образом. Вполне определенное, хотя и заметно меньшее, сходство обнаруживают и их первичные структуры. В то же время миоглобин лишен четвертичной структуры и его функ­ция ограничивается только хранением кислорода. Таким образом, миоглобин — более простой белок, более древний, чем гемоглобин.

Пептидная цепь миоглобина млекопитающих состоит из 153 амино­кислотных остатков. Сравнение первичных структур миоглобинов 24 видов жи­вотных показывает, что 82 положения во всех этих белках занимают одни и те же аминокислоты. Следовательно, примерно половина остатков в указанной вы­борке миоглобинов неизменна, инвариантна, другие же остатки могут заменять­ся, что, однако, практически, не отражается на укладке полипептидной цепи, ее третичной структуре. Впрочем, многие из замен не изменяют существенным образом химической природы данного остатка — гидрофильные аминокислоты заменяются гидрофильными, гидрофобные — гидрофобными, т.е. наблюдаются по преимуществу так называемые консервативные замены.

Миоглобин, как и другие глобины, — четко выраженный а-спиральный белок . Его пространственная структура образована восемью а-спиралями, последовательно обозначаемыми буквами от А до Н (от аминного к карбоксильному концу цепи). В а-спиралях содержится 75% всех аминокислотных остатков, осталь­ные приходятся на повороты и неупорядоченные концевые остатки пептидной цепи. Не спиральные участки обозначают двумя буквами, соответствующими спиралям, между которыми расположен поворот, или спирали и аминному (N) либо карбок­сильному (С) концу пептидной цепи. Например, НС соответствует участку между последней спиралью Н и С-концевой аминокислотой. Для аминокислотных остат­ков миоглобина принято указывать буквенное обозначение а-спирали, в которой данный остаток находится, и его порядковый номер в ней.

Около 30 аминокислотных остатков, точнее их боковые цепи, образуют внутреннее гидрофобное ядро миоглобина, стабилизирующее его пространст­венную структуру. Ядро, в котором можно выделить три сегмента, или «кластера», содержит остатки валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и аланина. Упа­ковка боковых цепей этих аминокислот в кластерах достаточно плотна и в то же время допускает опреленную свободу их движения друг относительно друга. В од­ном из «кластеров есть впадина, достаточная, например, для размещения, атома ксенона.

Рис. Пространственная структура миоглобина

Показаны только С_а-атомы. Между спиралями E и F расположен гем (указан стрелкой). Близкую структуру имеют субъединицы гемоглобина

Кластеры объединяет в гидрофобное ядро планарная молекула гема, как бы вставленная внутрь структуры миоглобина. При этом с водой контактирует только ребро молекулы гема, погружной в белок, как в своего рода корзинку, образованную двумя а-спиралями (Е и F) и выстланную гидрофобными боковыми цепями аминокислот. Гем не имеет ковалентных связей с белком, удерживаясь ковалентными взаи­модействиями. Всего насчитывается 80 межатомных контактов между белком и гемом, что обеспечивает достаточно прочное удерживание последнего.

С обеих сторон плоскости гема, «над» и «под» атомом железа, располагаются имидазольные кольца двух остатков гистидина. Один из них, занимаю­щий восьмое положение в а-спирали F (His F8) и наиболее приближенный к ато­му железа, называют проксимальным. Атом азота его имидазольного кольца на­ходится в контакте с атомом железа, так что можно думать об образовании между ними ковалентной связи. Другой остаток гистидина, занимающий седьмое поло­жение в а-спирали Е (His E7), называют дистальным, так как он относительно удален от атома железа. Между последним и имидазольной группой, этого остатка есть свободное, пространство, в котором и размещается связываемая миоглобином молекула кислорода, причем один из ее атомов непосредственно подходит к железу, другой — к имидазолу His E7. Замена дистального гистидина глицином ухудшает связывание кислорода в 1000 раз.

Рис. Зона присоединения кислорода в миоглобине и субъединицах гемоглобинов

Находящийся в центре порфирина атом железа (Fе²+) связан с атомом азота имидазольного кольца проксимального гисти­дина F8. Молекула кислорода располагается при связывании между группой N-H имидазольного кольца дистального гис­тидина Е7 и атомом железа под углом к плоскости гема

В миоглобине некоторых моллюсков положение Е7 занято не гистидином, а валином, что также приводит к значительному понижению сродства к кислороду. Очевидно, что водородная связь, образуемая шидазольной группой дистального гис­тидина с кислородом, способствует связыванию последнего. Таким образом, вокруг двухвалентного железа гема пять координационных мест заняты атомами азота (четы­ре из них принадлежат порфирину, пятый — His F8), одно — кислородом.

Пространство, в котором связывается молекула кислорода, не имеет однако, постоянного выхода в окружающую миоглобин воду. Предполагают, что новые группы остатка His E7 и соседнего с Arg CD3 могут занимать несколько разных положе­ний, образуя своего рода «дверцу». Ее открытие позволяет молекуле кислорода подойти к гему. Неясно, «дожидается» ли кислород случайного открывания «двер­цы» в результате тепловых колебаний или как-то его индуцирует. Очевидно, что динамика молекулы миоглобина играет существую роль в его функции.

Рис. Кривые зависимости сте­пени насыщения кислородом миоглобина (1) и гемоглобина (2) в зависимости от парционального дав­ления кислорода

Напомним, что в нормальных условиях в миоглобине и других глобинах при присоединении кислорода окисления железа не наблюдается. Судя по модель­ным опытам, это как-то связано с окружением комплекса гем—кислород в гидрофобную среду, какой является окружение гема в глобинах. Если все же окис­ление происходит и железо переходит в трехвалентное состояние, то образуется так называемый ферримиоглобин, уже не способный функционировать. Место связывания кислорода в нем занято водой. Заметим, что ту же впадину между атомом железа и дистальным гестидином могут занимать и другие молекулы. Например, СО связывается с гемом примерно в 200 раз прочнее кислорода, лишая глобин возможности функционировать.

Кислород легко связывается миоглобином—полное насыщение белка достига­ется уже при парциальном давлении около 10 мм рт.ст., а 50 %-ное — при 1 мм рт.ст.. Таким образом, миоглобин хорошо приспособлен к хранению кислорода в мышцах, насыщаясь им уже при весьма низких парциальных давлениях, харак­терных для тканей. Однако он не мог бы обеспечить транспортной функции: насы­тившись кислородом в легких, он с трудом отдавал бы его в капиллярах. Эту зада­чу решает родственный миоглобину, но построенный более сложно белок— гемо­глобин.