Гемоглобин

Все гемоглобины млекопитающих имеют четвертичную структуру и состоит из четырех субъединиц. Практически всегда это две пары одинаковых субъеди­ниц, так что гемоглобины стехиометрически могут быть представлены формула­ми вида а₂ b₂ , a₂ g₂ , a₂ d₂ и т.д. Пептидные цепи, соответствующие субъединицам гемоглобинов, обнаруживают сходство первичных структур, являются гомологич­ными. Так, при сравнении первичных структур а- и в-цепей гемоглобина А чело­века, которые состоят соответственно из 141 и 147 аминокислот, совпадает около половины остатков. Гомология выявляется и при сравнении последовательно­стей гемоглобинов и миоглобинов, хотя она менее выражена.

В то же время третичная структура и способ укладывания полипептидных цепей в пространстве у миоглобинов и субъединиц гемоглобинов весьма близки, что отражает их эволюционное родство, происхождение от одного пред­шественника:. Таким образом, субъединицы гемоглобина построены почти так же, как описанная выше молекула миоглобина: а-субъединица образована семью, в — восемью а-спиралями. Присоединение молекулы кислорода к субъединицам гемоглобина, каждая из которых содержит гем, в первом приближении протекает так же, как и при насыщении миоглобина.

Главное различие функциональных свойств миоглобина и гемоглобина состоит в том, что четвертичная структура сообщает молекуле гемоглобина способ­ность регулировать присоединение и отщепление кислорода, придает ей коопера­тивные свойства, которых лишен миоглобин. С учетом этого дальнейшее рассмот­рение свойств гемоглобина будет посвящено анализу четвертичной структуры этого белка и ее функциональной роли.

Четвертичная структура гемоглобина

В четвертичной структуре гемоглобина субъединицы образуют тетраэдр, стабилизированный межсубъединичными контактами—системой нековалентных связей. Эти контакты, на которые приходится в общей сложности примерно 1/5 для всей поверхности четырех субъединиц, весьма различны по числу нековалент­ных взаимодействий и, следовательно, по прочности . Наиболее развит и наиболее устойчив контакт между а-субъединицей и одной из в-субъединиц — так называемый контакт а1 — в1. В его образовании участвует 34 аминокислот­ных остатка, 110 атомов сближены в нем на расстояние, меньшее 4 А. Если при­нять общую площадь межсубъединичных контактов за 100%, то на контакт а1 — в1 и идентичный ему а2 — в2 придется 60%, что отвечает весьма сложной сети по преимуществу гидрофобных взаимодействий и нескольких водородных связей. Кон­такт той же а1 -субъединицы с другой а-субъединицей, так называемый контакт а1 — в2, выглядит иначе, так как его образуют другие участники поверхности глобул.

Рис. Модель четвертичной структуры гемоглобина

Диски, помеченные буквой Н, - гемы. Видны контакты а1/в2 и а2/в1 Показано, что слабый контакт а1в2 зависит от взаимодей­ствия N-концевых остатков валина и С-концевых—аргинина

В его формировании участвует 19 остатков аминокислот, образующих гидрофобные контакты и водородные связи. На его долю (вместе с таким же контак­том а2—в1) приходится 33% общей поверхности межсубъединичных контактов. Как следствие, он значительно слабее контакта а1 —в1.

Еще слабее контакты между одноименными субъединицами а1— а2 и в1— в2, которые, представлены немногими, преимущественно ионными, взаимодей­ствиями. На них приходится около 7% общей поверхности контактов, стабили­зирующих четвертичную структуру. Таким образом, два контакта, т.е. а1 —в1 и а2—в2, доминируют в структуре молекулы гемоглобина. В определенных усло­виях, например в 2М NaCl, гемоглобин диссоциирует на димеры а1—в1, сохраняющиеся благодаря прочному контакту а1—в1. Практически четвертичная структура гемоглобина как бы образована двумя относительно жестко связан­ными димерами а— в, которые удерживаются вместе более слабыми взаимодействия ( димер димеров)

Рис. Поворот и смещение а /р-димеров в четвертичной структуре гемогло­бина друг относительно друга при пе­реводе белка из дезокси- в оксиформу

Поворот составляет примерно 15°, смещение - 0,8 А. Димеры фиксируются в новой пози­ции за счет изменений контакта а1в2

В определенных условиях взаиморасположение димеров может изменяться за счет изменения характера менее прочных контактов a1— в2 и особенно a1—a2 и в1—в2. Не следует думать, что слабые контакты между субъединицами, не слиш­ком значимые для поддержания целостности молекулы, не важны функциональ­но. Наоборот, именно сочетание слабых и сильных взаимодействий обусловли­вает кооперативностъ четвертичной структуры гемоглобина, что, по-видимо­му, характерно и для многих других белков, обладающих этим уровнем организа­ции.

Как показал рентгеноструктурный анализ, четвертичная структура молекулы гемоглобина может находиться в одном из двух состояний, отличающихся поворотом димеров a— в друг относительно друга, Одно из них устой­чиво, если субъединицы насыщены кислородом и молекула гемоглобина содер­жит четыре молекулы кислорода, — оксигемоглобин. Другое стабильно, если субъ­единицы кислорода не содержат, дезоксигемоглобин. Промежуточные формы неустойчивы, их содержание в любой момент времени невелико. Существованию двух взаимопревращающихся форм четвертичной структуры гемоглобин и обязан кооперативностью связывания и отщепления кислорода, а также рядом других функционально важных свойств.