Функциональная роль четвертичной структуры гемоглобина

В общей сложности при переходе от дезоксигемоглобина к полностью оксигенированной, насыщенной кислородом молекуле утрачивается восемь ионных связей как внутри субъединиц, так и между ними, причем затрагиваются относи­тельно слабые контакты a1— a2 и в1—в2. Ослабление последних приводит к ре­лаксации молекулы гемоглобина и дает возможность ее половинам a—в-димерам — изменить свою ориентацию друг относительно друга. Это смещение достигает 7 А; при этом наиболее прочный контакт a1—в1 практически не затра­гивается.

Перемещение димеров а— в происходит как бы скачком, так как суще­ствует два способа организации нековалёнтных взаимодействий на контакте а1—в2. Его поверхность можно огрубление представить в виде ласточкина хвоста , причем в одной (дезокси- или Т) (форме относительное расположение субъединиц стабилизируется, в частности водородной свя­зью между ТугС7 а1 -субъединицы и карбоксилом AspGl субъединицы в2. При переходе в оксиформу эта связь утрачивается, зато карбоксильная группа AspGl а1-субъединицы, оказавшись в стерически благоприятном положе­нии после перемещения димеров друг относительно друга, дает водород­ную связь с AsnG4 субъединицы в2. Таким образом, контакт а1— в2 работает как своеобразный переключатель, способный принимать одно из двух состояний в зависимости от того, присоединился или нет кислород к соответствующим субъединицам.

Итак, присоединение молекулы кислорода к субъединице гемоглобина вызывает целую последовательность структурных изменений, распространяющихся от тема к периферии глобулы и смещающих ионизованные группы на ее поверх­ности. Речь идет о типичном для третичной структуры белка явлении — передаче эффекта на значительные расстояния. Если бы такой эффект оставался только в рамках третичной структуры, его вклад был бы не столь значительным. Однако в гемоглобине он приводит к изменению ионных взаимодействий в слабом контак­те между субъединицами, изменяя его и способствуя кооперативному переходу чет­вертичной структуры в иное состояние.

Следовательно, изменения, происшедшие в одной из субъединиц при присоединении кислорода, могут быть переданы на остальные субъединицы, которым будет выгодно изменить конформацию так, чтобы их третичная струк­тура соответствовала переминовавшейся четвертичной, а значит, стала бы благоприятной для присоединения молекул кислорода. Понятно, что такая перестройка четвертичной структуры, ее переход из свойственной дезоксигемоглобину Т формы в характерную для оксигемоглобина релаксированную R-форму маловероятны (хотя в какой-то мере и возможны), если молекула кислорода присоединилась только к одной того, необходимость описанных противоречащих Т-структуре из четырех субъединиц. Более изменений третичной структуры гемоглобина, препятствует, присоедине­нию первой молекулы кислорода и благоприятствует ее отщеплению.

Рис. Переход а1/в2-контакта при оксигенировании гемоглобина

Контакт; имеющий форму «ласточкина хвоста», при оксигенировании и переходе молекулы из Т- в R- состояние может также находиться в одном из двух состояний. Утрата водородной связи Туг C7—Asp G1 между а1- и в2-субъединищми компенсируется установлением свя­зи между Asp Gl и Asр G4

Следовательно, присоединение первой и в меньшей мере второй молекулы кис­лорода будет протекать с трудом. Для него потребуется заметно большее парциаль­ное давление кислорода, чем для насы­щения миоглобина, где таких задержек нет. Действительно, этот процесс — на­чало насыщения гемоглобина кислоро­дом — происходит в альвеолах легких, где парциальное давление кислорода велико.

Очень важно, что после присоединения двух молекул кислорода к гемоглобину четвертичная структура с примерно с равной вероятностью может оказаться как в Т-, так и в R-форме. Последняя способствует присоединению третьей молекулы ки­слорода, после которого вероятность перехода всей структуры, в том числе и четвер­той субъединицы, пока не «заряженной» кислородом, в структуру, облегчающую присоединение к ней кислорода, становится весьма высокой. Это ведет к востро­му завершению процесса насыщения всей тетрамерной молекулы кислородом. Та­ким образом, присоединение кислорода к гемоглобину, будучи кооперативным процессом, как бы следует принципу «отдай имеющему», что обеспечивает полноту «нагрузки» молекул-переносчиков кислородом в легких.

В тканях первая молекула кислорода отщепляется с определенными затруд­нениями, так как это требует изменений в контакте субъединиц, противоречащих свойственной оксигемоглобину четвертичной структуре. Однако эти затруднения пре­одолеваются благодаря низкому парциальному давлению кислорода, которое де­лает обратную реакцию маловероятной.

Отщепление последующих молекул кисло­рода облегчается с каждым шагом, что приводит к полной «разгрузке» транспорт­ной молекулы. Так, кооперативность обеспечивает эффективный перенос кислоро­да от легких к тканям. Как полагают физиологи, в отсутствие кооперативных эф­фектов, например, если бы эритроциты содержали миоглобин вместо гемоглоби­на, животные погибали бы от кислородной недостаточности в тканях.

2,3-Дифосфоглицерат—эффектор, регулирующий функцию гемоглобина

Очевидно, что кооперативность присоединения и отщепления кислорода гемоглобином зависит от того, насколько легок или, наоборот, труден координи­рованный переход четвертичной структуры из Т- в R-состояние. Оказалось, что 2,3- дифосфоглицерат, содержащийся в эритроцитах, способен избирательно взаимо­действовать с дезоксигемоглобином, стабилизируя его четвертичную структуру (Т- форму). 2,3-Дифосфоглицерат несет пять отрицательных зарядов, которые могут быть распределены между восемью атомами кислорода. Его молекула связывается во впадине, образованной обеими Р-субъединицами, где она взаимодействует сразу с семью катионными группами этих цепей. Это а-аминогруппы N-концевых Val- 1, имидазольные кольца His-2 и His-143 обеих а-субъединиц, а также амино­группа остатка Lys-82 какой-либо одной из них .

Стабилизация дезоксиформы понижает сродство к кислороду гемоглобина, образовавшего комплекс с 2,3-дифосфоглицератом. В отсутствие эффектора 2,3-дифосфоглицерата — гемоглобин А взрослого человека насыщается кислоро­дом на 50% при 12 мм рт.ст., в присутствии же дифосфоглицерата для 50%-ного насыщения гемоглобина кислородом необходимо уже его парциальное давление, равное 50 мм. рт.ст. 2,3-Дифосфоглицерат — соединение, структурно ничего об­щего не имеющее с кислородом и связывающееся участком гемоглобина, дале­ким от места присоединения кислорода. Тем не менее ,оно существенно влияет на взаимодействие кислорода и гемоглобина. Обладающие такой способностью со­единения, которым принадлежит большая роль в регули ровании функции белков в организме, получили название аллостерических струк­турно далеких эффекторов. Важно отметить, что сама возможность такого воздействия эффектора на структурно удаленный функциональный центр белка ос­нована на способности четвертичной структуры отвечать на относительно слабые воздействия.

Изменения зоны связывания 2,3-дифосфоглицерата способны значитель­но влиять на сродство гемоглобина к кислороду. Так, в в-цепях гемоглобина юж­ноамериканской ламы, живущей на больших высотах и нуждающейся в адаптации к пониженному парциальному давлению кислорода, остатки His-2 заменены ос­татками аспарагина, которые не несут катионной группы и не могут участвовать в связывании 2,3-дифосфоглицерата. Как следствие, дезоксиформа гемоглобина ламы оказывается менее стабилизированной и сродство к кислороду повышается. 50%-ное насыщение гемоглобина ламы наступает уже при парциальном давлении кислорода, равном 24 мм рт.ст. Функциональный смысл такой замены вполне очевиден, тем более что у одногорбого верблюда (эволюционного предка ламы), живущего на равнине, место связывания 2,3-дифосфоглицерата представлено се­мью катионными группами, включая и остатки His-2 в-цепей.

Гемоглобин F плода человека (феталъный) синтезируется только во время беременности и должен обеспечивать перенос кислорода от плаценты, где его пар­циальное давление составляет всего около 12 мм рт.ст., к тканям плода (по выра­жению физиологов, «плод дышит на высоте Эвереста»). Понятно, что гемоглобин F должен обладать большим сродством к кислороду, чем гемоглобин взрослого человека. Это также достигается за счет замены His-143 в P-цепи гемоглобина F на серин, что ослабляет связывание 2,3-дифосфоглицерата и уменьшает стабили­зацию дезоксиформы гемоглобина.

Рис. Связывание дифосфоглицерата (DPG) с катионными группами Р-субъединиц гемоглобина

Электростатические взаимодействия анионных групп 2,3-дифосфоглицерата с ка­тионными группами дезоксигемоглобина (заштрихованы) существенно усиливают контакт между субъединицами, прежде всего очень слабый в1в2 контакт. Стабили­зация дезоксиформы эквивалентна понижению сродства к кислороду. Сродство мо­жет быть повышено у гемоглобинов, способных связывать кислород при низком пар­циальном давлении, за счет ослабления взаимодействия с эффектором. Так, в гемо­глобине ламы связывание ослаблено заменой His-2 на Asр-2, в гемоглобине F (плода), заменой His-143 на Ser-143, что уменьшает число катионных групп белка, взаимо­действующих с анионными группировками эффектора