Аллостерический белок гемоглобин в

ЧАСТЬ I. КОНФОРМАЦИЯ И ДИНАМИКА

ГЛАВА 4. ГЕМОГЛОБИН: АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ БЕЛОК

4.6. Клиническое значение биофосфоглицерата

Выявление роли БФГ в транспорте кислорода сыграло важную роль в нескольких областях клинической медицины. Так, например, на протяжении ряда лет оставалось непонятным, почему в крови, консервированной в среде кислота-цитрат-декстроза (общепринятая для консервирования крови среда), сродство к кислороду возрастает: Р50 становится равным 16 вместо 26 торр. Теперь установлено, что повышение сродства к кислороду обусловлено одновременным снижением содержания БФГ с 4,5 до менее чем 0,5 мМ за 10 дней хранения крови. Сродство консервированной крови к кислороду имеет крайне важное значение в клинических условиях. Если больному переливают большое количество крови с высоким сродством к кислороду, то возникает опасность недостаточного снабжения кислородом тканей. Попавшие в кровяное русло эритроциты, полностью лишенные БФГ, восстанавливают половину его нормального содержания за 24 ч. Этот срок может оказаться неприемлемым для тяжелых больных. Таким образом, в определенных условиях следует обращать внимание на то, чтобы при переливании крови больной получил эритроциты с нормальным сродством к кислороду. Добавлением БФГ нельзя повысить его содержание в эритроцитах, так как БФГ, обладая высоким зарядом, не проходит через клеточную мембрану. Можно, однако, предотвратить снижение концентрации БФГ в консервированных клетках, добавляя в среду инозин. Незаряженные молекулы инозина проходят через мембрану эритроцита и внутри клетки в результате сложной серии реакций (разд. 15.4) превращаются в БФГ. В настоящее время инозин широко используется для сохранения функциональной полноценности консервированной крови.

Открытие роли БФГ позволило также понять и некоторые адаптивные механизмы, включающиеся при нарушении снабжения тканей кислородом (т.е. при гипоксии). Возьмем для примера больных с тяжелой обструктивной эмфиземой легких. При этом заболевании затруднено поступление воздуха в бронхиолы; в результате артериальная кровь недостаточно насыщается кислородом. рO2 в артериальной крови таких больных составляет только 50 торр, т. е. оно вдвое ниже, чем в норме. Но при этом происходит компенсаторный сдвиг кривой насыщения кислородом, обусловленный повышением концентрации БФГ с 4,5 до 8,0 мМ. При таком содержании БФГ Р50 становится равным уже не 26, а 31 торр. При Р50 = = 31 торр насыщение кислородом в артериях (УА!!!) составляет 0,82, а в венах (Уу) – 0,49; артериовенозная разница (∆У) равна 0,33. При нормальном значении Р50 (Р50 = = 26 торр) УА = 0,86, Уу = 0,60 и ∆У = 0,26. Сдвиг кривой диссоциации кислорода создает то преимущество, что увеличивает ∆У с 0,26 до 0,33. Таким образом, повышение концентрации БФГ приводит к увеличению доставки кислорода в ткани на 27%.

При некоторых нарушениях обмена веществ в эритроцитах содержание БФГ изменяется, что сопровождается соответственным изменением сродства гемоглобина к кислороду. Эти нарушения обсуждаются в одной из следующих глав (разд. 12.18).

Нерешенной проблемой физиологии дыхания является механизм адаптации к высоте. И в этом случае изменение уровня в содержании БФГ имеет, по-видимому, существенное значение. Когда человек поднимается от уровня моря на высоту 4500 м, уже через 2 дня концентрация БФГ в его эритроцитах возрастает с 4,5 до 7,0 мМ и соответственно снижается сродство к кислороду. Насыщение артериальной крови кислородом уменьшается из-за снижения Р50, но количество транспортируемого кислорода возрастает (возрастает ∆У), так как больше высвобождается кислорода в капиллярной сети. При спуске с гор на уровень моря концентрации БФГ и Р50 возвращаются к исходным величинам.

4.7. Гемоглобин плода характеризуется высоким сродством к кислороду

Эмбрионам свойственен особый тип гемоглобина – гемоглобин F (α2γ2), который, как уже упоминалось ранее, отличается от гемоглобина взрослых. Важнейшая особенность гемоглобина F состоит в том, что в физиологических условиях его сродство к кислороду выше, чем сродство к кислороду у гемоглобина А (рис. 4.9). Более высокое сродство к кислороду гемоглобина F создает оптимальные условия для транспорта кислорода из крови матери в кровь плода. Гемоглобин F оксигенируется за счет гемоглобина А (находящегося по другую сторону трансплацентарного барьера в кровеносной системе плаценты).

Рис. 4.9. Эритроциты плода обладают более высоким сродством к кислороду, чем эритроциты матери. В присутствии бисфосфоглицерата сродство к кислороду гемоглобина плода выше, чем у гемоглобина матери

Высокое сродство крови плода к кислороду известно уже на протяжении многих лет, однако причина этого явления выяснилась лишь недавно. Оказалось, что гемоглобин F слабее связывает БФГ, чем гемоглобин А, и, следовательно, обладает более высоким сродством к O2. В самом деле, в отсутствие БФГ величины сродства этих гемоглобинов располагаются в обратном порядке. Это казалось загадочным до тех пор, пока не выяснилось, что экспериментальное определение кривых диссоциации кислорода следует проводить при добавлении БФГ, поскольку это соединение присутствует в эритроцитах как плода, так и взрослого.

4.8. Для проявления аллостерического эффекта необходимо взаимодействие субъединиц

Рассмотрим структурную основу аллостерических эффектов. Гемоглобин можно расщепить на составляющие его полипептидные субъединицы. Выделенные а-цепи гемоглобина по своим свойствам имеют много общего с миоглобином. Сама по себе α-цепь характеризуется высоким сродством к кислороду, гиперболической кривой диссоциации кислорода и таким связыванием O2, которое нечувствительно к изменению pH, концентрации СO2 и содержанию БФГ. Изолированные р-цепи легко образуют тетрамер β4, называемый гемоглобином Н. Подобно α-цепи и миоглобину, β4 полностью лишен аллостерических свойств. Отсюда следует, что аллостерические свойства гемоглобина возникают в результате взаимодействия субъединиц. Функциональная единица гемоглобина-это тетрамер, состоящий из полипептидных цепей двух типов.

4.9. Четвертичная структура гемоглобина значительно изменяется при оксигенировании

В 1937 г. Феликс Гауровиц (F. Haurowitz) обнаружил, что кристаллы дезоксигемоглобина при оксигенировании разрушаются. Объясняется это тем, что структура оксигемоглобина заметно отличается от структуры дезоксигемоглобина и оксигенированные молекулы уже не укладываются в кристаллическую решетку дезоксигемоглобина. В противоположность этому на кристаллы миоглобина, так же, как и на кристаллы β4, оксигенирование не влияет.

Как показал рентгеноструктурный анализ, окси- и дезоксигемоглобин существенно различаются по четвертичной структуре (рис. 4.10). Оксигенированная молекула более компактна. Например, при присоединении O2 расстояние между атомами железа в р-цепях уменьшается с 39,9 до 33,4 А. Особый интерес представляют изменения в области контактов между α- и β-цепями. Существуют два типа контактов между α и β-цепями, обозначаемые соответственно α1β1- и α1β2-контактами (рис. 4.11). При переходе гемоглобина из окси- в дезоксиформу α1β1-контакт практически не меняется, тогда как а1β2-контакт претерпевает большие структурные изменения. В результате присоединения кислорода одна пара субъединиц ар поворачивается относительно другой пары αβ на 15° (рис. 4.12). Некоторые атомы в этой области раздела перемещаются на расстояние, достигающее 6 А. По существу, область контакта α1 функционирует как переключатель с одной структуры на другую. Каждая из форм такого похожего на ласточкин хвост контакта стабилизирована собственным набором водородных связей (рис. 4.13).

Рис. 4.10. Проекция части карт электронных плотностей оксигемоглобина (красный) и дезоксигемоглобина (синий), полученная при разрешении 5,5 А. Показаны спирали А и Н двух Р!!!-цепей гемоглобина. Центральная часть схемы соответствует центральному углублению в молекуле. Здесь показано одно из конформационных изменений гемоглобина, сопутствующих присоединению кислорода, а именно сближение двух Н-спиралей

Рис. 4.11. Модель оксигемоглобина при низком разрешении. Показаны два вида контактов между α и β-цепями. α-Цепи изображены белым, β-цепи-серым. Три гема, видные на модели, обозначены буквой Н. Область α2β1-контактов показана синим, а a^-контакта- желтым

Рис. 4.12. Схема, иллюстрирующая изменения четвертичной структуры гемоглобина при оксигенировании. Одна пара αβ- субъединиц сдвигается по отношению к другой путем поворота на 15° и продвижения на 0,8 А. Оксиформа повернутой пары оф!!!-субъединиц показана красным, дезоксиформа-синим

Рис. 4.13. Область о^р2-контакта при оксигенировании переходит от Т-формы к R-форме. Конфигурация контактирующих поверхностей в виде ласточкина хвоста позволяет двум субъединицам легко скользить относительно друг друга

Контакт α1β2 расположен вблизи гемов. Следовательно, структурные изменения в этой области могут оказывать влияние на гем. Важное значение контакта подтверждается также и тем, что у всех позвоночных он состоит в основном из одних и тех же аминокислотных остатков. Кроме того, практически при всех мутациях, затрагивающих контакт α1β2, взаимодействие гем—гем оказывается сниженным, тогда как при мутациях контакта α1β1 этого не происходит.

Рис. 127. Аллостерические белки имеют два различных центра связывания. Если один из них занят, то по второму связывание не происходит.

    Помимо описанных выше случаев, имеется множество других примеров, взятых из мира бактерий и животных, анализ которых показывает, что низкомолекулярные вещества — гормоны и продукты метаболизма — обладают способностью взаимодействовать с геном, репрессируя или снимая репрессию с отдельных генов (см. обзор Боннера [3]). Каким образом можно было бы представить себе это взаимодействие Здесь нам придется довольствоваться рассуждениями, так как фактов еще мало. Предполагается, что особые низкомолекулярные соединения связываются с белковым репрессором, вызывая тем самым изменение его конфигурации и (или) других свойств. Таким образом, репрессоры, согласно этим представлениям [9], являются аллостерическими белками, т. е. белками, конфигурация которых изменяется в ответ на присоединение специфических низкомолекулярных веществ. Так, согласно этой гипотезе, гибберелловая кислота, например, обладает способностью специфически связываться с каким-то [c.527]

    Аллостерические белки совершенно необходимы для клеточной сигнализации [40] [c.163]

    Все известные в настоящее время белки, обладающие регуляторными свойствами, т.е. являющиеся аллостерическими белками, состоят из нескольких субъединиц. Количество таких белков у растений, по-видимому, больше, чем у животных. Это связано с тем, что растение самостоятельно синтезирует все вещества клетки, а животные нет. [c.101]

    В общем случае естественный отбор способствовал эволюции полипептидов, которые приобретали специфические стабильные конформации Однако некоторые белковые молекулы, возможно даже большинство из них, имеют две или более слегка различающиеся конформации и, переходя обратимо от одной к другой, могут менять свою функцию. В таком аллостерическом белке могут, например, образоваться несколько различных наборов водородных связей с примерно одинаковой энергией, причем каждый такой набор связей требует разных пространственных взаимоотношений между двумя участками полипептидной цепи. Альтернативные стабилизированные конформации, как правило, разделяются нестабильными промежуточными состояниями, так что молекула мечется между стабильными конформациями. [c.162]

    Другим хорошо изученным аллостерическим белком является гемоглобин. На величину сродства гемоглобина к кислороду влияют ионы Н+, а также молекулы органических фосфатов и СО2. Проведены физиологические исследования, в которых изучалось влияние некоторых из этих факторов. В связи с тем что кристаллическая структура этого белка определена с высоким разрешением, в настоящее время можно изучать взаимосвязь между его структурой и механизмом функционирования на молекулярном уровне. [c.119]

    Аллостерические белки участвуют в регуляции метаболизма [39] [c.162]

    Мембранные аллостерические белки, используя энергию АТР, могут служить молекулярными насосами [43] [c.166]

    Молекулы белка способны обратимо изменять свою форму 162 4.2. Аллостерические белки участвуют в регуляции метаболизма 162 4.2.1. [c.510]

    Мембранные аллостерические белки, используя энергию АТР, 4.2.4. могут служить молекулярными насосами 166 Белки могут мобилизовать энергию ионных градиентов для выполнения полезной работы 166 4.3. [c.510]

    Для проявления данного типа регуляции фермент должен обладать раздельными активными центрами каталитическим (связывающим субстрат) и регуляторным (связывающим продукт или другой эффектор). Эти активные центры обычно размещены на разных субъединицах фермента (или в общем виде аллостерического белка). Однако связывание эффектора с регуляторным центром влияет на конформацию каталитического центра и изменяет его сродство к субстрату, как правило, снижая это сродство. [c.48]

    Как это осуществляется Изучение механизма катаболитной репрессии (рис. 39) обнаружило, что этот тип регуляции тесно связан с внутриклеточным уровнем циклического АМФ, который в этом процессе функционирует в качестве эффектора. Он образует комплекс с аллостерическим белком —катаболитным активатором неактивным в сво- [c.122]

    Свойства индивидуальных гемоглобинов неразрывно связаны с их четвертичной, равно как и вторичной и третичной, структурами. Наиболее распространенные гемоглобины имеют следующую тетра-мерную структуру НЬА (нормальный гемоглобин взрослого человека)—а Р НЬР (фетальный гемоглобин)—агУг НЬ8 (гемоглобин при серповидноклеточной анемии)—НЬАг (минорный гемоглобин взрослого человека)—а б . Четвертичная структура наделяет гемоглобин дополнительными важными особенностями (отсутствующими у миоглобина), которые способствуют выполнению гемоглобином 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 лучше понять свойства других аллостерических белков. [c.56]

    Как уже отмечалось, огромную роль в регуляции транскрипции играют белки-регуляторы. Обычно это лишенные каталитической активности аллостерические белки, способные взаимодействовать с низкомолекулярными эффекторами и контролировать выражение определенных оперонов. Белки-регуляторы связываются с нуклеотидами промоторной зоны, которые предшествуют промотору, или перекрываются с ним и активируют или подавляют транскрипцию. [c.21]

    Альтернативные модели для аллостерических белков [c.102]

    Как это осуществляется Изучение механизма катаболитной репрессии обнаружило, что этот тип регуляции тесно связан с внутриклеточным уровнем циклического АМФ (цАМФ), который в этом процессе функционирует в качестве эффектора. Он образует комплекс с аллостерическим белком — катаболитным активатором, не активным в свободном состоянии. Этот комплекс, присоединившись к определенному участку на промоторе, обеспечивает возможность связывания РНК-полимеразы с промотором и инициацию транскрипции. Количество образующегося комплекса определяется концентрацией цАМФ, которая уменьшается при увеличении содержания глюкозы в среде. Таким образом, глюкоза вызывает изменение внутриклеточной концентрации цАМФ. Это соединение обнаружено в клетках всех прокариот. Его единственная функция — регуляторная. Циклический АМФ образуется из АТФ в реакции, катализируемой аденилатциклазой, связанной с ЦПМ  [c.122]

    Для аллостерических белков характерны  [c.341]

    Аллостерическая регуляция свойственна многим ферментам. Согласно теории Моно и соавторов, давших математическое описание этих процессов, аллостерические белки состоят из двух или более протомеров (субъединиц, строго симметрично связанных между собой нековалентными связями). Протомеры могут пред-существовать в двух дискретных состояниях А и В, между которыми наблюдается равновесие. Состояния А и В обладают разным сродством к лигандам, поэтому введение в систему определенного лиганда приведет его к связыванию с тем протомером, который находится в состоянии большего сродства к данному лиганду. Вследствие связывания лиганда равновесие между состояниями А п В будет сдвигаться, что и явится источником кооперативного перехода к системе (рис. 4). Если состояния А я Б различаются по сродству к субстрату или по скорости катализа, то сдвиг равновесия, происходящий под действием лиганда, приведет либо к ускорению, либо к замедлению каталитического процесса. [c.17]

    Таким способом низкомолекулярные метаболиты передают информацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена веществ ключевым ферментам метаболизма. Ключевые ферменты — это регуляторы периодичности в процессе функционирования энзима и соответственно образования продукта. Эти ферменты представлены в клетке аллостерическими, белками, а конечные метаболиты — аллостерическими эффекторами (активаторами и ингибиторами) ключевых энзимов. С помощью описанного механизма конечные продукты саморегулируют свой биосинтез. Ретроингибирование — способ точного и быстрого регулирования образования продукта. [c.35]

    Обратимся теперь к спектру времен релаксации для аллостерического белка, также исследованному Эйгеном [125]. [c.477]

    Моно Ж., Шаижё Ж., Жакоб Ф. Аллостерические белки и клеточные системы регуляции. Успехи современной биологии . 57, 1964, стр. 370. [c.344]

    Субъединицы аллостерического белка — фермента— рзаимодействуют друг с другом. Присоединение субстрата или аллостерического ингибитора к одной из субъединиц изменяет сродство к субстрату или ингибитору остальных субъединиц. В этом смысле аллостерическии фермент является кооперативной системой. [c.315]

    Конформационные изменения в полипептидной цепи глобина при взаимодействии с кислородом вызывают различия в пространственной организации гемоглобина и его окси-формы. Четвертичная структура гемоглобина обозначается как Т-форма (от англ. tense — напряженная), тогда как четвертичная структура оксигемоглобина — как -форма (от англ. relaxed — релаксированная). Обозначения Т и R обычно используются при описании четвертичных структур аллостерических белков, причем Т-фор-ма всегда имеет меньшее сродство к субстрату. Схематично различия между пространственными структурами Т- и R-форм гемоглобина представлены на рис. 5.12. [c.214]

    Каждая дискретная конформация аллостерического белка имеет несколько отличную от других поверхность и. следовательно, разную способность взаимодействовать с другими молекулами. Часто лишь одна из двух конформаций имеет высокое сродство к конкретному лиганду в этом случае наличие или отсутствие лиганда определяет принимаемую белком конформацию (рис. 3-57). В тех случаях, когда с различными участками поверхности одного белка могут связываться два различных лигаггда, изменение концентрации одного из них меггяет сродство белка к другому. Подобные аллостерические изменения играют ведуп ую роль в регуляции многих биологических процессов. [c.162]

    Белки обеспечивают направленное течение всех происходящих в гслетке процессов. Как же можно заставить молекулы самих белков двигаться упорядоченным образом Прежде чем ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть, каким образом клетка контролирует изменения конформации аллостерических белков. Рассмотрим аллостеричесгсий белок, способный принимать две альтернативные конформапии – неактивную низкоэнергетическую К и активную высокоэнергетическую К, энергия которых различается на 4,3 ккал/моль (что приблизительно соответствует энергии образования на поверхности белка четырех водородных связей). При такой разнице энергий вероятность концентрации К будет в 1000 раз превышать вероятность конформации К (табл. 3-3), и белок почти всегда будет находгггся в неактивной [c.163]

    Связывание лигандов с поверхностью аллостерических белков обратимо меняет форму последних. Изменения, вызванные присоединением одного лиганда, могут повлиять на связывание второго лиганда, что обеспечивает механизм регуляции различных клеточных процессов Использование дополнительной химической энергии может внести направленность в изменения формы белка. Например, за счет сопряжения аллостерических изменений с гидролизом АТР белки могут выполнять полезную работу, скажем создавать механическое усилие или перекачивать ионы через мембрану. Могут формироваться и высокоэффективные белковые машины – объединение согласованно работающих белков в многоферментные комплексы. Возможно, что белковые ансамбли такого типа осуществляют множество основных биологических реакций. [c.167]

    Значительная часть мембранных белков является рецепторами, т.е. аллостерическими белками, обладающими способностью при взаимодействии с гормонами – специфическими сигнальными медиаторами -определенным образом перестраивать пространственную структуру молекулы. Аллостерическое изменение конформации передается по трансмембранной цепи сопряженных бёлков или доменов одного большого белка внутрь клетки, достигает воспринимающей посланный сигнал системы и стимулирует в ней соответствующий физиологический процесс. Имеющаяся информация о трехмерных структурах рецепторов и других составляющих трансмембранных белков крайне скудна. До недавнего времени удалось получить кристаллы и определить структуру только двух специфических мембранных рецепторов, фоторецепторного центра и порина [246-248]. В 1990-е годы исследования рецепторных белков начинают приобретать систематический характер. Полученные к настоящему времени сведения об их пространственном строении, как показано ниже, относятся не к структурам целых мембранных рецепторов, а лишь к внешним частям молекул, внеклеточным доменам. [c.61]

    АКТаза известна как аллостерический белок ( alio означает другой ). Так называют обычно белки, которые имеют места связывания (регуляторные места), специфические для физиологических молекул, регулирующих активность белка. Эти места отличаются от мест связывания субстрата в активном центре. Аллостерические белки обладают рядом особенностей, которые мы вначале проиллюстрируем, а затем дадим их количественный анализ. Мы воспользуемся АКТазой как примером в связи с тем, что она хорощо изучена. Однако применение рассмотренных ниже концепций не ограничивается одной этой системой. [c.87]

    Аллостерические белки всегда построены из нескольких единиц. АКТаза состоит из шести каталитических (К) и шести регуляторных (Р) цепей. Каждая из К-цепей имеет мол. массу 33 ООО, а каждая из Р-цепей 17 ООО. В интактной молекуле имеется шесть мест связывания для аспартата и карбамоилфосфата на К-цепях и шесть мест связывания для СТР на Р-цепях. [c.91]

    Можно представить себе еше более сложные схемы, включаюшие в себя ббльшее число конформационных состояний субъединиц, чем схемы, представленные уравнением (17.22) и рис. 17.13. Естественно, наиболее привлекательна простейшая схема, которая описывала бы все экспериментальные факты. По этой причине данные для аллостерических белков часто интерпретируются в рамках модели МУШ, так как в ней содержится всего лишь несколько параметров. Однако, если результаты эксперимента нельзя объяснить в рамках модели МУШ, необходимо обратиться к схемам, которые содержат в себе ббльшее число варьируемых параметров, например к простейшей последовательной модели [уравнение (17.22)]. [c.104]

    АКТаза представляет собой мультисубъединичный белок с шестью местами связывания субстрата и с шестью местами связывания аллостерического ингибитора СТР. На выяснение механизмов, с помощью которых модулируется активность этого и других аллостерических белков, было затрачено много усилий. Экспериментальные данные обычно интерпретируются в рамках схемы, предусматривающей согласованные конформационные изменения субъединиц (модель Моно — Уаймена — Шанжё), или схемы, предполагающей серию последовательных структурных изменений. [c.119]

    У аллостерических белков, таких, например, как аспартат-транскарбамоилаза, конформационные изменения возникают в результате связывания их с субстратом и (или) малыми лиганДами (активаторами или ингибиторами). Диссоциацию белка на субъеди-. [c.63]

Молекулярная биология клетки Том5 (1987) — [

c.155

,

c.156

,

c.157

,

c.158

,

c.159

]

Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [

c.162

,

c.163

,

c.164

,

c.165

,

c.166

]

Биофизическая химия Т.3 (1985) — [

c.7

,

c.91

]

Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [

c.162

,

c.163

,

c.164

,

c.165

,

c.166

]