Функции гемоглобин и миоглобин
Гемоглобин – состоит из белка глобина и небелковой части гема, в составе которого имеется атом Fе(II). Молекула Нb содержит 4 гема и является белком с четвертичной структурой (4 субъединицы – 2 α-цепи и 2 β-цепи, каждая из которых имеет свою третичную структуру и особым образом уложена вокруг кольца гема). Каждая из субъединиц похожа на молекулу миоглобина. Молекула гемоглобина способна присоединять 4 молекулы О2. Гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, а углекислый газ в обратном направлении. Нb + О2 → НbО2 – оксигемоглобин – в капиллярах легких Нb насыщается кислородом при высоком парциальном давлении (100 мм рт. ст.).
В капиллярах тканей, где парциальное давление кислорода низкое (5 мм рт. ст.) НbО2 → на Нb и О2. Кислород переходит в ткани, а освободившийся Нb соединяется с поступившим из тканей СО2 и превращается в НbСО2 – карбгемоглобин, который переносится с кровью к легким. В легочных капиллярах НbСО2 → Нb + СО2. СО2 выводится из организма при выдыхании, а Нb вновь насыщается кислородом.
Сравнение зависимости насыщения от парциального давления кислорода показывает, что при парциальных давлениях кислорода, характерных для тканей, гемоглобин отдает значительные количества кислорода. В гемоглобине происходит перемещение атома железа в плоскость гема с одновременным изменением конформации полипептидной цепи, но так как молекула Нb имеет четвертичную структуру и отдельные цепи связаны между собой, то это позволяет передать изменения конформации на область связи между полипептидными цепями. Это изменяет положение в пространстве всей молекулы и облегчает доступ О2 к остальным гемам молекулы Нb. Одновременно это изменение конформации сопровождается появлением на поверхности групп, которые, диссоциируя, отдают протоны (Н+) в окружающую среду. При понижении парциального давления кислорода события повторяются в обратном направлении: отдача кислорода идет по мере снижения парциального давления, гемоглобин переходит в другое конформационное состояние, при этом из окружающей среды (ткань), где высока концентрация протонов, протоны присоединяются к гемоглобину. Такие изменения конформации позволяют гемоглобину не только регулировать обеспечение кислородом тканей, но и участвовать в поддержании кислотно-основного равновесия в организме.
При отравлении угарным газом в крови образовывается карбоксигемоглобин Нb + СО → НbСО – прочное соединение, препятствует образованию НbО2 и транспорту кислорода. Возникает кислородное голодание.
Различные формы Нb определяются методом спектрального анализа. У взрослого человека молекула НbА (2 α-цепи и 2 β-цепи). Но от целого ряда условий состав цепей гемоглобина может меняться. У плода НbF (фетальный – 2 α-цепи, 2 γ-цепи) – он лучше связывает кислород при его относительной недостаточности в период внутриутробного развития.
В результате определенных нарушений генетического аппарата клетки Нb патологический, а заболевания – гемоглобинопатии наследственного происхождения.
Классическим примером является серповидно-клеточная анемия(аномальный гемоглобин – причина). Синтезируется β-цепь необычного состава, в которой валин занимает место глутаминовой кислоты, присутствующей в нормальном НbА. Изменение такое вызывает нарушение структуры и свойств Нb, который обозначается НbS – он легко выпадает в осадок, обладает сниженной способностью переносить кислород. В результате эритроциты, содержащие НbS приобретают форму серпа. Клинически: нарушается кровообращение и дыхание, иногда летальный исход.
Миоглобин – хромопротеид, содержащийся в мышцах. Он обладает простетической группой – гемом, циклическим тетрапирролом, придающим ему красный цвет. Тетрапиррол состоит из 4 пиррольных колец, соединенных в плоскую молекулу метиленовыми мостиками. Атом железа занимает центральное положение в этой плоской молекуле. Железо в составе гема цитохромов способно менять свою валентность, в гемоглобине и миоглобине изменение валентности железа нарушает их функцию. Главная функция и гемоглобина и миоглобина – связывание кислорода.
Миоглобин – сферическая молекула, состоит из 153 аминокислот с общей молекулярной массой 17000. он состоит из одной цепи, аналогичной субъединице Нb. На уровне вторичной структуры он образует 8 α-спиральных участков, захватывающих почти 75% всех аминокислот молекулы. Атом железа в геме миоглобина, не связанный с кислородом, выступает из плоскости молекулы на 0,03 нм. В оксигенированной форме атом железа как бы погружается в плоскость молекулы гема. Образуя связь с одной из молекул гистидина глобиновой части, железо при соединении с кислородом изменяет и конформацию белка. Миоглобин удобен для хранения кислорода, но не удобен для транспорта его по крови. Это объясняется процессом насыщения миоглобина в зависимости от парциального давления кислорода. Так как в легких парциальное давление кислорода 13,3 кПа, миоглобин хорошо бы насыщался кислородом, но в венозной крови это давление составляет 5,3 кПа, а в мышцах ещё меньше – 2,6 кПа. Миоглобин в таких условиях сможет отдавать мало кислорода и будет недостаточно эффективен в транспорте кислорода от легких к тканям.
Гем –простетическая группа многих важных с точки зрения функций белков.
Гем – небелковая часть, в составе находится Fе (ΙΙ), гем входит в состав флавопротеинов, гемопротеидов, гемоглобина, миоглобина, каталазы, пероксидазы, цитохромов.
Знание вопросов биосинтеза и распада гема призвано помочь в понимании роли гемопротеинов в организме. Нарушение этих процессов связано с развитием заболеваний. Так, с нарушением биосинтеза гема связана группа заболеваний – порфирии.
Порфирии – группа заболеваний с нарушением биосинтеза гемма. группа заболеваний с нарушением биосинтеза гемма. Наблюдается накопление побочных промежуточных продуктов, которые откладываются в различных органах или выделяются в повышенных количествах с калом или мочой. Появление в моче в значительных количествах веществ незавершенного синтеза гемма либо продуктов его распада (копропорфирин и уропорфирин) вызывает порфиринурию. Моча пурпурно-красного цвета. Это бывает при некоторых поражениях печени, кишечных кровотечениях, интоксикациях. Порфиринурия является одним из признаков отравления свинцом, когда нарушается транспорт Fe, необходимого для синтеза гемоглобина.
Гораздо чаще встречаются патологические состояния, связанные с распадом гема и нарушением выведения из организма продуктов его катаболического превращения. Наиболее распространенной является желтуха.
глицин + сукцинил – КоА
синтаза 5-аминолевулиновой кислоты
5 – аминолевулиновая кислота
Уропорфириноген ΙΙΙ В цитоплазме клеток
Копропорфириноген ΙΙΙ
Протопорфирин ΙΧ
В митохондриях + Fe2+
клетки
Гем
Из многих представителей хромопротеидов для человека наибольшее значение имеет гемоглобин. Хромопротеиды растительного и животного происхождения, находящиеся в пищевых продуктах, подвергаются действию ферментов пищеварительного тракта.
Гемоглобин пищи, находящийся в ней в денатурированном состоянии, легко гидролизуется, распадаясь на простетическую группу и белок. Белок расщепляется пепсином и трипсином с образованием пептидов и аминокислот. Следовательно, глобиновая часть гемоглобина подвергается обычным превращениям в ЖКТ, которые свойственны простым белкам. Простетическая группа – гемм – окисляется в гематин. Гематин всасывается в кишечнике очень плохо. Эти пигменты выделяются с калом частью в неизмененном виде, частью в виде различных продуктов, образующихся под влиянием бактерий кишечника. Обычные химические способы обнаружения крови в кале, имеющие большое значение для клиники, основаны на реакциях гематина, и могут дать достоверные результаты только в том случае, если диета не содержит мяса, в котором присутствует миоглобин.
Время жизни эритроцитов у взрослого организма составляет около 4 месяцев. Спустя этот период времени эритроциты разрушаются в основном в печени, селезенке и костном мозге. В ходе разрушения из эритроцитов высвобождается гемоглобин (8 – 9 г в сутки).
| томский государственный университет |
| кафедра органической химии |
Миоглобин- сложный белок третьего
уровня структурной организации. Состоит из одной полипептидной цепи (153 остатка).
Третичная структура белка образована, главным образом, альфа-спиралями вторичной
структуры, на которые приходится около 70 процентов АКО, остальные- на повороты
и начальный и конечный участки. Белок содержит в себе так называемый ГЕМ- комплекс
порфирина и иона железа в степени окисления +2.
Миоглобин сосредоточен, главным |
Вопросы транспортировки кислорода решаются при участии белка четвертичной структуры- гемоглобина.
ГЕМОГЛОБИН
Гемоглобин представляет собой
белок четвертичной структуры, состоящий из двух пар субъединиц альфа-
(141
АКО) и бетта- (147 АКО- аминокислотных остатков). Субъединицы миоглобина и гемоглобина
очень сходны между собой, как весьма сходна и третичная структура обоих белков.
Главное отличие гемоглобина от миоглобина заключается в проявлении особого рода эффектов- кооперативных, влияющих на скорости присоединения- отсоединения молекул кислорода. Каждая молекула гемоглобина способна присоединять и переносить четыре молекулы кислорода, при этом кооперативность проявляется в том, что как присоединение, так и отсоединение каждой последующей молекулы кислорода облегчается в результате структурных изменений в конформации молекулы, которых у гемоглобина имеется две основных- оксигенированная и дезоксигенированная. Промежуточные состояния нестабильны. Предполагается следующий механизм кооперативного эффекта. Присоединение первой молекулы кислорода приводит тому что атом железа смещается от своего места примерно на 0,4-0,6 ангстрем, вызывая изменения конформации субъединицы. Изменившаяся конформация по аллостерическому эффекту облегчает присоединение кислорода к другой субъединице и т.д. Это позволяет максимально ускорить процесс присоединения кислорода в легких (рО2 = 100 мм рт. ст.). При переносе оксигенированного гемоглобина в капилляры тканей (рО2= 5 мм рт. ст.) отсоединение молекул кислорода протекает также быстро, по кооперативному эффекту. Известны, впрочем, и химические регуляторы скорости и полноты присоединения кислорода. К ним, в частности, относится 2,3- дифосфоглицериновая кислота. Она облегчает присоединение кислорода у организмов, обитающих в высокогорных районах.
Формы гемоглобина
ОКСИГЕМОГЛОБИН (HbO2) – полностью оксигенированный гемоглобин, содержащий 4 молекулы О2. Из шести sp3d2 гибридизованных орбиталей Fe2+ ЧЕТЫРЕ связаны в комплексе с порфирином, ОДНА- с остатком His (внутрь молекулы), а ОДНА свободная- присоединяет О2 или ПУСТА (дезокси-Нb).
КАРБАМИНОГЕМОГЛОБИН.
Hb-NH2 + CO2
—> Hb-NH-COO- + H+ (с N- концевыми остатками ПП-цепей).
Таким образом транспортируется только 32 % СО2, 60 % СО2- с венозной кровью, после превращения СО2 в Н2СО3 при помощи КАРБОАНГИДРАЗЫ, и лишь около 8 % транспортируется в эритроцитах в виде НСО3_.
КАРБОКСИГЕМОГЛОБИН (HbCO)-
образуется в результате присоединения к гемоглобину окиси углерода СО, образуя
светочувствительный НbСО синего цвета. Поскольку присоединение СО протекает
в 200 раз быстрее, чем присоединение кислорода, достаточно незначительных концентраций
СО в атмосфере, чтобы вызвать превращение значительной доли гемоглобина в HbCO.
Смерть наступает при связывании >70 % Нb.
Для снятия эффекта требуется увеличение парциального давления кислорода во вдыхаемом
воздухе.
МЕТГЕМОГЛОБИН
(Met-Hb). Пероксиды, феррицианиды, окислы азота
и хинон окисляют железо в геме до Fe3+, при этом нарушается транспорт О2
и СО2. Однако, это нарушение
обратимо и менее опасно, чем НbСО, поскольку железо легко превращается
ферментами обратно в Fe2+.
ФУНКЦИИ ГЕМОГЛОБИНА:
1. Транспорт О2 и СО2.
2. Создание буферной емкости крови
и поддержание рН в строго определенных пределах (7,40+0,02).
Гемоглобинопатии
Серповидноклеточная анемия–
патология, вызванная наличием аномального гемоглобина, с измененной структурой
белка глобина, а точнее- его b-цепи.
Происходит это вследствие замены в мРНК кодона ГАГ (кодирует Глутаминовую
кислоту) на ГУГ (кодирует аминокислоту
Валин).
В результате получается гемоглобин S, называемый
HbS, с измененными свойствами зарядов на
поверхности. Поскольку замена остатка глутаминовой кислоты по положению 6 в
b-цепи на остаток
с гидрофобным незаряженным боковым радикалом валина приводит к утрате отрицательного
заряда и слипанию молекул гемоглобина, форма эритроцитов становится похожей
на серп при рассматривании под микроскопом. Деформированные эритроциты отличаются
плохой способностью присоединять кислород и проникать в тончайшие капилляры,
что вызывает в ряде случаев кислородное голодание тканей.
Мутация является типичным примером
эволюционного приспособления организма к возбудителям малярии. Гемоглобин S
наиболее часто обнаруживается у выходцев из экваториальной Африки, где малярия
широко распространена. Гетерозиготные по гемоглобину S
люди невосприимчивы к малярии и к тому же у них не проявляются симптомы кислородного
голодания, обнаруживаемые у гомозигот. Возбудитель малярии не выживает в эритроцитах,
содержащих гемоглобин S.
Симптомы заболевания, вызываемое
аномальным гемоглобином S,были впервые описаны
в Чикаго в 1904 году при осмотре негра-выходца из Африки, однако причина болезни
была установлена многими годами позднее. Впоследствии было выявлено множество
других аномальных гемоглобинов, вызываемых заменой аминокислотных остатков.
Подавляющее большинство из них, впрочем, никак не проявляется на состоянии человека.
Аномальные гемоглобины получают название по замене аминокислотных остатков и
местности, где аномалия впервые была обнаружена. Так, гемоглобин S еще
имеет название Чикаго b-6
Глу–>Вал.
Клиническая диагностика осуществляется
процедурой Southern Blot. Ген, кодирующий
бетта-цепь нормального глобина, имеющего последовательность аминокислотных остатков
5-7 (Про-Глу-Глу)
несет соответствующие триплеты кодонов ЦЦТ-ГАГ-ГАГ. У носящих дефектный ген
эта последовательность имеет замену аденозинового нуклеотида (А) в среднем триплете
на тимидиловый (Т). Рестрикционный энзим MstII
узнает и расщепляет последовательность ЦЦТ-ГАГ-Г, но не узнает измененной последовательности
в мутировавшей ДНК. Соответственно, обработка ДНК рестриктазой
MstII с последующим анализом может
обнаружить эти различия и выявить патологию еще до рождения плода, у эмбриона.
МИОГЛОБИН – сложный глобулярный белок, третьего уровня структурной организации, молекула которого состоит из 1 полипептидной цепи и содержит 153 аминокислоты. В миоглобине содержится железопорфириновая группа (гем), и он способен обратимо присоединять кислород.
Миоглобин содержится в клетках скелетных мышц. Пептидная цепь миоглобина напоминает длинную колбасу, причудливо скрученную. Было показано, что остов молекулы миоглобина состоит из 8 относительно прямолинейных отрезков, разделенных между собой местами сгибов. Каждый отрезок закручен в виде a-спирали. Все спирали являются правыми. 70 % аминокислотных остатков входят в состав спирализованных участков.
Свойства миоглобина:
1. молекула миоглобина компактна (внутри нее может уместиться 4Н2О);
2. все полярные R- группы аминокислотных остатков расположены на внешней поверхности молекулы и находятся в гидратированном состоянии, т.е. связаны с Н2О;
3. неполярные, или гидрофобные R- группы располагаются в глубине молекулы и защищены от соприкосновения с Н2О;
4. остатки пролина встречаются только в метах сгибов пептидной цепи (пролин нарушает a-спираль). В местах сгибов находятся и другие аминокислоты, которые неспособны легко образовывать a-спираль (изолейцин, серин), и аминокислоты, боковые цепи которых несут одинаковые заряды при рН7;
5. у миоглобинов, выделенных из разных млекопитающих, конформация пептидных цепей сходна (но они несколько отличаются по аминокислотному составу).
ГЕМ – комплекс порфирина и иона железа в степени окисления +2.
Ион железа встроен в кольцо порфирина таким образом, что четыре координационные связи из шести (в состоянии гибридизации sp3d2 связи у шестикоординационного железа направлены к вершинам октаэдра) затрачены на образование связей с атомами азота, еще одна связана с азотом имидазольного остатка ГИС полипептидной цепи (проксимальный Гистидин F8), а другая- также с имидазольным остатком другого ГИС (дистальный ГИС Е7). Молекула кислорода присоединяется между остатком дистального ГИС и железом. Изменения степени окисления железа при этом не происходит. Порфириновое кольцо (ГЕМ) не находится на плоскости молекулы белка, а частично погружено в него. Молекула кислорода присоединяется к гему, входя как бы через открывающуюся дверцу. Пока остается несным, дожидается молекула кислорода случайного открывания двери, или существует какой-то механизм, пускающий кислород к гему.
Миоглобин сосредоточен, главным образом, в мышцах и его главной функцией является хранение кислорода. Скорость насыщения миоглобина кислородом намного превышает таковую для гемоглобина. Миоглобин мало приспособлен для транспортировки кислорода из легких в ткани, поскольку скорость отдачи кислорода в тканях невелика (при давлении 1 мм рт. ст. примерно половина миоглобина все еще не отдает кислород).
Вопросы транспортировки кислорода решаются при участии белка четвертичной структуры – гемоглобина.
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА ГЕМОГЛОБИНА. При помощи рентгеноструктурного анализа Перутцем и его сотрудниками в Кембридже установлены третичная и четвертичная структуры гемоглобина. Гемоглобин содержится в эритроцитах и служит для переноса кислорода. Молекулярная масса гемоглобина 64500. Молекула состоит из 4 отдельных полипептидных цепей: 2 a-цепей (141 остаток аминокислот) и 2 b- цепей (146 остатков аминокислот в каждой), каждая из которых связана нековалентной связью с остатками гема. Каждая из 4 отдельных цепей гемоглобина свернута нерегулярным образом и состоит из ряда a- спиральных участков, разделенных местами сгибов.
a- и b- цепи гемоглобина примерно на 70 % состоят из a-спиральных участков. По своей третичной структуре a- и b-цепи очень сходны, они образованы из a- спиральных участков одинаковой длины, согнутых под одинаковыми углами и в одних и тех же направлениях. Третичная структура a- и b-цепей гемоглобина очень сходна с третичной структурой единственной цепи миоглобина. Сходная функция гемоглобина и миоглобина, обусловленная способностью обратимо связывать О2, объясняется сходством третичной структуры.
Согласно данным рентгеноструктурного анализа молекула гемоглобина по своей форме приближается к сфере диаметром ~ 5,5 нм. 4 полипептидные цепи уложены относительно друг друга приблизительно в виде тетраэдра, в результате чего возникает характерная четвертичная структура гемоглобина.
Это очень компактная структура. Большинство гидрофобных R- групп аминокислот находится внутри глобулы, а большинство гидрофильных R- групп – снаружи. В молекуле гемоглобина возникает небольшое число контактов между одинаковыми цепями (2 a- и 2 b- цепями) и множество контактов между a- и b- цепями. В образовании таких контактов принимают участие в основном гидрофобные R- группы аминокислотных остатков.
При присоединении к гемоглобину кислорода расстояние между 2 b- цепями гемоглобина уменьшается и изменяется четвертичная структура. Таким образом, гемоглобин и оксигемоглобин (насыщенный кислородом) различаются по своей четвертичной структуре.
Четвертичная структура олигомерных белков также определяется первичной аминокислотной последовательностью входящих в их состав отдельных полипептидных цепей. Олигомерные белки (гемоглобин) обнаруживают способность к самосборке.
Главное отличие гемоглобина от миоглобина заключается в проявлении особого рода эффектов – кооперативных, влияющих на скорости присоединения- отсоединения молекул кислорода. Каждая молекула гемоглобина способна присоединять и переносить четыре молекулы кислорода, при этом кооперативность проявляется в том, что как присоединение, так и отсоединение каждой последующей молекулы кислорода облегчается в результате структурных изменений в конформации молекулы, которых у гемоглобина имеется две основных- оксигенированная и дезоксигенированная. Промежуточные состояния нестабильны. Предполагается следующий механизм кооперативного эффекта. Присоединение первой молекулы кислорода приводит к тому, что атом железа смещается от своего места примерно на 0,4-0,6 ангстрем, вызывая изменения конформации субъединицы. Изменившаяся конформация по аллостерическому эффекту облегчает присоединение кислорода к другой субъединице и т.д. Это позволяет максимально ускорить процесс присоединения кислорода в легких (рО2 = 100 мм рт. ст.). При переносе оксигенированного гемоглобина в капилляры тканей (рО2 = 5 мм рт. ст.) отсоединение молекул кислорода протекает также быстро, по кооперативному эффекту. Известны, впрочем, и химические регуляторы скорости и полноты присоединения кислорода. К ним, в частности, относится 2,3- дифосфоглицериновая кислота. Она облегчает присоединение кислорода у организмов, обитающих в высокогорных районах.