Гемопротеины строение гемоглобина миоглобина

Гемопротеины: миоглобин и гемоглобин

Гемсодержащие белки имеют чрезвычайно важное биологическое значение. Одни участвуют в процессах связывания и транспорта кислорода, другие осуществляют транспорт электронов в дыхательной цепи, проявляют ферментативную активность и являются участниками антиоксидантной защиты организма.

Гемопротеины – это сложные белки, содержащие в качестве простетической группы, окрашенный в красный цвет гем – циклический тетрапиррол или протопорфирин, состоящий из 4-х пиррольных колец, соединенных метеновыми мостиками (=СН–) с образованием плоской кольцевой сопряженной системы, т. е. ароматической. Гем в молекулах гемоглобина и миоглобина содержит 2 винильных, 4 метильных и 2 пропионатные боковые цепи. В центре плоского кольца гема находится атом железа в ферросостоянии ( ), который образует четыре координационнные связи с азотами пиррольных колец, ещё две координационные связи возникают в плоскости перпендикулярной плоскости гема: пятая предназначена для связывания с полипептидной цепью (через азот пиридина), а шестая – для связывания физиологического лиганда – кислорода.

Основные гемсодержащие белки

Миоглобин

Характеристика структуры

· Миоглобин содержится в красных мышцах, относится к классу сложных белков, гемопротеинам, содержит белковую часть (апомиоглобин) и небелковую часть, простетическую группу – гем. Миоглобин является глобулярным белком, представлен одной полипептидной цепью, состоящей из 153 аминокислотных остатков.

· Молекула миоглобина имеет высокую степень α-спирализации: почти 75% остатков образуют 8 правых α-спиралей, которые обозначают латинскими буквами, начиная от N-конца цепи: А, В, С, Д, Е, F, G, Н.

· Пространственная 3-х мерная структура миоглобина имеет вид глобулы, образованной из α-спиралей за счет петель и изгибов цепи в области неспирализованных участков белка. В изгибах цепи находятся 4 остатка пролина.

· Внутренняя часть глобулы миоглобина защищена от воды, т. к. содержит, в основном, неполярные гидрофобные радикалы аминокислот, за исключением 2-х остатков гистидина, располагающихся в активном центре, т. е. они пространственно сближены, но принадлежат различным спиралям – (проксимальный гистидин), (дистальный гистидин).

· Гем располагается в гидрофобном «кармане» между спиралями F и Е. Четыре связи атома железа с атомами пиррольных колец, пятое координа ционное положение атома железа занято атомом азота проксимального гистидина (Гис ) в полипептидной цепи. Шестое координационное положение атома железа связано с молекулой кислорода, вблизи располагается дистальный гистидин (Гис ), который не имеет связи с гемом, но обеспечивает угловой присоединение кислорода (121˚).

· Пространственная структура белковой глобулы вокруг гема обеспечивает прочное, но обратимое связывание с кислородом и устойчивость железа к окислению ( в ).

· Биологическая функция миоглобина: он не способен транспортировать кислород, но зато эффективно его запасает в красных мышцах. В условиях кислородного голодания, например, при сильной физической нагрузке кислород высвобождается из оксигенированного миоглобина и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТФ (окислительное фосфорилирование).

Для миоглобина кривая адсорбции кислорода имеет форму гиперболы. Даже при низком парциальном давлении кислород в работающей мышце (20 мм рт. ст.) степень насыщения миоглобина кислородом составляет ~ 80%. Только при снижении рО2 до 5 мм рт. ст. (при кислородном голодании и тяжелой физической нагрузке) миоглобин легко отдает связанный кислород в митохондрии.

Гемоглобин

Отличие в структурах миоглобина и гемоглобина связано с тем, что гемоглобин имеет четвертичную структуру, которая наделяет его дополнительными свойствами, отсутствующими у миоглобина. Гемоглобин обладает аллостерическими свойствами (от греческого «аллос» – другой), его функционирование регулируется компонентами внутренней среды (кислород; ; ; 2,3-ДФГ), что способствует выполнению гемоглобином его важнейших биологических функций.

Дезоксигемоглобин имеет жесткую, напряженную структуру, стабилизированную солевыми связями между субъединицами, т. е. Т-состояние (от англ. tense – напряжённый); центры связывания О2 малодоступны, сродство к О2 низкое.

В отличие от миоглобина, который имеет трехмерную структуру, гемоглобины, находящиеся в эритроцитах, представляют собой тетрамерные белки, молекулы которых содержат различные типы субъединиц (α, β, γ).

НbА – основной гемоглобин взрослого человека, олигомер, содержащий 2α цепи (по 141 аминокислотному остатку в каждой цепи) и 2β цепи (по 146 остатков, составляет ~ 98% от общего количества гемоглобина. Молекула гемоглобина имеет четыре гема, т. е. 4 центра связывания О2.

Функции гемоглобина:

· Транспорт О2 из легких к периферическим тканям;

· Участие в транспорте СО2 и протонов от периферических тканей в легкие для последуюшего выведения из организма;

· Буферное действие. Гемоглобиновая буферная система наиболее мощная из буферных систем крови, препятствует закислению среды в тканевых капиллярах и подщелачиванию в легких.

Сходство и отличие структур миоглобина и гемоглобина А (НbА)

Пространственные структуры (вторичная и третичная) отдельных цепей гемоглобина и миоглобина имеют поразительное сходство, несмотря на различия в аминокислотной последовательности в полипептидных цепях.

Сходным является и расположение гема в гидрофобном «кармане» внутри белковой глобулы, его соединение с белком, а также расположение атома относительно плоскости гема.

Итак, важнейшие акцепторы О2 в организме человека – миоглобин и гемоглобин имеют сходную конформацию, которая, по-видимому, обеспечивает им возможность обратимо связывать О2 и устойчивость к окислению.

Связывание О2 сопровождается разрывом солевых связей между протомерами гемоглобина, что облегчает присоединение последующих молекул О2, т. к. центры связывания О2 открываются. Т-форма гемоглобина переходит в R-форму (relaxed – релаксированная), т. е. структура оксигемоглобина становится мягкой, сродство к О2 возрастает в 300 раз.

Сродство гемоглобинов к О2 характеризуется величиной – значением парциального давления О2, при котором наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом. Чем ниже Р50, тем выше сродство к О2. Благодаря уникальной структуре гемоглобин присоединяет О2 в легких при его высоком насыщении кислородом (около 100%) и легко отдает О2 в капиллярах тканей при более низком давлении О2.



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.

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).