Кооперативные изменения конформации протомеров на примере гемоглобина

Кооперативными изменениями конформации протомеров называются изменения конформации всего олигомерного белка после присоединения лиганда к одному из протомеров, приводящее к изменению функциональных свойств белка в целом. Для гемоглобина это означает, что кооперативные изменения конформации его протомеров ускоряют присоединение кислорода в легких и облегчают отщепление кислорода в тканях: – присоединение кислорода через Fe2+ к одному протомеру (оксигенация гемоглобина) вызывает перемещение Fe2+ в плоскость гема; одновременно перемещается и остаток Гис F8, связанный с ним. Это влечет изменение конформации данного протомера, а также осталь­ных субъединиц гемоглобина и их активных центров, то есть вследствии конформационной лабильности изменяется конформация и свойства всего белка;

– измененная конформация белка облегчает связывание второй молекулы кислорода со следующим протомером, что вызывает дополнительные коопера­тивные изменения конформации протомеров и еще более облегчает связывание со следующей молекулой 02. Четвертая молекула кислорода присоединяется к оставшемуся протомеру в 300 раз легче, чем первая.

– последовательное отщепление кислорода (дезоксигенация) в тканях изме­няет на каждом этапе конформацию всех протомеров и облегчает диссоциацию последующих молекул 02.

Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет выраженный S-образный характер и отражает положительный кооперативный эффект взаимодействия протомеров (субъединиц) в тетрамер-ной молекуле гемоглобина при его оксигенации.

Гемоглобин имеет S-образную кривую насыщения, которая показывает, что субъединицы белка работают кооперативно, и чем больше кислорода они отда­ют, тем легче идет диссоциация остальных молекул 02; этот процесс зависит от изменения парциального давления 02 в тканях.

Кривая насыщения (диссоциации) миоглобина – простая гипербола, отра­жает функции миоглобина – обратимое связывание с кислородом, высвобождае­мым гемоглобином, депонирование его и освобождение в случае интенсивной физической нагрузки; не зависит от посторонних факторов

Возможность адаптивной регуляции биологической функции олигомерных белков с помощью аллостерических лигандов

Если белок при взаимодействии с лигандом повышает или понижает актив- ность вследствии конформационных изменений, то имеет место аллостериче-ская регуляция, а лиганд называется аллостерическим. Данное свойство про­является, как правило, у олигомерных белков, т.е. для проявления аллостериче-ского эффекта необходимо взаимодействие субъединиц. При воздействии алло­стерических лигандов белки адаптируют свою конформацию (в том числе и ак­тивного центра) и функцию к изменившимся условиям окружающей среды.

Для гемоглобина аллостерическими лигандами являются Н+, С02 и 2,3-бифосфоглицерат (БФГ). Эти лиганды присоединяются к участкам (аллостери­ческим центрам), пространственно удаленным друг от друга. Концентрация аллостерических лигандов влияет на сродство гемоглобина к кислороду (миог-лобин и разделенные субъединицы гемоглобина нечувствительны к изменениям концентрации Н+, СО2 и БФГ, т. е. аллостерические свойства гемоглобина воз­никают только в результате взаимодействия субъединиц).

В центре молекулы гемоглобина аминокислотными остатками четырех субъединиц образована полость, величина ее увеличивается в дезоксигемогло-бине и уменьшается в оксигемоглобине. БФГ, синтезируемый в эритроцитах при гликолизе, может поместиться только в большой полости дезоксигемоглобина, избирательно связывается с дезоксигемоглобином, снижая его сродство к О2 в 26 раз. В результате повышается высвобождение кислорода в капиллярах ткани при постоянном парциальном давлении О2.

Исследование роли БФГ в транспорте крови прояснило адаптивные меха­низмы, включающиеся при гипоксии – нарушении снабжения тканей кисло­родом. У больных с тяжелой обструктивной энфиземой легких затруднено по­ступление воздуха в легкие, парциальное давление кислорода в артериальной крови (50 мм рт. ст.) вдвое ниже нормы (100 мм рт. ст.). При этом происходит усиление синтеза БФГ в эритроцитах (его концентрация повышается с 4,5 мМ/л до 8 мМ/л), что приводит к увеличению доставки кислорода в ткани. На рис. это отражается компенсаторным сдвигом кривой насыщения гемоглобина ки­слородом вправо.

Механизм адаптивной регуляции к высоте – также результат изменения концентрации БФГ в эритроцитах крови. На высоте 4,5 км над уровнем моря на­сыщение крови кислородом снижается из-за снижения парциального давления О2, но уже через два дня возрастает концентрация БФГ в крови с 4,5 мМ/л до 7,0 мМ/л. Сродство к кислороду снижается, и количество высвобождаемого кисло­рода в капиллярах тканей возрастает. При спуске на уровень моря концентрация БФГ возвращается к исходному уровню.

Date: 2016-05-24; view: 4160; Нарушение авторских прав

Четвертичная структура – это и количество, и способ укладки полипептидных цепей (протомеров) в пространстве. Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой.Такие агрегаты стабилизируются водородными связями, ионными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками аминокислот, находящимися на поверхности глобулы. Подобные белки называются олигомерами, а их индивидуальные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами). Если белки содержат 2 протомера, то они называются димерами, если 4, то тетрамерами и т.д.

Протомеры связаны друг с другом посредством лишь нековалентных связей (ионных, водородных, гидрофобных). Причем протомеры взаимодействуют друг с другом только определенными участками своей поверхности (контактные участки).  Взаимное «узнавание» контактных участков происходит по принципу комплементарности. Каждый протомер взаимодействует с другим во многих точках. Следовательно, ошибочные комплексы в олигомере практически невозможны. Так как субъединицы в олигомерах очень тесно взаимодействуют между собой, то любое изменение конформации какой-либо одной субъединицы обязательно влечет за собой изменение других субъединиц. Этот эффект называется кооперативное взаимодействие. Например, у гемоглобина такое взаимодействие субъединиц в легких ускоряет в 300 раз присоединение О2 к гемоглобину. В тканях отдача О2 также ускоряется в 300 раз. Присоединение в легких первой молекулы кислорода  к одной из субъединиц гемоглобина изменяет ее конформацию. В результате она начинает влиять на следующую убъединицу, облегчая присоединение к ней кислорода. После этого они вдвоем влияют на третью субъединицу и так далее. В тканях первая молекула кислорода отделяется от своей субъединицы не очень легко, вторая уже быстрее и т.д. Олигомерные белки способны взаимодействовать с несколькими лигандами в центрах, удаленных друг от друга. Связывание одного протомера с лигандом изменяет конформацию этого протомера, а также всего олигомера и, кроме того, сродство к другим лигандам. Таким образом, функциональная активность олигомерных белков может регулироваться аллостерическими лигандами.

 Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами (обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение; они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра; эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах; аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: регуляция аллостерических ферментов обратима). Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы – клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.  Связь между структурой белка и его функцией можно рассмотреть на примере двух родственных белков: миоглобина и гемоглобина:

Миоглобин – мономер (состоит из одной полипептидной цепи), основная его функция – запасание кислорода в тканях. Имея высокое сродство к кислороду, миоглобин легко присоединяет его и отдает кислород только при интенсивной мышечной работе, когда парциальное давление кислорода падает ниже 10 мм рт. ст.

Гемоглобин – тетрамер (состоит из 4х протомеров). Основная функция гемоглобина – обратимое связывание с кислородом в легких, где парциальное давление кислорода высокое и гемоглобин взаимодействует с четырьмя молекулами кислорода.

В тканях СО2 и Н2О, образующиеся при катаболизме пищевых веществ, взаимодействуют с гемоглобином и уменьшают его сродство к кислороду, что облегчает поступление кислорода в ткани.

В эритроцитах имеется также аллостерический лиганд 2,3-дифосфоглицерат, способный взаимодействовать с дезоксигемоглобином. Это препятствует обратному связыванию освободившегося О2 с гемоглобином.

Таким образом, связывание гемоглобина с аллостерическими лигандами в тканях, при относительно высоком парциальном давлении, обеспечивает поступление кислорода в ткани.

Из рассмотренных примеров следует заключить, что аллостерический эффект является результатом связывания лиганда со специфическим участком белка. Это вызывает значительное изменение в белковой молекуле, которая в свою очередь влияет на активность другого, пространственно удаленного участка.  Кооперативные изменения конформации олигомерных белков составляют основу механизма регуляции функциональной активности не только гемоглобина, но и многих других белков.

Многиебелки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помоши водородных и ионных связей.

Способ совместной упаковки и укладки этих полипептидных цепей называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура имеется, например, у гемоглобина — содержащегося в эритроцих позвоночных красного пигмента, связывающего и переносящего кислород.

Как и у других глобулярных белков, гидрофобные боковые цепи гемоглобина скрыты внутри молекулы, а гидрофильные выставлены наружу, что делает гемоглобин растворимым в воде. Мутация, вызывающая замену одной из гидрофильных аминокислот на гидрофобную и тем самым снижающая растворимость гемоглобина, служит причиной болезни, известной как серповидноклеточная анемия.

Некоторые вирусы, например вирус табачной мозаики, имеют белковую оболочку, состоящую из многих полипептидных цепей, упакованных высокоупорядоченным образом.

Белки, состоящие из нескольких субъединиц, широко распространены в природе. Классический пример – четвертичная структура гемоглобина. Субъединицы принято обозначать греческими буквами. У гемоглобина имеется по две  и  субъединицы. Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении – это увеличивает степень насыщения кислородом. Четвертичную структуру гемоглобина обозначают как 22.
Субъединичное строение свойственно многим ферментам, в первую очередь тем, которые выполняют сложные функции. Например, РНК-полимераза из E.coli имеет субъединичную структуру , т.е. построен из четырех разнотипных субъединиц, причем -субъединица продублирована. Этот белок выполняет сложные и разнообразные функции – инициирует ДНК, связывает субстраты – рибонуклеозидтрифосфаты, а также переносит нуклеотидные остатки на растущую полирибонуклеотидную цепь и некоторые другие функции.

Работа многих белков подвержена т.н. аллостерической регуляции – специальные соединения (эффекторы) “выключают” или “включают” работу активного центра фермента. Такие ферменты имеют специальные участки опознавания эффектора. И даже существуют специальные регуляторные субъединицы, в состав которых в том числе входят указанные участки. Классический пример – ферменты протеинкиназы, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ на белки-субстраты.

Кооперативные изменения конформации протомеров.

Кислород связывается с протомерами гемоглобина чере железо(2),который соединен с 4 атомами азота пиррольных колец  и атомом азота Гис F8 белковой части протомера.Связывание кислорода с оставшейся координационной связью  железа происходит по другую сторону от плоскости гема.Гис Е7 обеспечивает оптимальные условия.Присоединение  кислорода к атому железа одного протомера вызывает его перемещение в плоскостьь гема,за ним перемещаются остаток Гис F8 и полипептидная цепь.Так как протомер связан с остальными протомерами,а белки обладают конформационной лабильностью,происходит изменение конформации всего белка.Конформационные изменения ,произошедшие в других протомерах,облегчают присоединение следующей молекулы кислорода ,что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы кислорода .Четвертая молекула кислорода присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче первой.

Изменение конформации(а следовательно и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединение лиганда только к одному из них носит название Кооперативные изменения конформации протомеров.

Аналогичным образом в тканях диссоцифция каждой молекулы кислорода изменяет конфоормацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул кислорода.