Лиганды присоединяются к гемоглобину

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГЕМОГЛОБИНА

Гемоглобин (НЬ)— сложный олигомерный белок, состоящий из 4 протомеров двух типов (2α и 2β), включающих 574 аминокислотных остатка. Содержится в эритроцитах, на его долю приходится до 90% массы белков клетки. Гемоглобин обеспечивает перенос кислорода из легких в ткани и удаление диоксида углерода из тканей.

В мышцах внутриклеточный транспорт и кратковременное депонирование кислорода осуществляет другой белок — миоглобин (Mb). Он не является олигомером, так как состоит только из одной полипептидной цепи, конформация которой очень похожа на пространственную структуру β-цепи гемоглобина (рис. 1.20). Большую часть молекулы

Рис. 1.20. Структура миоглобина иβ-цепи гемоглобина

А— миоглобин; Б— β-цепь гемоглобина

Mb и протомеров Hb составляют 8 α-спиральных участков, образующих глобулу с гидрофобным углублением, в котором находится центр связывания с кислородом (активный центр).При этом полипептидные цепи миоглобина и протомеров гемоглобина идентичны всего на 20%.

Оба белка являются холопротеинами, простетическая группа — гем, который находится в активном центре и участвует во взаимодействии с кислородом (рис. 1.21). Гем(ферропротопорфирин) представляет собой органическое соединение с плоской молекулой, включающей 4 пиррольных цикла и ион железа Fe 2 +. Он является окрашенным соединением и придает красный цвет гемоглобину, эритроцитам (красные кровяные тельца) и крови.

Гем присоединяется к неполярным радикалам активного центра своими пиррольными циклами, а также к радикалу гистидина с помощью атома Fe. Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости, а ион Fe 2 + в неоксигенированом состоянии Hb выступает над плоскостью на 0,6 А. При присоединении кислорода ион железа погружается в плоскость колец гема (рис. 1.22). В результате сдвигается и участок полипептидной цепи, нарушаются слабые связи в молекуле Hb и изменяется конформация всей глобулы. Таким образом, присоединение кислорода вызывает изменение пространственной структуры молекулы миоглобина или протомеров гемоглобина.

Рис. 1.21. Строение гемоглобина и гема

А— гемоглобин— сложный белок, олигомер, состоит из 2 α- и 2 β-субъединиц глобина, каждая имеет центр связывания, где располагается небелковая часть молекулы — гем. Он участвует в присоединении молекулы кислорода. Между протомерами образуется аллостерический центр для присоединения регуляторного лиганда гемоглобина 2,3-бисфосфоглицерата;

Б— гем— простетическая группа гемоглобина, миоглобина и других гемопротеинов. Связывается с глобином гидрофобными связями между пиррольными циклами и гидрофобными радикалами аминокислот. В центре молеку-

лы расположен ион железа (Fe ), который образует 6 координационных связей: 4 — с атомами азота пиррольных колец гема, 1 — с азотом радикала гистидина цепей глобина, 1 — с молекулой кислорода. В присоединении О2к гему участвует еще один радикал гистидина цепи глобина

Рис. 1.22. Взаимодействие кислорода с гемом в миоглобине и гемоглобине

Молекула миоглобина может присоединять только 1 молекулу кислорода в свой активный центр:

Гемоглобин является олигомерным белком и имеет ряд особенностей функционирования, характерных для всех олигомерных белков. Молекула гемоглобина состоит из 4 протомеров и имеет 4 центра связывания О2 (активные центры). Гемоглобин может существовать как в свободной (дезоксигемоглобин), так и в оксигенированной форме, присоединяя до 4 молекул кислорода. Взаимодействие с кислородом 1-го протомера вызывает изменение его конформации, а также кооперативные конформационные изменения остальных протомеров (рис. 1.23, А). Сродство к кислороду возрастает, и присоединение О2 к активному центру 2-го протомера происходит легче, вызывая дальнейшую конформационную перестройку всей молекулы. В результате еще сильнее изменяется структура оставшихся протомеров и их активных центров, взаимодействие с О2 еще больше облегчается. В итоге 4-я молекула кислорода присоединяется к Hb примерно в 300 раз легче, чем 1-я (рис. 1.23, Б). Так происходит в легких при высоком парциальном давлении кислорода. В тканях, где содержание кислорода

ниже, наоборот, отщепление каждой молекулы О2 облегчает освобождение последующих.

Таким образом, взаимодействие олигомерного белка гемоглобина с лигандом (О2) в одном центре связывания приводит к изменению конформации всей молекулы и других, пространственно удаленных центров, расположенных на других субъединицах (принцип «домино»). Подобные взаимосвязанные изменения структуры белка называют кооперативными конформационными изменениями.Они характерны для всех олигомерных белков и используются для регуляции их активности.

Взаимодействие обоих белков (Mb и Hb) с кислородом зависит от его парциального давления в тканях. Эта зависимость имеет разный характер, что связано с их особенностями структуры и функционирования (рис. 1.24).

Гемоглобин имеет S-образную кривую насыщения, которая показывает, что субъединицы белка работают кооперативно, и чем больше кислорода они отдают, тем легче идет освобождение остальных молекул О2. Этот процесс зависит от изменения парциального давления кислорода в тканях.

График насыщения миоглобина кислородом имеет характер простой гиперболы, т.е. насыщение Mb кислородом происходит быстро и отражает его функцию — обратимое связывание с

Рис. 1.23. Кооперативные изменения конформации молекулы гемоглобина при взаимодействии с кислородом

А— при взаимодействии молекулы дезоксигемоглобина НЬ с О2 происходят кооперативные конформационные изменения, которые сопровождают присоединение каждой последующей молекулы кислорода; Б— в результате изменения конформации активного центра возрастает сродство НЬ к кислороду, 4-я молекула кислорода присоединяется к оксигенированному гемоглобину [НЬ(О2)3] в 300 раз легче, чем 1-я

Рис. 1.24. Кривые насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом

кислородом, высвобождаемым гемоглобином, и освобождение в случае интенсивной физической нагрузки.

Изменение сродства гемоглобина к О2 обеспечивает быстрое насыщение крови кислородом в легких, а также освобождение и передачу его в ткани. Миоглобин обладает более высоким сродством к О2, поэтому связывает и передает в митохондрии клеток кислород, транспортируемый НЬ в мышцы.

Гемоглобин доставляет в сутки до 600 л (850 г) О2 в ткани и способствует удалению из них

500 л (1000 г) СО2. Движущей силой этих потоков является градиент концентраций О2 между альвеолярным воздухом и межклеточной жидкостью. Парциальное давление О2 в альвеолярном воздухе составляет 100 мм рт.ст. Парциальное давление О2

40 мм рт.ст.), что обусловлено поступлением и использованием кислорода митохондриями клеток, где он превращается в Н2О. Таким образом О2 поглощается клетками.

Обмен О2 и СО2 происходит в капиллярах: в легких О2 переходит из альвеолярного воздуха в эритроциты, а СО2 — в обратном направлении; в капиллярах тканей О2 из эритроцитов перемещается в клетки тканей, а СО2 — в обратном направлении (рис. 1.25).

Изменение функциональной активности белка при взаимодействии с другими лигандами вследствие конформационных изменений называется аллостерической регуляцией,а соединения-регуляторы —аллостерическими лигандами.Способность к аллостерической регуляции характерна, как правило, для олигомерных белков, т.е. для проявления аллостерического эффекта необходимо взаимодействие протомеров. При воздействии аллостерических лигандов белки меняют свою конформацию (в том числе и активного центра) и функцию.

Молекула гемоглобина способна связываться с несколькими лигандами: О2, Н+, СО2, 2,3-бис- фосфоглицератом (БФГ). Н+, СО2 и БФГ являются аллостерическими регуляторами активности гемоглобина и присоединяются к участкам (аллостерическим центрам), пространственно удаленным от активного центра.

Концентрация аллостерических лигандов снижает сродство гемоглобина к кислороду, а миоглобин и отдельные субъединицы гемоглобина нечувствительны к изменениям концентрации Н+, СО2 и БФГ, т.е. аллостерические свойства гемоглобина возникают только в результате взаимодействия субъединиц.

Рис. 1.25. Перенос кислорода и диоксида углерода гемоглобином. Эффект Бора

БФГ образуется из глюкозы в эритроцитах и является одним из регуляторов работы гемоглобина. Его молярная концентрация в крови близка к молярной концентрации НЬ. В центре молекулы гемоглобина полипептидные цепи 4 протомеров образуют полость (аллостерический центр), причем величина ее увеличивается в дезоксигемоглобине и уменьшается в оксигемоглобине. БФГ поступает в полость дезоксигемоглобина, связываясь с положительно заряженными группами на β-протомере (рис. 1.26). При этом его сродство к О2 снижается в 26 раз. В результате происходит высвобождение кислорода в капиллярах ткани при низком парциальном давлении О2.

Рис. 1.26. Связывание БФГ с дезоксигемоглобином

Центр связывания БФГ находится в положительно заряженной полости между 4 протомерами гемоглобина. Взаимодействие БФГ с центром связывания изменяет конформацию α- и β-протомеров НЬ и их активных центров. Сродство НЬ к молекулам О2 снижается и кислород высвобождается в ткани. В легких при высоком парциальном давлении О2 активные центры гемоглобина насыщаются за счет изменения конформации и БФГ вытесняется из аллостерического центра

В легких высокое парциальное давление О2, наоборот, приводит к оксигенированию НЬ и освобождению БФГ.

Содержание БФГ в крови человека соответствует содержанию гемоглобина и повышается при понижении содержания кислорода в воздухе (гипоксии) или затруднении дыхания при заболеваниях легких. Понижение его концентрации ухудшает снабжение тканей кислородом.

Это важно учитывать при переливании крови и сохранять необходимую концентрацию БФГ при консервации. Переливание донорской крови с пониженным содержанием БФГ может привести к гипоксии и гибели больных.

В регуляции работы гемоглобина основная роль принадлежит протонам Н + . • В тканиНЬ поступает преимущественно в виде НЬ(О2)4. Но при низком парциальном давлении О2 происходит отщепление части кислорода. Увеличение содержания не полностью оксигенированных форм НЬ облегчает высвобождение О2.

В мышцах образуется много СО2, который под действием карбоангидразы превращается в угольную кислоту Н2СО3, диссоциирующую на Н + и бикарбонат-ион:

Повышение концентрации Н + вызывает протонирование ионогенных групп НЬ, что приводит к снижению его сродства к О2:

Далее с дезоксигемоглобином взаимодействует

В легкиепоступает кровь с высоким содержанием дезоксигемоглобина, протонированного, связанного с БФГ или СО2. В такой форме гемоглобин имеет пониженное сродство к О2.

Из капилляров диффундирует СО2, освобождающийся в результате реакции:

Это стимулирует депротонирование гемоглобина:

Высокое парциальное давление О2 приводит к оксигенированию НЬ, при этом вытесняется БФГ:

Частичное оксигенирование гемоглобина повышает его сродство к кислороду, все реакции, приведенные выше, происходят в обратном порядке.

Зависимость сродства гемоглобина к кислороду от концентрации ионов водорода (Н+) получила названиеэффекта Борапо имени датского физиолога, изучавшего функционирование гемоглобина (см. рис. 1.25).

Таким образом, количество транспортируемого гемоглобином в ткани кислорода регулируется и повышается при увеличении содержания СО2 и Н + в крови (например, при интенсивной физической работе); при сдвиге рН крови в щелочную сторону (алкалозе) доставка кислорода в ткани понижается.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9350 —

| 7414 — или читать все.

источник

Вопрос 6. Строение гема, производные гемоглобина

В состав молекулы гемоглобина входят 4 одинаковые гемовые группы. Гем представляет собой порфирин, содержащий центрально расположенный ион Fe 2+ . Является производным порфина, который представляет собой конденсированную систему из 4 пирролов, соединенных между собой метиновыми мостиками (-СН=). В зависимости от строения заместителей в порфине различают несколько разновидностей гемов.

гем IX – наиболее распространенная разновидность гема. Производным порфина в нем является протопорфирин IX (1,3,5,8 – тетраметил-2,4 – дивинил – 6, 7 – дипропионовокислый порфин);

гем а (формилпорфирин). Гем а вместо метильной группы содержит формильный остаток в восьмом положении (-СНО) и вместо одной винильной группы (во втором положении) изопреноидную цепь. Гем а входит в состав цитохромоксидазы;

гем с, в котором с винильными (-СН=СН2) группами в положениях 2 и 4 связаны остатки цистеина. Входит в состав цитохрома С;

гем  представляет собой железодигидропорфирин 4.

Гем является простетической группой не только гемоглобина и его производных, но и миоглобина, каталазы, пероксидазы, цитохромов, фермента триптофанпироллазы, катализируещего окисление троптофана в формилкинуренин.

Координационное число для атомов железа равно 6. В геме железо связано двумя ковалентными связями с атомами азота двух пиррольных колец и двумя координационными связями с атомами азота остальных пиррольных колец. Пятая и шестая координационные связи железа распределяются по-разному, в зависимости от того в состав какой белковой молекулы входит гем, в зависимости от её функций. Так, например, в цитохромах 5 и 6 координационные связи железа соединены с остатками гистидина и метионина. Такое расположение гема в цитохромах, необходимо для выполнения их специфической функции – переноса электронов в дыхательной цепи. Переходы Fe 3+ + е= Fe 2+ ; Fe 2+ -е= Fe 3+ создают возможность перебрасывать электроны от одного цитохрома к другому.

Рассмотрим подробнее расположение гема в составе гемоглобина (миоглобина). Гем расположен в щели между спиралями Е и F; его полярные пропионатные группы ориентированы к поверхности глобулы, а остальная часть находится внутри структуры и окружена не полярными остатками, за исключением His F8 и His F7. Пятое координационное положение атома железа занято атомом азота гетероциклического кольца проксимального гистидина His F8. Дистальный гистидин (His F7) расположен по другую сторону гемого кольца, почти напротив His F8, но шестое координационное положение атома железа остаётся свободным. Из двух не использованных координационных связей одна идет на соединение с белком, а вторая – на соединение с различными лигандами (физиологическими – кислород, вода и чужеродными – диоксид углерода, цианид и т.д.).

Производные гемоглобина

Гемоглобин взаимодействует с различными лигандами, для этого предназначена шестая координационная связь железа в геме. К производными гемоглобина относят:

оксигемоглобин HbО2 – соединение молекулярного кислорода с гемоглобином. Чтобы подчеркнуть тот факт, что валентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют не окислением, а оксигенацией; обратный процесс называется дезоксигенацией. Когда хотят специально отметить, что гемоглобин не связан с кислородом, его называют дезоксигемоглобином;

карбоксигемоглобин HbСО. Валентность железа в результате присоединения угарного газа (моноксида углерода – СО) также остается II. СО связывается с гемом примерно в двести раз прочнее, чем связь гем- О2. Не большая часть молекул гемоглобина (1%) в нормальных условиях связывает СО. У курильщиков же к вечеру эта величина достигает 20%. При отравлении монооксидом углерода наступает смерть от удушья, недостаточного снабжения тканей кислородом.

метгемоглобин (HbОН). Он не связывает молекулярный кислород. Атом железа в его молекуле находится в степени окисления 3+. Метгемоглобин образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). В крови человека метгемоглобин находится в незначительных количествах, но при некоторых заболеваниях (например, нарушение синтеза ГЛ-6-фосфатДГ), либо при отравлении окислителями его содержание возрастает, что может быть причиной летального исхода, так как метгемоглобин не способен к переносу кислорода от легких к тканям;

цианметгемоглобин (HbСN) – метгемоглобин оказывает и положительное действие. Он связывает СN — с образованием цианметгемоглобина и спасает организм от смертельного действия цианидов. Поэтому для лечения отравлений цианидами применяют метгемоглобинообразователи (тот же нитрит Na);

карбгемоглобин образуется, когда гемоглобин связывается с СО2. Однако СО2 присоединяется не к гему, а к NН2 – группам глобина:

Причем дезоксигемоглобин связывает больше СО2, чем оксигемоглобин. Образование карбгемоглобина используется для выведения СО2 из тканей к легким. Этим путем выводится 10-15% СО2.

Вопрос 7. Механизм насыщения гемоглобина кислородом

За счет шестой координационной связи к атому железа присоединяется молекула кислорода с образованием оксигемоглобина. Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости в то время как атом железа несколько выступает из этой плоскости. Присоединение кислорода «выпрямляет» молекулу гема: железо перемещается в плоскость пиррольных колец на 0,06 нм, так как диаметр координационной сферы атома железа уменьшается. Гемоглобин связывает 4 молекулы кислорода (по одной молекуле на гем в каждой субъединице). Оксигенерирование сопровождается значительными конформационными изменениями в гемоглобине. Перемещаясь в плоскость пиррольных колец, Fe, соединенное в 5 координационном положении с остатком HisF8 «тянет» пептидную цепь на себя. Происходит изменение конформации этой цепи и связанных с ней других полипептидных цепей, поскольку один протомер соединен многими связями с другими протомерами. Это явление называют коопреативностью изменения конформации протомеров. Изменения конформации таковы, что первоначальное связывание О2 с одной субъединицей ускоряет связывание молекул кислорода с отстальными субъединицами. Это явление известно как гомотропный положительный кооперативный эффект (гомотропный, потому что участвует только кислород). Именно это обуславливает сигмовидный характер кривой насыщения гемоглобина кислородом. Четвертая молекула кислорода присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула. Чтобы составить себе более ясное представление об этом механизме, целесообразно рассматривать структуру гемоглобина в виде двух гетеродимеров, образованных  и  — субъединицами: 1 1 и 2 2. Незначительный сдвиг атома железа приводит к тому, что одна /  пара субъединиц, поворачивается относительно другой /  — пары. При этом между субъединицами разрушаются нековалентные связи, обусловленные электростатическими взаимодействиями. Один набор связей между димерами замещается на другой, происходит их относительная ротация.

Четвертичная структура частично оксигенерированного гемоглобина описывается как Т-состояние (от англ. Taut –напряжение), полностью оксигенерированному гемоглобину (HbО2) отвечает R – состояние (relaxed- релаксирование). Состояние характеризуется меньшим сродством к кислороду, вероятности перехода из Т- формы в R-форму повышается по мере последовательного оксигенерирования каждой из 4 гемогрупп. Солевые мостики (нековалентные связи) по мере присоединения кислорода разрушаются, увеличивая вероятность перехода из Т – формы в R- форму (состояние высокого сродства).

источник