Строение одного протомера гемоглобина
Обратная связь
ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение
Как определить диапазон голоса – ваш вокал
Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими
Целительная привычка
Как самому избавиться от обидчивости
Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам
Тренинг уверенности в себе
Вкуснейший “Салат из свеклы с чесноком”
Натюрморт и его изобразительные возможности
Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.
Как научиться брать на себя ответственность
Зачем нужны границы в отношениях с детьми?
Световозвращающие элементы на детской одежде
Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия
Как слышать голос Бога
Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)
Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека – Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
Отёска стен и прирубка косяков – Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.
Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) – В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.
БИОХИМИЯ СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ
План
1. Понятие о сложных белках, простетических группах. Классификация сложных белков.
2. Биохимия гликопротеинов, их структура и функции в организме.
3. Биохимия фосфопротеинов, их структура и функции в организме.
4. Биохимия хромопротеинов, их структура и функции в организме.
5. Биохимия нуклеопротеинов, их структура и функции в организме.
6. Биохимия липопротеинов, структура и функции в организме.
1. Сложные белки или протеиды состоят в отличие от простых из белковой части и небелковой, которая называется простетической группой.
Классифицируют сложные белки в зависимости от простетической группы. Названия складываются из названия простетической группы и слова «протеин». Если простетическая группа:
– углевод – гликопротеин;
– остаток фосфорной кислоты – фосфопротеин;
– нуклеиновые кислоты – нуклеопротеин (РНК – рибонуклеопротеины, ДНК – дезоксирибонуклеопротеины).
Характеризовать сложный белок по следующей схеме:
1. название белка и его функция в организме;
2. охарактеризовать белковую часть: особенности состава и строения;
3. охарактеризовать небелковую часть;
4. охарактеризовать связи, которыми соединяются белковая и небелковая части.
1. Гликопротеины – сложные белки, простетической группой которых являются различные углеводы и их производные. Примером гликопротеинов являются: транспортные белки (трансферритин, транскортин, гаптоглобин и др.), факторы свертывания крови (протромбин, фибриноген), иммуноглобулины, ферменты (рибонуклеаза В, холинэстераза), гормоны (тиротропин, гонадотропин и др.) Клеточные гликопротеины, находящиеся на поверхности мембран, обеспечивают специфичность межклеточных контактов, влияют на дифференцировку тканей.
Особое внимание следует уделить строению и функциям коллагена. Это самый распространенный белок в организме человека; на его долю приходится примерно 1/3 от общего количества белков. Структура коллагена придает тканям следующие функции: механическую прочность и нерастяжимость. Сухожилия, которыми мышцы прикрепляются к костям, состоят в основном из волокон коллагена, которые, переплетаясь, крест-накрест, образуют нерастяжимую и очень прочную на разрыв структуру. Аналогичные структуры являются основой кожи, вообще соединительной ткани, органического матрикса костей, зубов.
Коллаген – сложный белок, гликопротеин: белковая часть представлена тремя левозакрученными спиралями в свою очередь закрученные в правую спираль.
Рис.1 Строение молекулы коллагена (а) и схема укладки молекул в коллагеновых фибриллах (б).
Особенности состава коллагенов:
1. каждая третья аминокислоты – глицин;
2. содержится редкие аминокислоты гидроксипролин (только в коллагене) и гидроксилизин (очень редкая);
Небелковая часть коллагена – углеводный компонент – моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (галактоза+глюкоза) остатки.
Углеводные компоненты связаны с белковой частью по гидроксильным остаткам некоторых остатков гидроксилизина (гликозидные связи).
2. Фосфопротеины – сложные белки, содержащие в качестве небелковой части остатки фосфорной кислоты (0,5-0,9 %). Например, казеиноген (казеин) молока является полноценным белком, содержащим все незаменимые аминокислоты, выполняет питательную функцию. В молоке он связан не только с остатками фосфорной кислоты, но и с ионами кальция (кальций и фосфор находятся в физиологически оптимальном соотношении, поэтому они хорошо усваиваются).
Простетическая группа связана с белковой частью эфирной связью через ОН-группы остатков серина и треонина.
3. Нуклеопротеины – сложные белки, которые в качестве простетической группы содержат нуклеиновые кислоты: а) ДНК и б) РНК.
а) простетическая группа ДНК – белок называется дезоксирибонуклеопротиен. Пример, структурная единица хроматина – нуклеосома – обеспечивает ультракомпактность упаковки ДНК.
Белковая часть представлена гистонами. Это небольшие белки с высоким содержанием лизина и аргинина. По относительному содержанию лизина и аргинина их делят на пять типов: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. каждая нуклеосома состоит из четырех пар молекул гистонов – 2 Н2А, 2 Н2В, 2Н3, 2Н4, обвитые снаружи суперспиралью ДНК со 150 оснований.
Положительнозаряженные группы лизина и аргинина белковой части взаимодействуют с отрицательнозаряженными группами остатков фосфорной кислоты ДНК.
Между нуклеосомами находиться участок ДНК (30 пар оснований) – линкерный участок, которая связана лишь с одной молекулой белка Н1.
б) Простетическая группа РНК – рубонуклеопротеины. Пример, рибосома эукариот.
Рибосма состоит из двух субъединиц – большой и малой. Белковая часть большой субъединицы представлена около 50 молекул различных белков, небелковая – тремя молекулами РНК (двух «легкой» и одной «тяжелой»). Белковая часть малой субъединицы представлена 33 белками и одной «средней» молекулой РНК.
Рибосома устройство для биосинтезе белка
.
4. Липотпротеины – в следующем семестре.
5. Хромопротеины – являются сложными белками, простетическая группой которых представлена окрашенными соединениями небелковой природы, откуда и возникло их название (от греч.chroma- краска). Окрашенная группа хромопротеинов может принадлежать к разным классам органических соединений: порфиринам, каротиноидам , производным витаминов и др.
Важнейшую группу хромопротеинов составляют так называемые гемопротеины: миоглобин, гемоглобин и ряд окислительно-восстановительных ферментов. Гемопротеины состоят из различных простых белков и небелковой части – гем.
Гемоглобинявляется сложным белком хромопротеином, состоит из простого белка глобина и небелковой части: четырех молекул гема. Гемоглобин проявляет свойства как белка, так и гема, но объединившись, смешанная молекула приобретает новые качества – дыхательную функцию, которая отдельно в глобине и геме находится только в зачаточном состоянии. Гемоголобин обеспечивает перенос кислорода от легких в ткани и удаление диоксида углерода из тканей.
Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединичных глобул ( протомеров). Например гемоглобин А ( основной гемоглобин человека) состоит из двух одинаковых субъединиц a ( по 141 аминокислотному остатку) и двух идентичных единиц b ( по 146 остатков). Его субъединичная формула-a2 b2, м.м. 64500. У человека, кроме того обнаружены : гемоглобин a2 e2 – в зародыше человека; гемоглобин F (a2 g2 ) – гемоглобин плода человека, а так же в небольших количествах другие гемоглобины. Как видно протомеры a являются общими для всех гемоглобинов человека.
Четыре протомера располагаются в виде тетраэдра .
рис.3 Схема четвертичной структуры молекулы гемоглобина. Заштрихованные области – места контактов a – и b- протомеров, зачерненные области – места расположения гемов, жирными линиями показаны «солевые мостики», существующие в дезоксигемоглобине. В центре небольшая полость.
Постоянная связь между протомерами обеспечивается гидрофобными взаимодействиями. Каждый a-протомер имеет хороший контакт с обоими b- протомерами. Между идентичными протомерами контакт слабее. Молекула гемоглобина легко диссоциирует на две ab-половинки. Взаимодействия между a и b¢ и между a¢ и b существенно более слабые, чем взаимодействие между a и b, а так же между a¢ и b¢ .Каждый протомер содержит гем, находящийся в гидрофобной «нише», что защищает его от окисления в ферриформу. Молекула гемоглобина, таким образом содержит 4 гема. Каждый гемм содержит атом Fe+2 , к которому присоединяется одна молекула кислорода.
Гемогруппы располагаются на внешней стороне протомеров. Расстояния между ними довольно велики 2,5 нм. Молекула гемоглобина существует в двух формах: « напряженной» (Т) и « релаксированной» (R) . Первая характерна для дезоксигемоглобина, вторая – для оксигемоглобина. Т- форма более жесткая, в отличие от R-формы она имеет 8 солевых мостиков:
1. Четыре солевых мостика между a-протомерами.
2. Два солевых мостика между разными протомерами: между a и b¢ и между a¢ и b.
3. По одному солевому мостику внутри каждого b-протомера.
В образовании четырех солевых мостиков участвуют С-концевые карбоксильные группы и боковые аминогруппы четырех лизинов, находящихся внутри a-цепей. В образовании других четырех солевых мостиков участвуют боковые карбоксильные группы четырех аспарагиновых кислот, с одной стороны, и боковые группы двух аргининов и двух гистидинов – с другой. При присоединении кислорода солевые мостики разрушаются, и Т-форма переходит в более компактную форму.
Строение одного протомера.
Каждый протомер имеет белковую часть и небелковую – гем.
Скелетом гема является кольцо порфина. Порфин – это 16-членное кольцо (макроцикл), построенное из 4 пятичленных азотсодержащих гетероциклов пиррола и его изомеров, соединенных между собой по альфа-углеродным атомам метиновыми группами таким образом, что образуется сопряженная система. b-углеродные атомы во всех кольцах порфина могут быть связаны с различными группами, в частности, метильными, винильными и остатками пропионовой кислоты, образуя молекулы различных протопорфиринов. Протопорфирины имеют много изомеров в зависимости от положения заместителей в макроцикле. Один из его изомеров, имеющий в положениях 1,3,5,8 метильные группы, в положениях 2 и 4 – винильные группы и в положениях 6 и 7 – пропильные, получил название протопорфирин IX (1,3,5,8- тетраметил-2,4-дивинил-6,7-дипропионовокислый порфин).
Рис. 1 Структура гема.
Комплекс протопорфина IX с Fe+2 называется гемом, а с Fe+3 – гемином.
Координационное число для железа равно шести. В геме железо связано двумя ковалентными связями с атомами азота II и IV колец и двумя координационными связями с атомами азота I и III колец.
Гем соединяется с белковой частью (глобином) гидрофобными связями между пиррольными циклами и гидрофобными радикалами аминокислот. Кроме того, имеется координационная связь между атомом железа и имидазольным кольцом одного из остатков гистидина в глобине. За счет еще одной координационной связи к атому железа может присоединяться молекула кислорода с образованием оксигемоглобина; валентность железа при этом не изменяется.
Рис.2.Смещение проксимального гистидина при оксигенировании дезоксигемоглобина
Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости, в то время как атом железа несколько выступает из этой плоскости.
При присоединении кислорода железо перемещается в плоскость пиррольных колец. Так как железо связано с остатком гистидина пептидной цепи, то происходит и перемещение участка пептидной цепи, то есть изменяется конформация белка. Таким образом, присоединение кислорода сопровождается изменением пространственной структуры.
Присоединение кослорода к гемоглобину носит кооперативный характер (труднее всего присоединяется первая молекула кислорода, а каждая последующая все легче).
Присоединение первой молекулы О2 с a-протомером происходит трудно, происходит изменение конформации a-протомера (атом железа входит в плоскость гемма и «тянет за собой ППЦ»). При этом рвутся две ионные связи между a и a¢ субъединицами. Субъединицы приобретают большую подвижность, что облегчает присоединение второй молекулы О2 к гему a¢-субъединицы. Оставшиеся две a-a¢ ионные связи при этом также разрываются, что дает возможность остальным гемам принять выгодное положение для присоединения кислорода. третья молекула кислорода соединяется с b субъединицей. Одна из ионных связей b-b¢ разрываются. облегчая доступ кислороду к последнему атому железа гема b¢. при этом разрывается последняя ионная связь b-b¢. В итоге 4-я молекула кислорода присоединяется к О2 примерно в 300 раз легче, чем 1-я.
Загруженный кислородом гемоглобин отдает его сначала с трудом, а затем все легче и легче. такое кооперативное поведение гемоглобина имеет физиологическое значение. если бы гемы действовали автономно, то загрузка кислорода потребовала бы 90-кратного перепада давления. А это невозможно, следовательно, основная масса кислорода не сможет оторваться от Hb. мы задохнулись бы даже в атмосфере кислорода.
Миоглобин– относительно небольшой глобулярный белок ( мол. вес 16700 ); осуществляет в мышцах внутриклеточный транспорт и кратковременное депонирование кислорода. Молекула его состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 153 аминокислотных остатка. В миоглобине, как и в гемоглобине содержится железопорфириновая группа ( гемогруппа , или гем ) , и он так же как и гемоглобин , способен обратимо присоединять кислород. Таким образом , миоглобин в структурном и функциональном отношении родствен гемоглобину, молекула которого состоит из четырех пептидных цепей и четырех гемогрупп, вследствие чего его молекулярный вес в 4 раза выше.
Рис.4 Строение молекулы миоглобина
Миоглобин содержится в клетках скелетных мышц; в особенно больших количествах он встречается у водных млекопитающих, например у китов, тюленей и моржей, мышцы которых настолько богаты миоглобином, что окрашены в коричневый цвет. Миоглобин служит не только для депонирования кислорода; но и для ускорения диффузии кислорода в клетке.
Остов молекулы миоглобина состоит из восьми относительно прямолинейных отрезков, разделенных между собой местами сгибов (находятся остатки пролинов). Каждый отрезок на протяжении всей своей длины закручен в виде a-спирали ; наиболее длинная спираль содержит 23 аминокислотных остатка , а наиболее короткая – 7 , причем все спирали являются правыми. Около 70% аминокислотных остатков, содержащихся в молекуле миоглобина, находятся в прямолинейных a-спиральных участках.
5. Гемоглобинопатии.Это состояния, связанные с изменением одного из трех свойств нормального гемоглобина- растворимость, сродство к кислороду или устойчивость к денатурации.
Гемоглобины с измененной растворимостью.
Наиболее часто встречающийся аномальный гемоглобин – серповидно-клеточный HbS, т.к. в b-цепях гемоглобина остаток глу- в положении 6 заменен на остаток валина . У индивидуумов, гомозиготных по HbS наблюдается серповидно-клеточная анемия, а гетерозиготы имеют только некоторые признаки заболевания, но обычно без клинических проявлений. У больных серповидно-клеточной анемией нормальная форма эритроцитов изменяется на форму серпа или полумесяца при превращении окси-HbS в дезокси-HbS в условиях низкого pО2.. Серповидные зритроциты обладают повышенной механической ломкостью и имеют более короткую по сравнению с нормой продолжительность жизни. Серповидно-клеточная анемия встречается чаще в районах эндемичных по малярии, так как считается, что малярийный плазмодий вызывает в эритроцитах образование HbS .
Дефекты, обусловленные нарушением синтеза цепей гемоглобина.
Нарушение синтеза какой либо цепи гемоглобина приводит к возникновению талассемий. При a-талассемии нарушается синтез a – цепи. Это приводит к уменьшению образования всех физиологических видов гемоглобина.. b-талассемия вызвана нарушением синтеза b-цепей. При всех видах талассемии изменяется продукция эритроидных клеток в костном мозге и насыщение эритроцитов гемоглобином.
Гемоглобины с измененным сродством к кислороду.
Метгемоглобин отличается от гемоглобина наличием трехвалентного железа. В норме у взрослого человека содержится в крови гемоглобина: 132-164 г/л – у мужчин и 115-145 г/л – у женщин. Метгемоглобин составляет 0,1-0,3% от общего гемоглобина. Восстановление метгемоглобина в гемоглобин происходит при участии НАДФ.Н2 –метгемоглобинредуктазы, в присутствии аскорбиновой кислоты. Метгемоглобинемия развивается при:
1) отравлении нитратами, нитритами, нитрозосоединениями, анилином, бромидами, сульфонамидами. Для новорожденных особую опасность представляет собой нитратсодержащая вода.
2) наследственном дефиците НАДФ-метгемоглоинредуктазы
3) наличии аномальных гемоглобинов.
Карбоксигемоглобин.
Сродство гемоглобина человека к СО больше чем в 200 раз превышает сродство к кислороду. Так как СО вытесняет О2 из оксигемоглобина, то при отравлении СО на коже и в тканях жертвы четко различим яркий вишнево-красный цвет, характерный для HbCO.
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 Fe2+. 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 Fe2+ 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-
2+
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
в тканях намного ниже (~ 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:
СО2 + Н2О → Н2СО3 → Н+ + НСО3-
Повышение концентрации Н+ вызывает протонирование ионогенных групп НЬ, что приводит к снижению его сродства к О2:
Н+ + НЬ О2 → Н+ НЬ + О2
Далее с дезоксигемоглобином взаимодействует
БФГ:
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:
Н+ + НСО-3 → Н2СО3 → СО2 + Н2О
Это стимулирует депротонирование гемоглобина:
Н+ НЬ → Н+ + НЬ
Высокое парциальное давление О2 приводит к оксигенированию НЬ, при этом вытесняется БФГ:
НЬ БФГ → НЬ + 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.