Шпаргалка по "Биохимии"

2. Строение  миоглобина

Миоглобин содержит небелковую часть (гем) и белковую часть (апомиоглобин).

• Гем - молекула, имеющая структуру циклического тетрапиррола, где 4 пиррольных кольца соединены метиленовыми мостиками и содержат 4 метальные, 2 винильные и 2 пропионатные боковые цепи. Эта органическая часть тема называется протопорфирином. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX. В теме 4 атома азота пиррольных колец протопорфирина IX связаны четырьмя координационными связями с Fe²⁺, находящимся в центре молекулы (рис. 1-29).
• Апомиоглобин - белковая часть миоглобина; первичная структура представлена последовательностью из 153 аминокислот, которые во вторичной структуре уложены в 8 ?-спиралей. ?-Спирали обозначают латинскими буквами от А до Н, начиная с N-конца полипептидной цепи, и содержат от 7 до 23 аминокислот. Для обозначения индивидуальных аминокислот в первичной структуре апомиоглобина используют либо написание их порядкового номера от N-конца (например, Гис₆₄, Фен₁₃₈), либо букву ?-спирали и порядковый номер данной аминокислоты в этой спирали, начиная с N-конца (например, Гис F₈).
• Третичная структура имеет вид компактной глобулы (внутри практически нет свободного места), образованной за счёт петель и поворотов в области неспирализованных участков белка. Внутренняя часть молекулы почти целиком состоит из гидрофобных радикалов, за исключением двух остатков Гис, располагающихся в активном центре.

3.Связывание  гема с апомиоглобтом

Гем - специфический лиганд апомиоглобина, присоединяющийся к белковой части в углублении

Рис. 1-29. Строение тема, входящего в состав миоглобина и гемоглобина.

между двумя ?-спиралями F и Е. Центр связывания с гемом образован преимущественно гидрофобными остатками аминокислот, окружающими гидрофобные пиррольные кольца тема. Две боковые группы пропионовых кислот, ионизированные при физиологических значениях рН, выступают на поверхности молекулы.

В активный центр  апомиоглобина кроме гидрофобных аминокислот входят также 2 остатка Гис (Гис₆₄ и Гис₉₃ или Гис Е₇ и Гис F₈), играющие важную роль в функционировании белка. Они расположены по разные стороны от плоскости тема и входят в состав спиралей F и Е, между которыми располагается гем. Атом железа в теме может образовывать 6 координационных связей, 4 из которых удерживают Fe²⁺ в центре протопорфирина IX (соединяя его с атомами азота пиррольных колец), а 5-я связь возникает между Fe²⁺ и атомом азота имидазольного кольца Гис F₈ (рис. 1-30).

Гис Е₇ хотя и не связан с гемом, но необходим для правильной ориентации и присоединения другого лиганда - О₂ к миоглобину.

Аминокислотное  окружение тема создаёт условия  для довольно прочного, но обратимого связывания О₂ с Fe²⁺ миоглобина. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие гем, препятствуют проникновению в центр связывания миоглобина воды и окислению Fe²⁺ в Fe³⁺. Трёхвалентное железо в составе тема не способно присоединять О₂.

Б. Структура и функции  гемоглобина

Гемоглобины - родственные  белки, находящиеся в эритроцитах  человека и позвоночных животных. Эти белки выполняют 2 важные функции:

• перенос О₂ из лёгких к периферическим тканям;
• участие в переносе СО₂ и протонов из периферических тканей в лёгкие для последующего выведения из организма.

Кровь ежедневно  должна переносить из лёгких в ткани  около 600 л ,О₂. Так как О₂ плохо растворим в воде, то практически весь кислород в крови связан с гемоглобином эритроцитов.

От способности  гемоглобина насыщаться О₂ в лёгких и относительно легко отдавать его в

Рис. 1-30. Расположение гема в активном центре апомиоглобина и протомеров апогемоглобина.

капиллярах тканей зависят количество получаемого  тканями О₂ и интенсивность метаболизма. С другой стороны, О₂ - сильный окислитель, избыток поступления О₂ в ткани может привести к повреждению молекул и нарушению структуры и функций клеток. Поэтому важнейшая характеристика гемоглобина - его способность регулировать сродство к О₂ в зависимости от тканевых условий.

Гемоглобины, так  же как миоглобин, относят к гемопротеинам, но они имеют четвертичную структуру (состоят из 4 полипептидных цепей), благодаря которой возникает возможность регуляции их функций.

1. Гемоглобины  человека

Гемоглобины взрослого человека

В эритроцитах  взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.

• Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из 2 полипептидных цепей ? и 2 ? (2?2?).
• Гемоглобин A₂ находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2 ?- и 2 ?-цепей.
• Гемоглобин А_1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (так называемый гликозилированный гемоглобин).

Гемоглобины, синтезирующиеся  в период внутриутробного развития плода:

• Эмбриональный гемоглобин синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Представляет собой тетрамер 2?2?. Через 2 нед после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться гемоглобин F, который к 6 мес замещает эмбриональный гемоглобин.
• Гемоглобин F - фетальный гемоглобин, синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2 ?- и 2 ?-цепей. После рождения ребёнка постепенно замещается на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода.

2. Строение  гемоглобина А

Строение протомеров гемоглобина

Конформация отдельных протомеров гемоглобина удивительно напоминает конформацию миоглобина, несмотря на то, что в первичной структуре их полипептидных цепей идентичны только 24 аминокислотных остатка. Протомеры гемоглобина, так же как и апомиоглобин, состоят из 8 спиралей, свёрнутых в плотную глобулярную структуру, содержащую внутреннее гидрофобное ядро и "карман" для связывания гема. Соединение гема с глобином (белковой частью) аналогично таковому у миоглобина - гидрофобное окружение гема, за исключением 2 остатков Гис Е₇ и Гис F₈ (рис. 1-31). Однако тетрамерная структура гемоглобина представляет собой более сложный структурно-функциональный комплекс, чем миоглобин.

Роль гистидина E₇ в функционировании миоглобина и гемоглобина

Гем имеет высокое сродство к оксиду углерода (СО). В водной среде свободный от белковой части гем связывается с СО в 25 000 раз сильнее, чем О₂. Высокая степень сродства гема к СО по сравнению с О₂ объясняется разным пространственным расположением комплексов Fe²⁺ гема с СО и О₂ (рис. 1-31, А).

В комплексе Fe²⁺ гема с СО атомы Fe²⁺, углерода и кислорода расположены на одной прямой, а в комплексе Fe²⁺ гема с О₂ атомы железа и кислорода расположены под углом, что отражает их оптимальное пространственное расположение.

В миоглобине и  гемоглобине над Fe²⁺ в области присоединения О₂ расположен Гис Е₇, нарушающий оптимальное расположение СО в центре связывания белков и ослабляющий его взаимодействие с гемом. Напротив, тот же Гис Е₇ создаёт оптимальные условия для связывания О₂ (рис. 1-31, Б). В результате сродство гема к СО в белках всего в 200 раз превышает его сродство к О₂.

Снижение сродства гемсодержащих белков к СО имеет важное биологическое значение. СО образуется в небольших количествах при катаболизме некоторых веществ, в частности

Рис. 1-31. Пространственное расположение СО и О₂, связанных со свободным гемом (А) и гемом в составе гемоглобина или миоглобина (Б).

гема. Этот эндогенно образующийся СО блокирует около 1% гемсодержащих белков. Если бы сродство тема к СО не уменьшалось под влиянием белкового окружения, эндогенный оксид углерода мог бы вызывать серьёзные отравления.

Четвертичная  структура гемоглобина

Четыре полипептидные  цепи, соединённые вместе, образуют почти правильную форму шара, где  каждая ?-цепь контактирует с двумя ?-цепями (рис. 1-32).

Так как в области  контакта между ?₁- и ?₁-, а также между ?₂- и ?₂-цепями находится много гидрофобных радикалов, то между этими полипептидными цепями формируется сильное соединение за счёт возникновения в первую очередь гидрофобных, а также ионных и водородных связей. В результате образуются димеры ?₁?₁, и ?₂?₂. Между этими димерами в тетрамерной молекуле гемоглобина возникают в основном полярные (ионные и водородные) связи, поэтому при изменении рН среды в кислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. Кроме того, димеры способны легко перемещаться относительно друг друга.

Так как поверхность  протомеров неровная, полипептидные цепи в центральной области не могут плотно прилегать друг к другу, в результате в центре формируется "центральная полость", проходящая сквозь всю молекулу гемоглобина.

3. Связывание  гемоглобина с О₂ в лёгких 
и его диссоциация из комплекта в тканях

Основная функция  гемоглобина - доставка О₂ от лёгких к тканям. Олигомерная структура гемоглобина обеспечивает быстрое насыщение его кислородом в лёгких (образование оксигемоглобина - Нb(О₂)₄), возможность отщепления кислорода от гемоглобина в капиллярах тканей при относительно высоком парциальном давлении О₂, а также возможность регуляции сродства гемоглобина к О₂ в зависимости от потребностей тканей в кислороде.

Кооперативные изменения  конформации протомеров

О₂ связывается с протомерами гемоглобина через Fe²⁺ , который соединён с четырьмя атомами азота пиррольных колец тема и атомом азота

Рис. 1-32. Строение гемоглобина.

Гис F₈ белковой части протомера. Связывание О₂ с оставшейся свободной координационной связью Fe²⁺ происходит по другую сторону от плоскости гема в области Гис Е₇(аналогично тому, как это происходит у миоглобина). Гис Е₇ не взаимодействует с О₂, но обеспечивает оптимальные условия для его связывания (рис. 1-33).

В дезоксигемоглобине благодаря ковалентной связи с белковой частью атом Fe²⁺ выступает из плоскости гема в направлении Гис F₈. Присоединение О₂ к атому Fe²⁺одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, за ним перемещаются остаток Гис F₈ и полипептидная цепь, в состав которой он входит. 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 О₂, что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы О₂. Четвёртая молекула О₂ присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула (рис. 1-34).

Рис. 1-33. Изменение  прложения Fe²⁺ и белковой части гемоглобина при присоединении О₂.

Рис. 1-34. Кооперативные  изменения конформации протомеров гемоглобина при присоединении О₂.

Изменение конформации (а следовательно и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров.

Аналогичным образом  в тканях диссоциация каждой молекулы О₂ изменяет конформацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул О₂.

Кривые диссоциации  О₂ для миоглобина и гемоглобина

Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации О₂ для миоглобина и гемоглобина (рис. 1-35).

Отношение занятых  О₂ участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные белки О₂ при различных значениях парциального давления кислорода.

Кривая диссоциации  О₂ для миоглобина имеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие посторонние факторы (схема ниже).

Схема

 

Рис. 1-35. Кривые диссоциации  кислорода для миоглобина и гемоглобина  в зависимости от парциального давления кислорода.

Процессы образования  и распада оксимиоглобина находятся  в равновесии, и это равновесие смещается влево или вправо в  зависимости от того, добавляется  или удаляется кислород из системы. Миоглобин связывает кислород, который  в капиллярах тканей высвобождает гемоглобин, и сам миоглобин может освобождать  О₂ в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании О₂ в результате физической нагрузки.