Шпаргалка по "Биохимии"

Миоглобин имеет  очень высокое сродство к О₂. Даже при парциальном давлении О₂, равном 1-2 мм рт. ст., миоглобин остаётся связанным с О₂ на 50%.

Кривая диссоциации  О₂ для гемоглобина. Из графика на рис. 1-35 видно, что гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О₂; полунасыщение гемоглобина О₂ наступает при более высоком давлении О₂ (около 26 мм рт. ст.).

Кривая диссоциации  для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О₂отдают протомеры, тем легче идёт отщепление последующих молекул О₂.

В капиллярах покоящихся мышц, где давление О₂ составляет около 40 мм рт. ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе давление О₂ в капиллярах мышц падает до 10-20 мм рт. ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт. ст.) располагается "крутая часть" S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

Следовательно, благодаря  уникальной структуре каждый из рассмотренных  белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин - присоединять О₂, высвобождаемый гемоглобином, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин - присоединять О₂ в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать О₂ в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления О₂

4. Перенос  Н⁺ и С0₂ из тканей в лёгкие 
с помощью гемоглобина. Эффект Бора

Окисление органических веществ с целью получения  энергии происходит в митохондриях клеток с использованием О₂, доставляемого гемоглобином из лёгких. В результате окисления веществ образуются конечные продукты распада - СО₂ и Н₂О, количество которых пропорционально интенсивности процессов окисления. СО₂, образовавшийся в тканях, транспортируется в эритроциты. Там под действием фермента карбангидразы происходит увеличение скорости образования Н₂СО₃. Слабая угольная кислота может диссоциировать на Н⁺ и НСО₃^-

СО₂ + Н₂О - H₂CO ₃ - H⁺ + HCO₃^-.

Равновесие реакции  в эритроцитах, находящихся в  капиллярах тканей, смещается вправо, так как образующиеся в результате диссоциации угольной кислоты протоны  могут присоединяться к специфическим  участкам молекулы гемоглобина: к радикалам  Гис₁₄₆ двух ?-цепей, радикалам Гис₁₂₂ и концевым ?-аминогруппам двух ?-цепей. Все эти 6 участков при переходе гемоглобина от окси- к дезоксиформе приобретают большее сродство к Н⁺ в результате локального изменения аминокислотного окружения вокруг этих участков (приближения к ним отрицательно заряженных карбоксильных групп аминокислот).

Присоединение 3 пар  протонов к гемоглобину уменьшает  его сродство к О₂ и усиливает транспорт О₂ в ткани, нуждающиеся в нём (рис. 1-36, А). Увеличение освобождения О₂ гемоглобином в зависимости от концентрации Н+ называют эффектом Бора (по имени датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект).

В капиллярах лёгких высокое парциальное давление О₂ приводит к оксигенированию гемоглобина и удалению 6 протонов. Реакция СО₂ + Н₂О - Н₂СО₃ - Н⁺ + НСО₃^-сдвигается влево и образующийся СО₂ выделяется в альвеолярное пространство и удаляется с выдыхаемым воздухом (рис. 1-36, Б).

Следовательно, молекула гемоглобина в ходе эволюции приобрела  способность воспринимать и реагировать  на информацию, получаемую из окружающей среды. Увеличение концентрации протонов в среде снижает сродство О₂ к гемоглобину и усиливает его транспорт в ткани (рис. 1-37).

Большая часть  СО₂ транспортируется кровью в виде бикарбоната НСО₃^-. Небольшое количество

Рис. 1-36. Перенос  Н⁺ и СО₂ с кровью. Эффект Бора. А - влияние концентрации СО₂ и Н⁺ на высвобождение О₂ из комплекса с гемоглобином в тканях (эффект Бора); Б - оксигенирование дезоксигемоглобина в лёгких, образование и выделение СО₂.

Рис. 1-37. Влияние  рН на кривую диссоциации О₂ для гемоглобина.

СО₂ (около 15-20%) может переноситься в лёгкие, обратимо присоединяясь к неионизированным концевым ?-аминогруппам. R-NH₂+ СО₂ = R-NH-COO + Н⁺, в результате образуется карбогемоглобин, где R - полипептидная цепь гемоглобина. Присоединение СО₂ к гемоглобину также снижает его сродство к О₂.

5. 2,3-Бифосфоглицерат - аллостертеский регулятор сродства гемоглобина к О₂

2,3-Бифосфоглицерат  (БФГ) - вещество, синтезируемое в  эритроцитах из промежуточного  продукта окисления глюкозы 1,3-бифосфоглицерата.

2,3-Бифосфоглицерат

Регуляция с помощью 2,3-бифосфоглицерата сродства гемоглобина  к О₂

В нормальньж условиях 2,3-бифосфоглицерат присутствует в эритроцитах примерно в той же концентрации, что и гемоглобин. БФГ, присоединяясь к гемоглобину, также может менять его сродство к О₂.

В центре тетрамерной молекулы гемоглобина есть полость, образованная аминокислотными остатками всех четырёх протомеров.

Центральная полость - место присоединения БФГ.

Размеры центральной  полости могут меняться: отщепление О₂ от оксигемоглобина вызывает его конформационные изменения, которые способствуют образованию дополнительных ионных связей между димерами ?₁?₁ и ?₂?₂. В результате пространственная структура дезоксигемоглобина становится более жёсткой, напряжённой, а центральная полость расширяется.

Поверхность полости  ограничена остатками аминокислот, в числе которых имеются положительно заряженные радикалы Лиз₈₂, Гис₁₄₃ ?-цепей и положительно заряженные ?-аминогруппы N-концевого валина ?-цепей. В расширенную полость дезоксигемоглобина БФГ, имеющий сильный отрицательный заряд, присоединяется с помощью ионных связей, образующихся с положительно заряженными функциональными группами двух ?-цепей гемоглобина. Присоединение БФГ ещё сильнее стабилизирует жёсткую структуру дезоксигемоглобина и снижает сродство белка к О₂ (рис. 1-38).

Присоединение БФГ  к дезоксигемоглобину происходит в участке, ином по сравнению с ге-мом, где происходит связывание О₂. Такой лиганд называется"аллостерический", а центр, где связывается аллостерический лиганд, - "аллостерический центр" (от греч. "аллос" - другой, иной, "стерос" - пространственный).

В лёгких высокое  парциальное давление О2 приводит к оксигенированию гемоглобина. Разрыв

Рис. 1-38. Взаимодействие 2,3-бифосфоглицерата с аминокислотными  остатками центральной полости  дезоксигемоглобина.

ионных связей между димерами ?₁?₁ и ?₂?₂ приводит к "расслаблению" белковой молекулы, уменьшению центральной полости и вытеснению БФГ.

Изменение концентрации БФГ как механизм адаптации организма  к гипоксии. Концентрация БФГ в эритроцитах людей, живущих в определённых климатических условиях, - величина постоянная. Однако в период адаптации к высокогорью, когда человек поднимается на высоту более 4000 м над уровнем моря, концентрация БФГ уже через 2 дня возрастает почти в 2 раза (от 4,5 до 7,0 мМ). Это снижает сродство гемоглобина к О₂ и увеличивает количестве О₂, транспортируемого в ткани (рис. 1-39).

Такую же адаптацию  наблюдают у больных с заболеваниями  лёгких, при которых развивается  общая гипоксия тканей. Так, у больных  с тяжёлой обструктивной эмфиземой лёгких парциальное давление в них снижается от 100 до 50 мм рт. ст. Но при этом в эритроцитах усиливается выработка БФГ, и его концентрация повышается с 4,5 до 7,0 мМ, что существенно увеличивает доставку О₂ в ткани.

Рис. 1-39. Влияние  различных концентраций 2,3-бифосфоглицерата на сродство гемоглобина к О₂.

Клиническое значение концентрации БФГ в консервированной крови

В крови, консервированной в некоторых средах, например цитратдекстрозной, за 10 дней концентрация БФГ снижается с 4,5 до 0,5 мМ. Гемоглобин такой крови имеет очень высокое сродство к О₂. Если кровь со сниженной концентрацией БФГ переливать тяжелобольным, возникает опасность развития гипоксии тканей. Введённые с кровью эритроциты за 24 ч могут восстановить лишь половину нормальной концентрации БФГ. Добавлением в кровь БФГ нельзя восстановить нормальную концентрацию его в эритроцитах, так как, имея высокий отрицательный заряд, БФГ не может проникать через мембраны эритроцитов. Поэтому в настоящее время в кровь добавляют вещества, способные проникать через мембрану эритроцитов и поддерживать в них нормальную концентрацию БФГ.

6. Регуляторные  свойства олигомерного белка 
гемоглобина

Таким образом, олигомерный белок гемоглобин, в отличие от мономерного родственного белка миоглобина, способен присоединять к специфическим участкам 4 различных лиган-да: О₂, Н⁺, СО₂ и БФГ. Все эти лиганды присоединяются к пространственно разобщённым участкам, но конформационные изменения белка в месте присоединения одного лиганда передаются на весь олигомерный белок и изменяют сродство к нему других лигандов. Так, количество поступающего в ткани О₂ зависит не только от парциального давления О₂, но и концентрации аллостерических лигандов, что увеличивает возможность регуляции функций гемоглобина.

Как мы уже рассматривали  выше, в капиллярах работающей мышцы  увеличение концентрации СО₂ и Н⁺ уменьшает сродство гемоглобина к О₂ и увеличивает отдачу его в ткани. При длительной гипоксии усиливается синтез 2,3-БФГ в эритроцитах, что также снижает сродство гемоглобина к О² и при том же парциальном давлении О²увеличивает его транспорт в ткани.

Следовательно, благодаря  воздействию регуляторных лигандов олигомерные белки способны приспосабливать свою конформацию и фунцию к изменениям, происходящим в окружающей среде.

7. Особенности строения 
и функционирования гемоглобина плода

Фетальный гемоглобин (HbF) заменяет эмбриональный гемоглобин, начиная синтезироваться в печени через 2 нед после её формирования у плода. С 6 мес развития плода до его рождения это основной гемоглобин эритроцитов. После рождения ребёнка он интенсивно начинает замещаться на гемоглобин А.

В физиологических  условиях HbF имеет более высокое сродство к О₂, чем НbА, что создаёт оптимальные условия для транспорта О₂ из крови матери в кровь плода. Это свойство HbF обусловлено тем, что он слабее, чем НЬА связывается с 2,3-БФГ. Физиологические особенности HbF связаны с особенностями его строения: вместо ?-глобиновых цепей в НЬА, он содержит две ?-цепи (р-подобные). Связывание 2,3-БФГ с НЬА происходит при участии положительно заряженных радикалов аминокислот двух ?-цепей, некоторые из которых отсутствуют в первичной структуре ?-цепей. В среде, лишённой 2,3-БФГ, НbА и HbF проявляют одинаковое высокое сродство к О₂.

В. Наследственные нарушения  первичной структуры и функций  гемоглобина А - наследственные гнмоглобинопатии

Важность первичной  структуры белков для формирования их конформации и функции можно проследить на примерах наследственных заболеваний, связанных с изменением первичной структуры гемоглобина. В настоящее время известно около 300 вариантов НЬА, имеющих в первичной структуре ?- или ?-цепей лишь небольшие изменения. Некоторые из них почти не влияют на функцию белка и здоровье человека, другие снижают функцию белка и особенно в экстремальных ситуациях снижают возможность адаптации человека, третьи - вызывают значительные нарушения функций НbА и развитие анемии, что приводит к тяжёлым клиническим последствиям.

В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать  аминокислоты:

• находящиеся на поверхности белка;
• участвующие в формировании активного центра;
• замена которых нарушает общую трёхмерную конформацию молекулы;
• изменяющие четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.

1. Замена  аминокислоты на поверхности 
гемоглобина А

Ещё в 1904 г. чикагский  врач Джеймс Херрик описал у студента тяжёлую анемию с обнаружением в его крови множества удлинённых, похожих на полумесяц, эритроцитов. Заболевание получило название "серповидно-клеточной анемии", и только в 1949 г. Лайнус Полинг и его сотрудники доказали, что оно вызвано изменением первичной структуры НЬА.

В молекуле гемоглобина S (так назван аномальный гемоглобин) мутантными оказались 2 ?-цепи, в которых глутамат, высокополярная отрицательно заряженная аминокислота в положении 6 была заменена валином, содержащим гидрофобный радикал.

	1	2	3	4	5	6	7	8
НвА ?-цепь	Вал-	Гис-	Лей-	Тре-	Про-	Глу-	Глу -	Лиз-
HeS ?-цепь	Вал-	Гис-	Лей-	Тре-	Про-	Вал-	Глу -	Лиз-

В дезоксигемоглобине S имеется участок, комплементарный другому участку таких же молекул, содержащему изменённую аминокислоту. В результате молекулы дезоксигемоглобина начинают "слипаться", образуя удлинённые фибриллярные агрегаты, деформирующие эритроцит и приводящие к образованию аномальных эритроцитов в виде серпа (рис. 1-40).

В оксигемоглобине S комплементарный участок "замаскирован" в результате изменения конформации белка. Недоступность участка препятствует соединению молекул оксигемоглобина S друг с другом. Следовательно, образованию агрегатов HbS способствуют условия, повышающие концентрацию дезоксигемоглобина в клетках (физическая работа, гипоксия, уменьшение рН, условия высокогорья, полёт на самолёте).