(рис.2, а) эта величина не превышает 5%. Миоглобин поэтому служит не

переносчиком, а депо кислорода и отдает его мышечной ткани лишь при резкой

гипоксии, когда насыщение ткани кислородом падает до недопустимо низкого

значения. [2]

Логарифмическая анаморфоза кривой диссоциации гемоглобина человека

представлена на рис.3, б. В этом случае начало кривой представляет собой

прямую под углом 45( к координатным осям, как и для миоглобина: первые

молекулы кислорода соединяются в основном с молекулами гемоглобина, еще не

содержащими кислорода, и гемы таким образом оксигенируются независимо. Это

свидетельствуют о том, что гем-гем взаимодействие обусловлено не просто

наличием нескольких гемов в молекуле, а тем, что после оксигенации одного

гема меняются условия оксигенации других гемов той же молекулы. Затем

наклон кривой увеличивается. Тангенс угла максимального наклона получил

название коэффициента Хилла (n), который отражает степень кооперативности

процесса. Для миоглобина n=1, а для гемоглобина человека (в норме) n(3.

Вблизи области полного насыщения гемоглобина кислородом наклон кривой снова

становится равным 45( (большинство молекул гемоглобина либо не содержат

свободных гемов, либо имеют лишь один гем, способный присоединить

кислород).

Механизм кооперативности В 1963 году Моно, Шанже и Джекоб обнаружили, что

активность некоторых ферментов меняется скачком между двумя значениями при

воздействии на белок некоторых низкомолекулярных агентов, не принимающих

участия непосредственно в каталитическом акте. Такие ферменты получили

название аллостерических, а само явление – аллостерии. Предполагается, что

эти ферменты могут находиться в разных состояниях, переключение между

которыми осуществляется при присоединении специфического низкомолекулярного

лиганда (необязательно вблизи активного центра). В 1965 году Моно, Уайман и

Шанже поняли, что гемоглобин, не являясь ферментом, принадлежит к тому же

классу белков. К тому времени уже было известно, что структуры глобул

оксигемоглобина и гемоглобина различны, и авторы предположили, что

состояния с разными значениями констант оксигенации соответствуют различным

пространственным структурам белка. Для гемоглобина постулируется наличие

двух таких состояний: R (от англ. relaxed) и Т (от англ. tense). Состояние

R характеризуется высоким, а Т – низким сродством к О2 (сильнее и слабее

связывают молекулярный кислород соответственно). В рамках этой концепции

считается, что как в R-, так и в Т-состоянии сродство к кислороду

субъединиц одной глобулы (т.е. есть всех четырех гемов одной глобулы)

одинаково. Этот постулат позволяет построить сравнительно простую

математическую модель кооперативных свойств гемоглобина: КR, КТ и L

(константы равновесия реакций ассоциации в состояниях R, Т и отношение

числа молекул гемоглобина в состояниях Т и R соответственно). На рис.2, б

ясно, что КТ<КR. Очевидно, увеличение константы ассоциации при переходе из

состояния Т в состояние R соответствует в расчете на один гем изменению

свободной энергии системы

(G = 2,3 RT lg(KR/KT) кДж/моль. (7)

Для гемоглобина человека при 37°С эта "свободная энергия

кооперативности" равна 5,61 кДж/моль. В физиологических условиях при

отсутствии кислорода лишь ~ 3(10(5 % молекул гемоглобина находятся в R-

форме, а в условиях полного насыщения кислородом лишь ~ 7-10(3 % — в Т-

форме. [2]

Изменения электронной и пространственной структуры гемоглобина в процессе

оксигенации На рис.4 схематически показаны электронная структура железа

гема, положение атома железа относительно плоскости порфиринового кольца

гема, спектральные и магнитные характеристики молекул в различных

состояниях молекулы гемоглобина: дезоксигемоглобин, оксигемоглобин и

ферригемоглобин. Следует подчеркнуть, что во всех случаях речь идет о

равновесных состояниях молекул белка. Мы увидим далее, что переход из

одного состояния в другое требует значительного (в молекулярных масштабах)

времени, в течение которого система проходит через несколько неравновесных

состояний, заметно отличающихся по своим физическим и химическим свойствам

от равновесных. [2]

В молекуле дезоксигемоглобина железо отстоит от плоскости порфиринового

кольца примерно на 0,5-0,6 А° (есть небольшие отличия между (- и (-

субъединицами). Из шести 3d электронов железа Fe(II) два электрона спарены

на одной из низших d-орбиталей (dxy, dyz, dxs), а четыре электрона занимают

оставшиеся d-орбитали, их спиновые моменты, согласно правилу Хунда,

параллельны и суммарный спин S-2. Магнитный момент гема в этом состоянии

равен ~ 5,5 боровского магнетона (БМ), а спектр поглощения в зеленой

области имеет характерную полосу с (max ~ 556 нм. Присоединение кислорода

ведет к значительным изменениям. Атом железа в оксигемоглобине лежит

практически в плоскости порфиринового кольца (расстояние до плоскости

составляет 0,16 А° в ?- и 0,00 А° в ?- субъединицах). Все шесть d-

электронов спарены на трех низших d-орбиталях, S= 0, оксигемоглобин

диамагнитен. В зеленой области спектра имеются две характерные полосы

поглощения: а ((max 576 А°) и b (542 А°).

Рис.4. Основные характеристики молекулы гемоглобина в различных состояниях.

В ферригемоглобине (метгемоглобин) при нейтральных значениях рН место

кислорода занимает молекула воды (при щелочных значениях рН(ОН), железо

находится значительно ближе к плоскости гема, чем в дезоксигемоглобине, все

пять d-электронов неспарены и занимают пять d-орбиталей. S = 5/2 и

магнитный момент равен 5,91 БМ.

Структурные изменения в активном центре (вблизи гема) приводят и к

значительным изменениям пространственной структуры всего белка. При

оксигенации (переход от Т- к R-форме) смещение отдельных аминокислотных

остатков достигает 7 А(. Как уже было сказано выше, четвертичная структура

гемоглобина характеризуется наличием четырех полипептидных цепей,

образующих две ((- и две (-субъединицы). Более детальные исследования

показали, что субъединицы образуют ((-димеры. Т(R – переход сопровождается

поворотом одного димера относительно другого на 12-15( и в конечном счете

приводит к увеличению карманов, в которых находятся гемы. Эти структурные

изменения инициируются присоединением первой молекулы О2 к одному из

свободных гемов и распространяются на всю глобулу. Именно поэтому в

равновесной смеси всегда присутствуют только Т- и R-формы. Эти димеры в Т-

форме стягиваются 14 дополнительными (по сравнению с R-формой) солевыми

мостиками (водородные связи между ионными или нейтральными группами

аминоксилот, ван-дер-ваальсовы контакты). Кроме того, между (-субъединицами

в Т-форме присоединяется молекула дифосфоглицерата, что также приводит к

сужению карманов. Эти изменения схематически представлены на рис.5.

Триггером для всех описанных выше структурных перестроек при переходах

между Т- и R-формами и обратно служит присоединение или отщепление

кислорода. После локального элементарного химического акта: присоединение

или отщепление низкомолекулярного лиганда, окисление железа при образовании

ферригемоглобина (иначе говоря, после появлении лишнего положительного

заряда на железе) – возникает существенно неравновесное конформационное

состояние – изменения вблизи активного центра уже произошли, а вся огромная

молекула белка осталась в прежнем, еще не отрелаксировавшем состоянии.

Последующая релаксация может занимать микросекунды и даже секунды. В ходе

этой релаксации меняются не только физические, но и химические свойства

белка, в частности скорости последующих химических актов, если они успевают

произойти до полного завершения релаксации. Таким образом, описанная выше

картина процессов, сопровождающих обратимое связывание кислорода

гемоглобином, является лишь первым, хотя и очень важным приближением к

истине. Так, например, быстрое восстановление железа в ферригемоглобине

коротким (микро- или наносекунды) импульсом электронов приводит к

возникновению неравновесного состояния, в котором железо уже восстановлено,

но не отошло от плоскости порфиринового кольца. По спектральным и магнитным

характеристикам это состояние соответствует равновесному оксигемоглобину.

Релаксация гема и его ближайшего окружения с удалением железа от плоскости

порфиринового кольца занимает при комнатной температуре десятки

микросекунд, а полная релаксация всей белковой глобулы к равновесной Т-

форме дезоксигемоглобина — сотни миллисекунд.

Рис. 5. Структурная схема перехода гемоглобина от Т- к R-форме

Другие реакции и функции гемоглобина При взаимодействии молекулярного

кислорода с гемоглобином существует небольшая, но конечная вероятность

окисления последнего: молекула О2 не присоединится, но окислит железо: Fe2+

+ O2 ( Fe3+ O2(. Поэтому при дыхании в эритроцитах непрерывно образуется

метгемоглобин. Для его восстановления в эритроците существует специальная

ферментативная система, восстанавливающая метгемоглобин и превращающая его

в нормальный дезоксигемоглобин. При нарушении этой системы возникает

тяжелое заболевание — метгемоглобинемия, при котором гемоглобин перестает

быть переносчиком кислорода.

Гены, ответственные за синтез гемоглобина, могут подвергаться мутациям,

меняющим структуру и функции белка. Наиболее изучена мутация, приводящая к

замене только одной аминокислоты в полпептидных цепочках (-субъединиц

гемоглобина. Замена глутамина на валин ведет к тяжелой болезни –

серповидноклеточной анемии: эритроциты принимают форму серпа и теряют

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6