Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 9. Некоторые биологические функции белков

9.1. Белки, запасающие и переносящие кислород

У высших животных с помощью кровеносной системы кислород доставляется ко всем тканям, где требуется использовать химическую энергию окисления для выполнения различных физиологических функций. Кислород переносится красными кровяными тельцами крови (эритроцитами) от легких ко всем тканям.

Один эритроцит крови содержит около 280 миллионов белковых молекул гемоглобина. Относительная молекулярная масса такой молекулы равна 65 500 дальтон. В состав одной молекулы входит 9512 атомов:

Каждый из четырех атомов железа лежит в центре группы атомов (см. ниже), которая называется гемом. Гем придает крови красную окраску. Гем входит в состав белковой цепи, которая называется глобином. Четыре цепи глобинов состоят из двух тождественных пар. Две из них называются -цепями, а две другие — -цепями. Вместе четыре цепи содержат 574 остатка аминокислот и располагаются в виде тетраэдра. Из-за небольшого различия а- и -цепей этот тетраэдр не вполне правилен. Молекула гемоглобина обладает почти сферической формой с размерами . Гемы имеют плоскую структуру и лежат в отдельных карманах, немного выступая на поверхность молекулы (рис. 16, а).

В мышцах позвоночных животных содержится более простая молекула миоглобип (рис. 16, б), состоящая только из одной полипептидной цепи с одним гемом, содержащим атом железа. Миоглобин входит в состав красных мышц. Он присоединяет и обратимо отдает молекулу кислорода, выполняя функцию резерва — хранителя кислорода Этот кислород используется мышцей при резком увеличении мышечной деятельности и запасается в спокойном состоянии мышцы. Миоглобин придает мышцам красный цвет. Большое количество миоглобина содержится в организмах китообразных, проводящих длительное время под водой.

Структура молекулы миоглобина установлена Кендрю с сотрудниками [175) в 1957 г. на основе трудоемких рентгеноструктурных исследований. В 1962 г. за эти исследования Кендрю получил Нобелевскую премию в области химии.

Молекула миоглобина состоит из последовательно расположевных восьми а-спиральных участков, прерываемых искривлениями и нерегулярными областями. Спиральные участки выстраиваются так, чтобы неполярные белковые цепи аминокислотных остатков (их около 70) располагались внутри глобулы, не

Рис. 16. Схематическое изображение молекулы гемоглобина (а) и молекулы миоглобина (б). Буквами N и С обозначены амидные и карбоксильные концы двух а-пептидных цепей. Диски 1—3 указывают расположение гемов.

соприкасаясь с водным окружением. Полярные группы (их около 74) и все боковые цепи, ионизируемые при физиологическом значении pH, располагаются на поверхности глобулы.

Миоглобины человека, тюленя, лошади и рогатого скота имеют одинаковую структуру. Атомы, входящие в состав гема, имеют плоскую структуру и лежат, погруженные в складку белковой цепи (глобина), содержащей 153 пептидные группы (см. рис. 16, б).

Гем представляет собой ферропротопорфирин (рис. 17) — порфириновый комплекс двухвалентного (или ферро) иона железа. Ион железа Fe2+ имеет шесть -электронов и находится недалеко от центра плоского порфиринового кольца. В порфириновом кольце ион Fe2+ удерживается координационными связями с четырьмя атомами азота. Пятая координационная связь направлена перпендикулярно плоскости кольца, связывая ион железа с атомом азота остатка аминокислоты гистидина белковой группы молекулы. Шестая координационная связь либо свободна либо связывает молекулу кислорода.

Двухвалентный ион железа Fe2+ приобретает способность удерживать молекулу кислорода когда он входит в состав гема и глобина. Один гем не присоединяет молекулярный кислород. Только специфическое окружение белком — глобином — делает такое обратимое присоединение возможным.

Процесс обратимого присоединения молекулы кислорода называется оксигенацией. Он не является процессом истинного окисления, который обусловлен отрывом электрона и переходом двухвалентного иона Fe2+ в трехвалетное ферри-состояние Fe3+. Такое настоящее окисление происходит при извлечении иона Fe2+ из гема и соприкосновении его с воздухом. Процесс освобождения молекулы кислорода миоглобином называется деоксигенацией.

При оксигенации ион железа Fe2+ в миоглобине переходит в нулевое спиновое состояние (все шесть электронов попарно спарены) и смещается в плоскость порфиринового кольца. При освобождении молекулы кислорода ион Fe2+ выступает из плоскости

Рис. 17. Ферропротопорфирин — порфириновый комплекс двухвалентного иона железа, входящий в состав гемов гемоглобина и миоглобина.

Рис. 18. Зависимость оксигенации миоглобина (2) и гемоглобина (2) от парциального давления кислорода.

порфиринового кольца на 0,8 А в направлении азота гистидила и увеличивает свой спин до двух. В этом состоянии спины двух d-электронов спарены, а спины остальных четырех d-злектронов параллельны.

Степень оксигенации как функция парциального давления молекулярного кислорода описывается простой гиперболической кривой (рис. 18)

Вначале количество присоединенного кислорода увеличивается линейно при возрастании давления кислорода, а затем скорость увеличения уменьшается, так как часть миоглобина уже присоединила кислород. Наконец, наступает насыщение — все молекулы миоглобина захватили кислород. В зтом случае

Трехмерная структура более сложной молекулы — гемоглобина — была установлена Перутцем и его сотрудниками [212—214] в 1959 г. после упорных 23-летних рентгенографических исследований монокристаллов гемоглобина в Кембриджском университете. В 1962 г. Перутц получил за эти исследования Нобелевскую премию в области химии.

Гемоглобин сравнительно легко выделяется и кристаллизуется. Монокристаллы гемоглобина содержат много воды. Это обеспечивает сохранение структуры глобулы в кристалле, поскольку пространственная структура гемоглобина, как и других белков, определяется в значительной степени его взаимодействием с

водным окружением. При обезвоживании кристаллы теряют свою регулярную структуру. Поэтому при исследованиях кристаллы сохраняются влажными в запаянных стеклянных капиллярах.

Перутцем и его сотрудниками были исследованы монокристаллы гемоглобина лошади с разрешением 2,8 А как в оксигенированной, так и в дезоксигенированной формах.

Как уже отмечалось, гемоглобин в составе эритроцитов переносит кислород от легких ко всем тканям и частично участвует в переносе углекислого газа. Если бы не было носителя кислорода — гема — в крови, то литр артериальной крови мог бы растворить и перенести не более миллилитра кислорода. Присутствие гемов увеличивает это количество примерно в сто раз.

В гемоглобине четыре гема присоединены к четырем полипептидным цепям. Каждая из них очень похожа, хотя и не тождественна миоглобину. Присоединение молекулы кислорода происходит к каждому из четырех гемов. Реакция присоединения кислорода сопровождается изменением цвета крови. Гемоглобин, содержащий кислород, называют оксигемоглобином. Он придает крови ярко-алый цвет. Гемоглобин без кислорода имеет более темный цвет Ч

При присоединении к гему молекула кислорода образует шестую координационную связь с ионом железа. Одновременно изменяется структура молекулы гемоглобина. Это изменение тщательно изучено Перутцем с сотрудниками [215, 216].

В a-цепях молекулы гемоглобина полость между спиральными участками, в которых помещается диск гема, достаточно широка, и молекула кислорода может присоединяться к иону железа без препятствий. В -цепях полости, в которых находятся гемы, недостаточно широки для беспрепятственного вхождения молекулы кислорода. Присоединение кислорода в этом случае осуществляется после конформационного изменения молекулы, вызванного присоединением кислорода к а-цепям.

Оксигенация начинается с присоединения молекулы кислорода к иону железа одной из -цепей. В порфиррновом кольце расстояние от центра до атомов азота равно 2,01 А. В геме без кислорода расстояние от иона Fe2+ до атомов азота равно 2,061 А. Поэтому ион железа выступает на 0,8 А из плоскости порфиринового кольца в направлении атома азота соседнего гистидинового остатка.

Значение спина иона железа Fe2+ в геме без кислорода равно 2. При присоединении молекулы кислорода спин иона железа уменьшается до нуля. Изменение электронного состояния иона железа увеличивает его связь с атомами азота. Это приводит к уменьшению расстояний между ионом и атомами азота до значений

1,99 А и смещению иона железа в плоскость пррфиринового кольца. Одновременно также уменьшается на 0,9 А расстояние от атома азота гистидинового остатка до плоскости кольца.

В молекуле гемоглобина главные соединения между четырьмя цепями осуществляются с помощью солевых мостиков между концевыми группами NH и СОО- двух а- и двух -цепей. Энергия одного солевого мостика приблизительно равна . Переход иона железа при присоединении молекулы кислорода в низкоспиновое состояние, его смещение в плоскость порфиринового кольца и смещение атома азота гистидинового остатка к плоскости кольца, приводят к перемещению спирального участка гемоглобина зтой цепи к центру глобулы. Это смещение выталкивает тирозиновый остаток цепи из области, где он находился, что приводит к разрыву двух солевых мостиков, соединяющих цепь с соседней а-цепью.

Присоединение второй молекулы кислорода ко второй а-цепи вызывает дальнейшее конформационное изменение молекулы гемоглобина, сводящееся к расширению полостей, в которых находятся гемы -цепей. Вследствие этого возникает возможность присоединения молекул кислорода и ими.

Рентгенографическими исследованиями Перутца и его сотрудников установлено, что при присоединении трех молекул кислорода к гемоглобину происходит разрыв мостиков, соединяющих Р-цепи, и смещение обеих цепей друг относительно друга так, что расстояние между ионами железа их гемов увеличивается от 33,4 А до 40,3 А. В контактах происходит сдвиг на 1 А, а в контактах и . При этом, однако, общий объем молекулы уменьшается. Описывая это изменение объема молекулы, Перутц отмечает, что изменение формы молекулы гемоглобина позволяет думать, что она «дышит», но парадоксально то, что она расширяется не когда поглощает кислород, а когда его освобождает.

Уменьшение объема молекулы связано с тем, что в оксигемо-глобине в результате относительного смещения и -цепей уменьшаются расстояния между атомами, входящими в состав этих цепей. Число атомов в цепях находящихся на вандерваальсовых радиусах, увеличивается от 98 до 110, а число контактов между атомами цепей — от 69 до 80.

Изменение четвертичной структуры молекулы гемоглобина при присоединении «трех молекул кислорода увеличивает вероятность присоединения четвертой молекулы в 70 раз по сравнению с вероятностью присоединения первой молекулы. Это замечательное свойство молекулы гемоглобина отражает взаимосвязь четырех структурных ее единиц. В результате такой взаимосвязи физиологическая активность молекулы гемоглобина носит положительный кооперативный характер. Положительная кооперативность

проявляется в том, что зависимость степени оксигенации от парциального давления Р кислорода описывается не гиперболической функцией (9.1), как в случае миоглобина, а функцией

которая на графике имеет -образную форму (см. рис. 18). Это свойство функции присоединения кислорода к гемоглобину открыто еще в XIX ст. датским физиологом X. Бором.

Особенность функции (9.2) состоит в том, что в некоторой области значений Р она имеет перегиб. В этой области незначительные изменения Р приводят к очень большим изменениям . Такая особенность степени оксигенации гемоглобина имеет важное физиологическое значение. Чтобы увеличить степень оксигенации от 10 до 90% относительно величины насыщения в миоглобине, не обладающем положительной кооперативностью, нужно -кратное изменение давления кислорода. Для гемоглобина в таком случае необходимо только трехкратное увеличение давления. Положительная кооперативность гемоглобина позволяет ему веять полную нагрузку кислорода в легких, перенести и отдать его почти целиком тканям даже в том случае, когда давление кислорода изменяется незначительно. Парциальное давление кислорода в альвеолах легких, артериях и тканях соответственно равно 105, 100 и 40 мм рт. ст. Потеря положительной кооперативности мутантным гемоглобином сопряжена с очень тяжелым заболеванием.

Кроме структурных изменений при присоединении молекулы кислорода к гему происходит отщепление протонов от гистидилов, расположенных в контакте с гемом. Это явление также было открыто Бором и носит название эффекта Вора. Поскольку вероятность отщепления протонов от гистидилов зависит от концентрации протонов в растворе (т. е. от значения pH), то сродство гемоглобина кислороду также должно зависеть от pH среды. Оно максимально при pH 9 и минимально при pH 6.

Гемоглобин также участвует в переносе углекислого гаэа от тканей обратно в легкие. Парциальное давление в тканях равно 60 мм рт. ст. В венах оно ниже (примерно 47 мм рт. ст.) и еще меньше в легких (около 35 мм рт. ст.). Молекулы свободно проникают через клеточные мембраны.

Ионы железа не участвуют в переносе молекул Только часть углекислого гаэа присоединяется непосредственно к глобину. Бблыпая же часть переносится красными кровяными тельцами и неклеточной составной частью крови в форме бикарбоната. Перенос бикарбоната облегчается эффектом Бора — присоединением протонов (исчезновение кислотных групп) в глобинах

молекул, осовобожденных от кислорода. При захвате молекулой кислорода в легких протоны освобождаются, кислотность восстанавливается, это приводит к освобождению бикарбоната. В свою очередь, присутствие бикарбоната и молочной кислоты в тканях ускоряет освобождение кислорода молекулами гемоглобина.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление