Особенности функционирования олигомерных белков на примере гемоглобина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Особенности функционирования олигомерных белков на примере гемоглобина

Олигомерные белки проявляют свойства, отсутствующие у мономерных белков. Влияние четвертичной структуры на функциональные свойства белка можно рассмотреть, сравнивая строение и функции двух родственных гемсодержащих белков: миоглобина и гемоглобина. Оба белка имеют общее эволюционное происхождение, сходную конформацию отдельных полипептидных цепей и сходную функцию (участвуют в транспорте кислорода), но миоглобин - мономерный белок, а гемоглобин - тетрамер. Наличие четвертичной структуры у гемоглобина придаёт этому белку свойства, отсутствующие у 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 метильные, 2 винильные и 2 пропионатные боковые цепи. Эта органическая часть гема называется протопорфирином. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX. В геме 4 атома азота пиррольных колец протопорфирина IX связаны четырьмя координационными связями с Fe2+, находящимся в центре молекулы.

Апомиоглобин - белковая часть миоглобина; первичная структура представлена последовательностью из 153 аминокислот, которые во вторичной структуре уложены в 8 а-спиралей. а-Спирали обозначают латинскими буквами от А до Н, начиная с N-конца полипептидной цепи, и содержат от 7 до 23 аминокислот. Третичная структура имеет вид компактной глобулы, 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.

Связывание гема с апомиоглобином.

Гем - специфический лиганд апомиоглобина, присоединяющийся к белковой части в углублении между двумя а-спиралями F и Е. Центр связывания с гемом образован преимущественно гидрофобными остатками аминокислот, окружающими гидрофобные пиррольные кольца гема. 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 гема и входят в состав спиралей F и Е, между которыми располагается гем. Атом железа в геме 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. 2).

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

Аминокислотное окружение гема 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 гема не способно присоединять О2.

Структура и функции гемоглобина.

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

Гемоглобины человека.

Различают несколько видов гемоглобина человека. Рассмотрим строение гемоглобина А.

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. 3). 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. 3, 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. 3, 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 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 а-цепь контактирует с двумя в-цепями (рис. 4).

Так как в области контакта между а1- и в1-, а также между а2- и в2-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 а1в1, и а2в2. 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.

Связывание гемоглобина с О2 в лёгких и его диссоциация из комплекса 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 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. 4).

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. 6).

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.

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.

гемоглобин белок миоглобин олигомерный

2,3 - Бифосфоглицерат

Бисфосфоглицерат в капиллярах тканей, связываясь с дезоксигемоглобином, облегчает диссоциацию О2 из оксигенированного НЬ.В центре тетрамерной молекулы гемоглобина находится полость. Ее образуют аминокислотные остатки всех 4 протомеров (рис. 4).

В молекуле дезоксигемоглобина по сравнению с оксигемоглобином имеются дополнительные ионные связи, соединяющие протомеры. Вследствие этого размеры центральной полости меняются: увеличиваются в дезоксигемоглобине и уменьшаются в оксигемоглобине.

Центральная полость является местом присоединения 2,3 - бисфосфоглицерата (2,3 - БФГ) к гемоглобину (рис. 7). Из-за различия в размерах центральной полости 2,3 - БФГ может присоединяться только к дезоксигемоглобину.

2,3 - БФГ присоединяется к гемоглобину в ином по сравнению с О2 участке. Такой лиганд называется аллостерическим. Центр, где связывается аллостерический лиганд, называется аллостерическим центром.

Регуляторные свойства олигомерного белка гемоглобина

Таким образом, олигомерный белок гемоглобин, в отличие от мономерного родственного белка миоглобина, способен присоединять к специфическим участкам 4 различных лиганда: 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. Следовательно, благодаря воздействию регуляторных лигандов олигомерные белки способны приспосабливать свою конформацию и фунцию к изменениям, происходящим в окружающей среде.

Литература

гемоглобин белок миоглобин олигомерный

1. Биохимия: Учебник/ Под. ред. Е.С. Северина. - М.: - ГЭОТАР-МЕД, 2003. - с. 45-53.

2. Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. Биохимия человека: В 2-х томах. Т.1. Пер. с англ.: - М.: Мир, 1993. - с. 52.

3. http://idoktor.info/biohimiya/stroenie-svoistva-i-funktsii-belkov

Размещено на Allbest.ru