Osnovy_biokhimii_Uayt_tom_3 (1123311), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Ограниченная растворимость кислорода позволяет транспортировать в растворенном состоянии только 0,3 мл ОООО мл крови, и даже при значительном увеличении работы сердца количество растворенного кислорода не может удовлетворить метаболические потребности. Поскольку, однако, каждый грамм гемоглобина может присоединить 1,34 мл Ое, а содержание гемоглобина в нормальной крови составляет около 15 г в 100 мл, то в полностью окснгенированной крови количество Ом связанного с гемоглобнном, может превышать количество растворенного кислорода почти в 70 раз.
Функциональные свойства гемоглобина, обусловленные его уникальной структурой, специфически соответствуют задачам обеспечения дыхательной функции. Каждая нз четырех полипептидных цепей глобнна, паз !рис. 4.2), содержит по одной молекуле гема; атом железа гема может обратимо связывать одну молекулу Оь Таким образом, связывание кислорода гемоглобнном можно схематически представить следующим образом: аио й! )4+ 4О4 —;==~ 44,пе 1го -О,)4 Леиоисигемоглооии о~~емоглоб~~ Степень насыщения гемоглобина кислородом зависит от концентрации Ое., эта концентрация в легких (рое= !00 мм рт. ст.) достаточна, чтобы полностью оксигенировать гемоглобин в эрнтроцитах.
Однако зависимость величины оксигенирования от [О,] не линейна, и график зависимости связывания Ои гемоглобином от давления кислорода имеет снгмондную форму. Характер связывания кислорода гемоглобином обеспечивает снабжение тканей необходимым количеством кислорода в условиях тех концентраций Ом которые имеются в легких и тканях. Связывание кислорода гемоглобнном тонко регулируется рядом соединений, подобно тому, как это имеет место прн действии положительных или отрицательных эффекторов на аллостсрнческий фермент 1гл.
8). Таким действием обладают диоксин углерода, Н+, а также анионы С1- н 2,3-днфосфоглкцерат (равд. 31.3.2.3). Если, например„потребление Ои тканями значительно возрастает и вследствие этого увеличивается количество СОе и Н+, то последние, взаимодействуя с оксигемоглобнном, снижают его сродство к кислороду н, следовательно, способствуют освобождению кислорода. В то же время взаимодействие СОе и Н+ с гемоглобином обеспечивает транспорт этих веществ в легкие и почки, где происходит удаление их соответственно с выдыхаемым воздухом или путем экскреции.
Более того, рассматриваемые взаимодействия способствуют поддержа- !ъ' жидкзя сгедА ОРГАБизмх 1222 нию постоянного рН крови. Перед рассмотрением дыхательной функции гемоглобина необходимо ознакомиться с его структурой Детальное исследование структуры молекулы гемоглобина позволяет понять механизм осуществляемых им жизненно важных функций. Эти данные необходимы для понимания многих генетических болезней человека, при которых образуется гемоглобин с измененной структурой и функцией. Так, от тяжелого заболевания серповидно-клеточной анемией, обусловленной заменой в эритроцитах нормального гемоглобина серповидно-клеточным, страдают в настояще время сотни тысяч людей в мире. 31.2. Структура гемоглобина 31.2.1.
Гем и цорфнрины Порфирины являются производными держит четыре пирролоподобных цикла, =СН-группамн (метеновые мостики); в система чередующихся двойных связей. порфнна, который сосоединенных четырьмя результате образуется Н Н С вЂ” — — С ! НС вЂ” С С=СН НС вЂ” С "' С=СН мн нм ! НС вЂ” С „С=СН НС вЂ” С~~ С= — СН !!, ! ! ! НС вЂ” -СН н~ сн Н пиром С вЂ” — С Н Н порф (С Гемоглобины различных видов отличаются качественно такими свойствами, как форма кристаллов, растворимость, сродство к Оз и спектр поглощении, однако все они состоят из бесцветного белка, глобина, связанного нековалентио с ферропрогопорфирином (гемон) (разд. 4.1.2).
Отличия в свойствах гемоглобинов обусловлены исключительно различиями в последовательности аминокислот н конформации глобина; гемовый компонент идентичен у всех гемоглобинов позвоночных и большинства беспозвоночных. 3Ь ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ Удобно пользоваться формулой 3 2 1 3С . — С 1Ч С Ш В ней атомы углерода пиррольных колец представлены как углы пятиугольников; показаны атомы азота, а атомы водорода не приведены.
Указана также нумерация колец. Известно большое число производных порфирина; наиболее широко распространенным у животных является протопорфирин типа Ш (нли протопорфирин 1Х). 1 п НС СНЗ Н НК НООС вЂ” Сн. — СН ы — СН 1П д СН=СН, НООС--СН..— СН3 СН3 пепепппрривпп 1ппп 1й Боковымн цепями пиррольных колец протопорфирина 111 являются метильные и вннильные группы и остатки пропионовой кислоты; приведенная формула показывает расположение групп в одной из 15 возмсокных изомерных структур. Порфирины могут присоединить ионы многих металлов; биологически наиболее важные металлопорфирины содержат Ге или Мй.
Легко образуются также комплексы, которые содержат Хп, "313 Со, Сп и Ад. Комплексы, содержащие Мд, лабильны в разбав- 1224 1Ъ'. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА ленной уксусной кислоте„ .для удаления Ге или Си требуются более сильные кислоты. Ион металла замещает днссоциируюшие атомы водорода двух пиррольных колец и одновременно связывается координационными связями с третичными атомами азота двух других пиррольных колец. Благодаря эффекту резонанса связи металла с четырьмя атомами азота пнррольных колец (которые лежат в одной плоскости) рассматриваются как одинаковые. Названия соединений железа различаются приставками: ферро- — для Ге'+ и ферри- — для Ге'+.
Ферропротопорфнрни, или лелг, содержит Ге'+; он имеет следующую структуру: ыг Н~ХХ' — С««г 0«г НОО г г г фгррсп«кгчспорфирян [ген) Гем (и подобные хелаты с ионами других двухвалентных металлов) представляет собой плоскую молекулу квадратной формы.
Феррипротопорфирин, или гении, который содержит Гег.", имеет суммарный положительный заряд и присоединяет дополнительный лиганд. Его обычно получают в форме хлорида. Пятикоординационный комплекс, образуемый Ге'+, имеет в основном форму пирамиды с квадратным основанием; связь с дополнительным лигандом направлена перпендикулярно плоскости порфирина. Анионы хлора или других галогенов связываются с Ге не электростатически, а координационной связью. Свободный гем неустойчив н быстро окисляется до гемина. Кристаллический гемин легко получается при нагревании раствора гемоглобина в уксусной кислоте в присутствии небольшого количества ХаСЬ Эта процедура используется в судебной медицине для обнаружения крови. 31.2.2. Различные формы гемоглобина Гемоглобин, не связанный с кислородом и содержащий гем с ферро-ионом (Ге'+), называют дезокспгеггоелобином, феррогемоглобином или восстановленным гемозлобином н сокращенно обозначают НЬ.
Атомы железа каждой из гем-групп молекулы гемо- Зь гемоглобин и химия дыхАния ! 22й глобина могут обратимо связывать молвкулу Оь Полностью оксигенированный НЬ, называемый оксигемоглобином (НЬОе), содержит четыре молекулы кислорода (Ое) на молекулу гемоглобина. НЬ может также соединяться с четырьмя молекулами СО (разя. 3!.6.3) с образованием СО-гемоглобина, или карбоксигемоглобина (НЬСО), который является фоточувствительным и диссоциирует на свету с выделением СО. К молекуле гемоглобина могут присоединиться также четыре молекулы ЫО с образованием очень стабильного НЬЫО.
Многие реагенты, а именно пероксиды, феррицианид и хнноны могут окислить Ееи+ в гемоглобнне до Ее*+ с образованием метгемоглобина (Ме1НЬ), который не присоединяет ни Оь ни СО. Ме1НЬ может быть восстановлен до НЬ таким восстановителем, хак гидросульфит натрия (Ыаи5еОА). Он образуется 1п ч(то в норме, но в небольших количествах и ферментативным путем восстанавливается до НЬ (гл. 32). Реи+ в Ме(НЬ может взаимодействовать со многими анионами, например прн щелочном рН с ОН- и прч кислом рН с С1 . Ме1НЬ взаимодействует с СЫ, образуя цианметгемоглобии (равд.
31.6.3), а также взаимодействует с азидом и сульфидом, образуя соответствующие производные. 312.3. Структура глобина Гемоглобин диссоциирует на гем и глобин в кислой или щелочной среде. Так, если раствор НЬ добавить к смеси ацетон — НС1, то глобин осаждается, а гем остается в растворе. гемоглобин + НС1 — ю- глооин НС1 + $ерромротоиорфирин Если принять меры предосторожности и предотвратить окисление тиоловых групп в глобнне, то, осуществляя диссоциацию НЬ в условиях низкой температуры и в отсутствие окисляющих агентов, полученный глобнн можно рекомбинировать при рН 7 либо с ферро-, либо с феррипротопорфирином с образованием нативного НЬ или Ме1НЬ соответственно.
Гемоглобин взрослого человека (НЬА) состоит из двух пар неидентичных а- н 6-цепей, и его субъединичная структура обозначается ох,рхе. Как видно на рис. 31 1 (и рис. 4.2), цепи соединены нековалентно, образуя глобулярную, нативную молекулу; с каждой цепью связана олма гем-группа. Последовательность аминокислот а- и р-цепей приведена на рис. 31.2.
Хотя цепи имеют различное число аминокислотных остатков, отмечается значительная гомология последовательности; в 80 положениях имеются замены аминокислот. Гомологня оказывается достаточной, чтобы конформация а- и 6-цепей в натнвном НЬ и НЬОА была сходной; конформапня цепи (субъедннипы) схематически изображена на рис. 31.3. Каждая субъединица имеет восемь спирализованных сегментов. обозначенных буквами от А до Н; остатки, расположенные ЗЬ ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ между спиралями и соединяющие два сегмента спирали, обозначаются Сг), ЕГ и т. д. У а-цепей в отличие от 8-цепей имеются два дополнительных аминокнслотных остатка в зоне угла АВ н'отсутствуют шесть остатков в зоне СО. Примечательной является локализация гема в своеобразной шелн, так называемом гемоном кармане, как это видно на рис. 31.3.
Неполярные виннльные группы гема погружены во внутреннюю гидрофобную часть кармана, а гидрофильные пропионатные боковые цепи выступают из кармана в направлении поверхности. Большое число алифатнческих и ароматичсских К-групп выстилают карман н осуществляют гндрофобные контакты с пиррольнымн кольцами гема. Связь гема с глобпном осушествляется также координационной связью между атомом железа и атомом азота Н)БР92(Г8) или Н(БО87(Г8) — так называемых проксижальных гистидимовьгх остатков. Другой остаток гистидина, локализованный в кармане, дистальный гистидин рб3[Е7) или а58[Е7), находится сдругой стороны отатома железа гема,надин из его атомов азота направлен в сторону атома железа. хотя он и находится несколько дальше, чем азот имидазольной группы прокснмальных остатков гистидина. В Ме(НЬ между железом гема и дистальным гистндином находится молекула воды, но в НЬ соответствующая область свободна, и липофильная молекула От может диффундировать в эту область и связываться с железом, что приводит к образованию НЬОз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
