А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Активный центр миоглобина и каждой α- и β-субъединицы гемоглобина — гем: кофактор, содержащий ион железа, связывающий однумолекулу О2 (рис. 25-6б). И успешность действия гемоглобина как транспортера О2 определяется именно аллостерическим, в данном случае —концертным взаимодействием четырех гемов в нем.381Рис. 25-6. (а) Общая структура гемоглобина, состоящего из двух α- и двух β-цепей;каждая из цепей окрашена в свой цвет; α-спирали нарисованы как цилиндры; гемыпоказаны скелетными моделями с ионом железа (шариком) внутри. (б) схема связывания кислорода гемом в гемоглобине.
до связывания О2 ион железа Fe++ геманаходится в высокоспиновой форме, в которой два внешних электрона находятсяна двух разных орбитах. При этом диаметр Fe++ чуть великоват для того, чтобывойти в центр порфиринового кольца гема (которое при этом находится в слегкаизогнутой форме). связав О2, ион Fe++ приобретает низкоспиновую, чуть болеекомпактную форму, в которой электроны с противоположными спинами занимают одну орбиту. теперь Fe++ может войти в центр порфиринового кольца (котороепри этом обретает плоскую форму).
Показан также гистидин α-спирали F, координирующий ион железа. картинка (б), с небольшими изменениями, взята из [9]Ион железа держится в геме четырьмя координационными связямиN–Fе++. Еще одну такую связь этот ион завязывает в гемо- или миоглобинес ближайшим к нему гистидином, гистидином α-спирали F. И последнююсвязь он может завязать с молекулой О2 (или сО: вот тут-то и наступаетотравление угарным газом…).Здесь есть, правда, одно препятствие: анализ статической структурыи мио-, и гемоглобинов показал, что молекула O2 никак не может подойтииз окружающей среды к гему! Оказывается, для этого необходима согласованная тепловая флуктуация конформации нескольких боковых групп,прикрывающих гем.когда кислород подходит к гему и связывается с его ионом железа,у иона железа гема Fе++ меняется спиновое состояние и потому — форма382электронной оболочки.
Он немного уменьшается в диаметре и входитв центр порфиринового кольца гема. При этом он (ион Fe++) чуть-чуть(на полангстрема) смещается и тянет за собой координирующий его гистидин α-спирали F.так, электронно-конформационным взаимодействием (при которомпроисходит быстрое изменение электронного, а затем и конформационногосостояния) начинается цепь конформационной деформации гемоглобина.далее смещение гистидина — посредством множества мелких деформаций белка — слегка изменяет обводы связавшей О2 субъединицы.
Ееконтакт с другими субъединицами ослабляется. При этом те, еще не связавО2, начинают, в свою очередь, релаксировать (приобретая те же обводы,присущие не деформированной взаимодействиями с соседями глобуле,и те же внутренние смещения атомов), так что их гистидины начинаютвдавливать соответствующие ионы железа в центры гемов. теперь этиионы железа могут уже легче связать кислород. В результате связь одноймолекулы О2 с гемоглобином провоцирует связывание еще трех О2. точнотак же утеря одного О2 ведет к утере их всех.Одновременно со связыванием и утерей кислорода в гемоглобинеидут еще два важных процесса, также связанных с его аллостерическими конформационными перестройками. В «дезокси-форме», свободнойот O2, субъединицы гемоглобина связывают CO 2 (в основном в формеHCO3– — причем не гемами, а N-концами цепей) и ионы H+ (гистидинами C-концевых спиралей, пространственно близкими к N-концам цепей).А в «окси-форме», связав полученный на вдохе O2, гемоглобин теряет иионы H+ (это называется «эффект Бора»), и молекулы CO2: все это предназначено для выдоха.Из сказанного выше следует, что гемоглобин ведет себя как белок, связывающий четыре молекулы О2 одновременно — и это отражается в нелинейной, S-образной зависимости насыщения этого (тетрамерного!) белкакислородом от его (О2) концентрации (рис.
25-7). А у (мономерного!) миоглобина зависимость насыщения кислородом от концентрации О2 такогоS-образного прогиба не имеет.Поэтому в легких, где кислорода много, гемоглобин им насыщается.А в тканях, где (венозное) давление О2 относительно мало, тетрамерныйгемоглобин уже отдает О2, а мономерный миоглобин еще его хватает —и передает О2 дальше по окислительной цепи мышц — например, тех,что расширяют и сжимают легкие.кстати, о мышцах — описанием их работы (или, точнее, описанием механохимической функции белка, на которой основана эта работа) я и хочуначать завершение этой лекции.383Рис.
25-7. кривые насыщения кислородом тетрамерного белка гемоглобина (а)и мономерного миоглобина (b). Отмечено артериальное давление кислорода,при котором он поглощается гемоглобином крови в легких, и венозное давление,при котором он отдается гемоглобином мышечному миоглобину. Экспериментальнаякривая связывания О2 с миоглобином соответствует реакции первого порядка,а S-образная часть экспериментальной кривой связывания О2 с гемоглобином —реакции примерно третьего (а не четвертого, как для простоты сказано в тексте)порядка.
стрелка соответствует переходу кислорода с гемоглобина на миоглобин.картинка, с небольшими изменениями, взята из [1]Центральную роль в сокращении мышц (рис. 25-8а) играет белокмиозин (рис. 25-8б). Я буду рассказывать о работе «миозина II» быстрыхпоперечно-полосатых скелетных мышц. Миозины других типов работаютсходным образом, а похожий механохимический механизм, хотя и с существенными вариациями в деталях, наблюдается в кинезине, денеинеи других сократительных белках.Миозин — это димерный белок. Мономер миозина состоит из фибриллярной части, т. е. «хвоста» (длинной α-спирали), и из глобулярнойчасти, «головки».
спиральные хвосты скручены в молекуле миозинапопарно, и в таком виде они вплетены в толстую миозиновую нить. Продолговатые глобулярные головки периодично, на расстоянии около полуторасотен ангстрем друг от друга, выступают из этого волокна (рис. 25-8в).Они могут связываться с актиновыми нитями (фибриллами, сложеннымииз глобулярного белка актина, рис. 25-8г). «сжигая» АтФ, эти головки могут«переступать» по актиновой нити. Последнее и ведет к сокращению мышц.как же происходит это «переступание», как химический потенциалАтФ преобразуется в механическое движение?384Рис.
25-8. (а) схема саркомера, структурной единицы мышцы. толстые миозиновыенити (с торчащими из них головками) размещены между тонкими актиновыми нитями, прикрепленными к ограничивающим саркомер базальным пластинам. длинаактиновой нити — примерно 1 мк. (б) схема молекулы миозина, состоящей из двухполипептидных цепей.
У этой молекулы — две головки и хвост, представляющийсобою двойную α-структурную суперспираль. Центр связывания АтФ / АдФ схематично показан как небольшая щель в миозиновой головке, состоящей на самомделе из трех доменов («моторного» М, «конверторного» К и «рычага» Р). слипаясьхвостами, молекулы миозина образуют единую миозиновую нить (в), сильно схематизированную на этом рисунке, с периодически торчащими из нее в разные стороныголовками; при этом каждая двухголовая молекула миозина сдвинута относительнопредыдущей на 143 Å вдоль оси нити. (г) схема тонкой нити — двойной спирали(с периодом 360 Å), сложенной из глобул актина (другие компоненты актиновойнити (тропонин, тропомиозин, АдФ) не изображены). Актин способен связыватьсяс миозином только при достаточно высокой концентрации кальцияПроцесс сокращения мышцы удовлетворительно описывается «моделью шагающих мостиков».Она основывается на многолетних исследованиях многих лабораторий — исследованиях, включающих и сверхскоростные снимки дифракции рентгеновских лучей сокращающейся мышцей, и электронную микроскопию мышц, и рентгеноструктурный анализ головки миозина в разныхее состояниях, и тонкие эксперименты с единичными молекулами, и многое другое.
Эти исследования позволили увидеть большинство основныхэтапов мышечного сокращения.Оказалось, что головка миозина может находиться в двух макроскопических конформационных состояниях: в выпрямленном (под углом ≈ 90°к нити), или «атакующем» (А), и в согнутом (R), т. е. наклонном под углом≈ 45° к миозиновой нити. При этом состояние R обладает двумя подсостояниями: R′ (где открыта щель, ведущая от каталитического центра к областисвязывания «головки» с актином), и R″, где эта щель закрыта. На рис. 25-9эта щель, служащая и для выхода продуктов расщепления АтФ, и для аллостерической регуляции связывания «головки» с актином, несколько утри-385рована. Переход из состояния R в состояние A осуществляется поворотомдвух доменов головки миозина («рычага» и «моторного домена») вокругα-спирали лежащего на их стыке «конверторного домена».кроме того, головка может быть в двух макроскопических состоянияхпо связи с актином: либо в связанном (а+), либо в несвязанном (а–).Эти четыре состояния миозиновой головки образуют «макроскопический цикл» (см.
рис. 25-9): (R″, a+ → R′, a+) → R″, a– → A, a– → A, a+ →…Обратите внимание, что состояний в этом цикле — больше, чем два: из двухсостояний направленного цикла не построишь (возможны только колебаниятуда-сюда) и, значит, направленного движения не получишь.кроме того, головка может находиться в четырех состояниях по связис малыми лигандами (АтФ, АдФ и Ф): она может быть свободна от этихлигандов, может связывать АтФ, может связывать оба продукта гидролизаАтФ (АдФ и фосфат Ф) и может связывать один АдФ. Эти четыре состояния образуют «микроскопический цикл».«Микроскопический цикл» сопряжен с «макроскопическим» (см.рис. 25-9): первый поставляет энергию, а второй преобразует ее в сокращение мышцы.
для этого сопряжения необходимо, чтобы «несанкционированные» реакции были бы практически исключены, так что каждыйшаг «микроскопического цикла» мог бы произойти только на определенном этапе «макроскопического цикла».такое сопряжение может произойти лишь в том случае, если и изменение конформации «головки», и изменение ее связанности с актином изменяет состояние центра, связывающего АтФ или АдФ и Ф, и —в определенном своем состоянии — катализирующего превращение АтФв АдФ + Ф. А так как этот центр находится в 40 Å от места связыванияактина (и примерно там же, где находится точка изгиба миозиновой головки), то связывание с актином вызывает изменение АтФ / АдФ-ного центрааллостерически — путем изменений конформации щели, соединяющейэти центры (примерно так же, как связывание О2 с одним гемом вызывает изменение константы связи О 2 с другим гемом гемоглобина).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
