Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В водном растворе связывание СО свободным гемом происходит примерно в 25 000 раз сильнее, чем связывание О,. Однако в составе гемоглобина нли миоглобина сродство гема к СО превышает сродство к О, только примерно в 200 раз. Каким же образом этн белки подавляют природное предпочтение гемом оксида углерода? Ответ был получен Часть ! Конформации н динамика сн, нс ! сн, с СНз СО ! нс. ! Сн! с 'мн со 1 М снз НзС, СНз С' ! СО СН !Нс ! сн, НМ 1 СО 1 МН при рентгеноструктурном анализе и инфракрасной спектроскопии комплексов СО и О, с миоглобином и модельными железопорфиринами. Железопорфирины обладают очень высокой степенью сродства к СО; в их комплексах с СО атомы Ге, С и О расположены на одной прямой )рис.
3.21). В комплексе же миоглобина с СО ось СО находится под углом к связи Ге — С. Расположению СО на одной прямой со связью Ге — С препятствует главным образом наличие дистального гистидина. С другой стороны, ось Оз находится под углом к связи Ге — О как в оксимиоглобнне, так и в модельных соединениях. Следовательно, под влиянием белка СО координируется с железом под углом к связи Ге — С, а не на одной прямой с ней.
Такая наклонная геометрия, обусловленная глобином, ослабляет взаимодействие гема с СО и в то же время создает оптимальные условия для связывиния О . Пониженное сродсзао миоглобина и гемоглобина к СО имеет очень важное значение для биологических процессов. Оксид углерода представлял потенциальную опасность еще задолго до развития индустриализации. Дело в том, что СО образуется эндогенно при расщеплении гема (разд.
21.16). Таким образом, генерирование оксида углерода в организме неразрывно связано с использованием им гема. Эндогенно образуется такое количество СО, которое блокирует - 1;; участков связывания кислорода в миоглобине и гемоглобине. Разумеется, такой уровень торможения невелик. Однако если бы относительное сродство этих белков к СО было примерно таким, какое характеризует свободные железопорфирины, то эндогенно образованный оксид углерода вызывал бы серьезное отравление.
Природа решила вопрос таким образом, что в ходе эволюции появились гемосодержащие белки, которые в силу стерических факторов ослабляют связывание темам СО, но не Оз. 3.8. В растворенном виде и в кристаллическом состоянии миоглобин имеет практически одинаковую структуру С помощью рентгеноструктурного анализа высокого разрешения была получена замечательно детальная, хотя статическая, картина молекулы многлобина. Возникает существенный вопрос: имеет ли растворенный миоглобин такую же структуру, как миоглобин кристаллический? Кристаллический миоглобнн отличается от растворенного в том отношении, что в процессе кристалли- Н!а Е7 ~Ее~ с ж о ~Ее~ ~Ее~ ю ьн н Н~а ЕВ Рвс. 3.21.
б1 Структурная основа пониженного сродства миоглобина и гемоглобина к оксиду углерода. А †свя СО расположена иа одной прямой со свободным железопорфирином; Б †наклонн геометрия связи СО с миоглобином и гемоглобином, обусловленная тем, что дистальный гистидин (Е7) препятствует прямолинейному связыванию СО, в результате сродство к СО оказывается значительно сниженным;  — наклонная геометрия связи Оз с миоглобином и гемоглобнном. Связь Оз со свободными железопорфиринами также имеет наклонную геометрию, зации он подвергается воздействию высокой ионной силы ~3М(ИН„),БОл~ и между его отдельными молекулами возникают взаимодействия.
Могут ли эти факторы так изменить структуру миоглобщ~а, что картина, полученная при рентгеноструктурном анализе, не приближает нас к пониманию его биологической функции? Ответ на этот вопрос †решительн нет. Имеется целый ряд доказательств, что структура миоглобина в растворенном виде и в виде кристалла очень сходна. !. В кристаллическом состоянии миоглобин функционально активен: он способен присоединять кислород, хотя реакция протекает и не так быстро, как в растворе.
В целом реакционноспособность миоглобина в кристаллическом состоянии понижена. 2. Спектр поглощения, характерный для группы гема в миоглобине, расгворенном или кристаллическом, один и тот же. Спектры поглощения служат очень чувствительным показателем особенностей микро- окружения гема. 3. Содержание а-спиралей в растворенной молекуле оценивают по дисперсии оптического вращения и по круговому дихроизму. Измеренное таким образом количество а-спиралей хорошо согласуется с числом п-спиралей, полученным при анализе карты электронных плотностей кристалла. Маловероятно, чтобы значительные изменения конформации не сопровождались бы изменением числа спиралей в струхтуре белка. 4.
Рентгеноструктурный анализ миоглобина тюленя показан, что третичная структура этого белка очень близка таковой многлобииа кита. В противоположность >тому кристаллические решетки этих миоглобинов весьма различны, а следовательно, и взаимодействия между молекулами в этих двух кристаллах неодинаковы. Таким образом, маловероятно, чтобы значительные искажения структуры были бы обусловлены кристаллической решеткой. 3.9.
Неполяриые взаимодействия ю рают важную роль в стабилизировании кенформавии миоглобина Рентгеноструктурный анализ выявляет структуру миоглобина, но не объясняет, почему молекула имеет данную структуру, а не иную. В сущности, одна из задач белковой химии и состоит в том, чтобы определить, каким образом аминокисдотная последовательность залает трехмерную струк- 3. Переносчики кислорода- чио~либни и гемог.юбин туру белка.
Изучение миоглобнна показало, что внутренняя часть молекулы состоит из плотно упакованных неполярных остатков. Остатки таких аминокислот, как валин, лейцин, изолейцин, метионин и феннлаланин являются гидрофобкыми. При возможности выбора между водой и неполярной средой они явно предпочитают последнюю. Далее, при плотной упаковке их боковые цепи оказываются сближенными и между ними возникают вандерваальсовы силы притяжения. Таким образом, значительная сила притяжения, обеспечиваюшая скручивание белковой молекулы, связана с гидрофобностью указанных амннокислотных остатков, т.е.
с их тенденцией к отталкиванию воды. Эти гидрофобные боковые цепи оказываются термодинамически более стабильными, если они сгруппированы внутри молекулы, а не развернуты в водной среде. Повышение стабильности при скручивании молекулы белка обусловлено ростом энтропии, происходящим при упорядоченном распределении молекул воды вокруг доступных гидрофобных групп (разд. 6.26). Итак, полипептидная цепь в водном растворе спонтанно скручивается так, что ее гидрофобные боковые цепи оказываются спрятанными внутри, а полярные, заряженные цепи — на поверхности молекулы. 3.10.
Развернутая молекула миоглобнна спонтанно принимает функционально активную конфигурацию Оказывает ли гем влияние на пространственную структуру миоглобина? Ответ был получен при изучении аломиоглобина, т. е, миоглобина, лишенного гема. Апомиоглобнн получают из миоглобина путем понижения рН раствора до 3,5. Поскольку при таком закислении связь между гемом и белком становится слабой, для отделения гема от белка используют экстрагирование органическим растворителем, Далее водную фазу, содержащую апомиоглобин, нейтрализуют.
Измерения дисперсии оптического вращения показали, что при нейтральном значении рН степень а-спирализации в апомиоглобине составляет 60,'г„ что значительно меньше, чем в миоглобине (75;6). По данным гидродннамических исследований апомиоглобин менее компактен, чем миоглобин. Более того, стабильность апомиоглобина гораздо ниже стабильности мио- глобина. Следовательно, наличие гема окатывает эаметный эффект на структуру лгиоглобииа.
Является ли скручивание апомиоглобина н последуюшее включение гема спонтанным процессом? Если к нейтральному раствору апомиоглобина добавить мочевину нли гуанидин, то молекула белка разворачивается (денатурирует). Содержание пспиралей в этих условиях (т.е. в 8 М растворе мочевины) близко к нулю. После удаления мочевины путем диализа степень и-спттралнзации возрастает до 60г;, т. е, апомиоглобин вновь скручнвается. Последующее добавление тема к этому раствору приводит к образованию биологически активного миоглобина (рис. 3.22). При восста- Рвсяручаиный П)еиатурнрованный) впомиоглобнн !в В М растворе мочевины) | Диализ для удаления мочееины Частично ренатурнрованнын апомногпобнн Добавление гема Миогпобин 62 Часть 1 Конформации н тзинамнка Рнс.
3.22. Образование миоглобина из денатурированного апомиоглобина. Е! )) .цвпь -Р!тай.цепь -Рпеу.цепь-рпе- Рис. 3.23. "'\ о Рнс. 3.24. 63 Положвнив а спирали Е2 ЕЗ Е4 ЕБ Еб Е7 Е8 Е9 'ьеи-Бет-6!и-Ееи-Н!а-Суз'ьеи-Бет-6!и-'ьеи-Нь-Сузьеи-Бег-Б!и-ьеи-На-Суз- Единстванныв различил а поспвдоватальностлк из 9 аминокислот В-, у- и Ь-Цепи гемоглобинов человека обладают сходными аминокислотными последовательностями. Для примера показаны участки трех цепей с остатками от Г1 до Е9.
новлении в ферромиоглобин такой ренатурированный белок способен обратимо связывать кислород с исходной эффективностью. Следовательно, сложная трехмерная структури миоглобина залажгни в самой природе а,иинокислотний последовательности апомиоглойина, соединенного с простетической группой гема. Этот вывод подтвердил универсальность принципа, впервые открытого прн исследовании ренатурации рибонуклеазы, а именно: последовательность аминокислот определяет конформаиию белка. 3.11.
Гемоглобин состоит из четырех полипептидиых цепей Обратимся теперь к гемоглобину — белку, родственному миоглобину. Если миоглобин состоит из одной полнпептидной цепи, то гемоглобин — нз четырех. Эти четыре цепи удерживаются вместе нековалентнымн связями. Каждая цепь содержит один гем, и, таким образом, в молекуле гемоглобина имеются четыре участка связывания кислорода. Гемоглобин А — основной гемоглобин взрослого ор!.аннзма — состоит из двух цепей одного типа, называемых е-епни, и двух цепей другого типа, называемых ()-цепи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
