Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В целом субьединичная гтруктура гемоглобини А аписываетгя формулой аз() . У взрослых есть, кроме того, минорный гемоглобин А,, на долю которого приходится примерно 2% общего количества гемоглобина; субъединичная структура этого гемоглобина и Ьг. Эмбрионы солержат другие гемоглобины. На ранних этапах эмбрионального развития выявляется гемоглобин плода тх е .
На смену ему приходит гемоглобин Е с субъединичной структурой азуг. Биологическое значение этих разных гемо- глобинов представляет собой очень интересную проблему, которую мы обсудим в следующей главе. Общая для всех перечисленных гемоглобинов а-цепь содержит !41 аминокислотный остаток. (1-, 5- и у-Цепи содержат по 146 остатков с очень схожей последовательностью аминокислот (рис. 3.23).
3.12. Рензтеноструктуриый анализ гемоглобина Как упоминалось ранее, пространственную структуру гемоглобина А определили Макс Перутц и сотрудники. Этот монументалъный труд был начат в 1936 г., когда для выполнения дипломной работы Перутц уехал из Австрии в Англию в Кембридж и начал работать в лаборатории Джона Бернала (1. Ветла!), гле двумя годами ранее были получены первые рентгеновские отпечатки кристаллов белка.
Бернал и студенткадипломница Дороти Кродфут Ходжкнн (О. С. НодйГбп) получили отличные отпечатки дифракции пепсина и таким образом показали, что белкам свойственна точно определенная структура. Еще в 1934 г. они предсказали перспективность применения рентгеноструктурного анализа как метода, «позволяющего получить гораздо более подробные сведения о белковой структуре по сравнению с тем, что могли дать предше- Модель гемоглобина при низком разрешении, а-Цепь показана желтым, ()-цепь — синим, гем -красным. (Реги!к М.Е., Тйе )теток!оЬш шо!есп!е, Бс!епббс Аптепсап, 1пс., 1964.) 3. Переносчики кислорода— миоглебнн н гемоглобин р . Цепи моогнобина Многнобнн Рис.
3.25. Сравнение конформаций главной цепи миоглобина и р-цепи гемоглобина. Сходство конформаций совершенно очевидно. (Регшх М.Г., Тйе Ъсгпо81оЪ|п гпо1есц!е, 8с(епйбс Агпепсап, 1пс., 1964.) ствовавшие физические и химические подходы». Прошло, однако, более 20 лет, прежде чем этот прогноз оправдался. В тот период, когда Перутц избрал объектом своей работы гемоглобин, самым высокомолекулярным соединением с расшифрованной структурой был краситель фталоцианин, состоящим нз 58 атомов.
Перутц:ке взялся за молекулу в сотни раз большую, Не удивительно, что «мон товарищи смотрели на меня с жалостливой улыбкой... По счастью, экзаменаторы, принимавшие мою дипломную работу, не настаивали на окончательном установлении структуры, иначе бы я оставался студентом-дипломником в течение 23 лет». Однако Лоуренс Брэп (Ь. Вга88), который вместе со своим отцом впервые в 1912 г. применил ренттеноструктурный анализ, стал в это время во главе Кавендишской лаборатории и поддержал работу Перутца Он писал: «Я не обманывал себя в отношении перспективы. Дело выглядело так, как если бы нулевую вероятность успеха помножили на бесконечную важность искомого результата; результат Часть ! Конформацня н динамика этой математической операции был никому не известен», Успех пришел в 1959 г., когда Перутц получил карту электронной пло гностн низкого разрешения для окснгемоглобина лошади.
Впоследствии были получены карты высокого разрешения как для окси-, так и дезоксигемоглобина лошади и человека. Гемоглобины этих двух видов очень близки по своей структуре. 3.13. Четвертичная структура гемоглобина Молекула гемоглобина имеет почти правильную форму шара диаметром 55 А. Четыре цепи, образующие молекулу гемоглобина, расположены в вцде тетраэдра (рис. 3.24). Четыре гема, по одному у каждой субьединицы, находятся в углублениях на внешней стороне молекулы. Этн четыре кислородсвязываюших участка расположены далеко друг от друга: расстояние между двумя ближайшими атомамн железа составляет 25 А.
Каждая е-цепь контактирует с обеими б-цепями. В то же время взаимодействия между двумя и- или между двумя ()-цепями незначительны. ЗЛ4. и- и В Цени гемоглобина очень сходны с миоглабином Пространственные структуры многлобина и и- и б-цепей гемоглобина обладают поразительным сходством (рис. 3.25).
Близкое подобие в конфигурации основных цепей этих белков оказалось неожиданным, поскольку в последовательности аминокислотных остатков в этих трех полипептидных цепях существует много различий. Собст- Гемоглобин человека Е1 Е2 Яег -Авр-!ли- Нм Яес -6!и-).еи- йсв А1а -61п-Яес- Н(В -~еи-Яес-А1а- Ып -Р(зе-А)а-Тузу- )вц -!.ои-( ув-Рсо- )л!яв а.Цепь )3-Цепь Миоглобин камапота А!а с~ А1а Едиист последе Рис. 3.26. Гисгилин Прсксимвльиый связанный с гамом тисти- дин Дистальиый систадии вблизи тема Контакт с гемом тс же Разрешает сближение спиралей В и П Термииироваиие слирали Перекрестная связь между сцаралями Н и Р Не установлена » я Гистидин Феиилалаиин Лейлин Глиции СП1 Рл ВЬ С2 нсг Прилип Тирсзии сл нсо Тресиии Лизни Сравнение аминокислотных последовательностей миоглобина кашалота и а- и ()-цепей гемоглобина человека на примере участка от остатка Г1 по остатка Г9.Последовательности аминокислот имеют гораздо меньше сходства, чем пространственные структуры этих трех полипептидных цепей.
венно только 24 положения из 141 идентичны во нсех трех полнпептидных цепях; это показывает, что очень сходные пространственные структуры могут быть обусловлены совершенно разной последовательностью аминокислот (рис. 3.2б). Совершенно очевидно, что пространственная конфигурация многлобина кашалота и а- и ()-цепей гемоглобина человека имеет общебнологнческое значение. В сущности, зта структура свойственна всем миоглобннам и гемоглобинам позвоночных. Сложнач конфигурация нолинентидной цепи, впервые вьзявленная на примере миоглобина,-это та основная форма, которуш природа предназначила для переносчика кислорода: смысл ее в том, что вокруг гема создастся такое милроокружение, которое обеспечивает обратимость связывания кислорода.
3.15. Критически необходимые остатки в последовательности аминокислот К настоящему времени расшифрованы последовательности аминокислот в гемоглобинах более чем 20 видов животных (от миноги до человека). Полученные данные выявили значительное разнообразие аминокислот в большинстве положений. Есть, однако, 9 положений в последовательности, где стоят одни и те же аминокислоты у всех или почти всех обследованных видов (табл. 3.2).
Эти консервативные (инвариантные) положения имеют особо важное значение для функции гемоглобина. Неко- Положение в спирали ЕЗ Е4 Еб Еб Е7 ЕВ Ей ввнныв идвнтичныо остатки в ватвльностях из 9 аминокислот торые из них входят в состав непосредственно участка связывания кислорода. К числу других консервативных положений относится тирозин-НС2, который стабилизирует молекулу, образуя водородную связь между спиралями Н и Г. Глицин (Вб) сохраняется благодаря своему небольшому размеру: боковая цепь более крупная, чем 1 атом водорода, препятствовала бы сближению спиралей В н Е (рис.
3.27); пролин-С2 имеет важное значение, так как им завершается спираль С. Значительную вариабельность проявляют неполярные остатки внутренней части молекулы гемоглобина. Однако во всех случаях — это замена одного неполярного остатка на другой, также неполярный (например, аланина на изолейцнн). Таким образом, выраженный ненолярный характер внутренней части молекулы сохраняется неизменным.
Как было указано выше, в обратимом оксигеиировании гема важную роль играет его расположение в неполярной ни- Таблица 3.2. Кевсериатавшее ямииеиаслетаые естаткв е гематлебиие Положе- Аминокислота Функция аие 3, Переяосчики кислорода— миоглобин н гемоглобин ше, где он защищен от воды. Кроме того, наличие внутренней неполярной сердцевины (соте) в молекуле гемоглобина стабилизирует его пространственную структуру.
Остатки аминокислот на поверхности молекулы крайне вариабельны. В самом деле, очень немногие из них имеют устойчивый положительный или отрицательный заряд. Казалось бы, остатки пролина должны проявлять постоянство, поскольку нми завершаются участки спирализацни. Однако это не так. Инвариантен только один пролиновый остаток, и в то же время во всех миоглобинах соответствующие длины и направления спиралей практически одинаковы. Очевидно, существуют другие пути терминирования н изгиба аюпиралей. Е20 3.16. Возникновение гемоглобина — новый этап в эволюции До снх пор мы акцентировали внимание на структурном сходстве между миоглобином и гемоглобином. Однако функционально эти две молекулы соврешенно различны.
Субъединицы гемоглобина имеют ту же конфигурацию, что и миоглобнн. Но соединение субъединиц с образованием тетрамера цз()з приводит к появлению новых свойств огромного биологического значения. Этому вопросу посвящена следую1цая глава. Заключение Миоглобин н гемоглобин-белки, выполняющие у позвоночных роль переносчиков кислорода. Миоглобин облегчает перенос кислорода в мышцах и обеспечивает его накопление в этой ткани.
Гемоглобин, находящийся в эритроцитах, является переносчиком кислорода в крови. Способность этих белков связывать кислород обусловлена наличием в их молекуле прочно связанной простетической группы гема. Гем представляет собой заме1ценный порфирии с центрально расположенным атомом железа. Железо в геме может быть в ферроформе (+ 2) илн ферриформе (+ 3). Только ферроформа способна связывать О . Миоглобин представлен одной полипептидной цепью, состоящей из 153 аминокислотных остатков (17,8 кДа), и имеет компактную форму.
Во внутренней части молекулы находятся почти исключительно непояярные остатки, тогда как снаружи рас- Часп 1 Конформацня и динамика Рис. 3.27. В16 Перекрест цепей В и Е в миоглобине. В положении Вб практически всегда стоит глицин, поскольку для более длинной, чем у глицнна, боковой цепи нет места.
положены и полярные, и неполярные аминокислотные остатки. Около 75;4 полипептидной цепи имеет структуру и-спирали, причем имеется 8 спирализоваиных участков. Единственный феррогем локализован в не- полярной нише, что защищает его от окисления в ферриформу. Атом железа в геме непосредственно связан с атомом азота боковой цепи гистидина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
