Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 20
Текст из файла (страница 20)
В противоположность этому на кристаллы миоглобина, так же как и на кристаллы ))м оксигенирование не влияет. Как показал рентгеноструктурный анализ, окси- и дезоксигелсоглобин суи)ественссо различаются но четвертичной структуре Часть 1 Конфирмация н динамика (рис. 4.10). Оксигенированная молекула более компактна.
Например, при присоединении О расстояние между атомами железа в )3-цепях уменьшается с 39,9 до 33,4 А. Особый интерес прелставляют изменения в области контактов между а- и ))-цепями. Существуют два типа контактов между пи б-цепями, обозначаемые соответственно ас(3с- и ас()з-контактами (рис. 4.11). При переходе гемоглобина из окси- в дезоксиформу и, ()с -контакт практически не меняется, тогда как ас)3з-контакт претерпевает большие структурные цзменения. В результате присоединения кислорода одна пара субьеднннц пб поворачивается относительно другой пары аб на 15 (рис. 4.!2). Некоторые атомы в этой области раздела перемещаются на расстояние, достигающее б А. По существу область контакта ас(3з функционирует как переключатель с одной структуры на другую.
Каждая из форм такого похожего на ласточкин хвост контакта стабилизирована собственным набором водородных связей (рис. 4.13). Контакт а,() расположен вблизи гемон. Следовательно, структурные изменения в этой области могут оказывать влияние на гем, Важное значение контакта подтверждается также и тем, что у всех позвоночных он состоит в основном из одних и тех же аминокислотных остатков. Кроме того, практически при всех мутациях, затра- Двзокси Ряс. 4.12. тфоамв Окснгвниооввнне и фоРма Рис. 4ЛЗ. океи Схема, иллюстрирующая изменения четвертичной структуры гемоглобина при оксигенировании. Одна пара а)3- субъединиц сдвигается по отношению к другой путем поворота на 15' и продвижения на 0,8 А.
Оксиформа повернутой пары аб~убъединиц показана красным, дезоксиформа — синим. )ВаЫи)п 3., СЬогЫа С,, 3. Мо!. Вю1., 129, 192 119Э9).] гивающих контакт а,)3г, взаимодействие гем — гем оказывается сниженным, тогда как при мутациях контакта а,)3, этого не происходит. 410.
Соленые связи меаслу отдельными цепями придают жесткость структуре дезокеигемоглебииа В оксигемоглобине С-концевые остатки во всех четырех цепях обладают практически полной свободой вращения. В лезоксигемоглобине, напротив, эти концевые группы заякорены 1рис. 4.!4). Дело в том, что, вопервых, карбокснльный конец агщепи взаимодействует с аминоконцом пз-цепи, Вовторых, боковая цепь аргиншза на этом С-конце образует связь с аспартатом аз-цепи.
В-третьих, карбоксильный конец рз-цепи связан с боковой цепью лизина, принадлежащего аз-цепи Наконец, имидазольная боковая цепь С-концевого остатка ))кцепи взаимодействует с боковой цепью аспартата, также принадлежащего )3гщепи. Эти пары аминокислотных остатков образуют так называемые солевые связи, т.е. нековалентные электростатические связи между противоположно заряженными группами. Из-за образования этих восьми солевых связей дезоксигемоглобин имеет более жесткую, напряженную структуру, чем оксигемоглобин. Четвертичная структура дезоксигемоглобина обозначается как Т-форма (от англ. гензе — нанрялсенная), тогда как четвертичная структура оксигемоглобина — как Я-форма (от англ.
ге1ахег1 — релаксированная). Обозначения Т и й обычно используются для описания альтернативных четвертичных структур аллостерических белков, причем Т- форма всегда имеет меньшее сродство к субстрату. 4.11. При оксигенироваиии атом железа пере- мешается в плоскосп порфирина Выше речь шла о конформационных изме- нениях, происходящих на некотором рас- стоянии от гема.
Посмотрим теперь, что Область а,р -контакта при оксигенированни переходит от Т- формы к В-форме. Конфигурация контактирующих поверхностей в виде ласточкина хвоста позволяет двум субъединицам легко скользить относительно друг друга. 4. Гемоглобин." аллостерический белок Авр НН," 126 Аар 94 Агй Ав ,Г Н)а 146 ОО ра ! гт'Н + а, 141 СОО- МНз' Д, Аьр ...Н1в+ — Концевая СОО .группа ... Ьуье Авр ... Аги' — Концевая СОО группа ...
концевая МНз-группа + Рнс. 4.14. Гнстиднн Ра С-"', Стернческое 1 оттапкнванне1 рв Пяоскость порфирнна происходит с самим темам при оксигенировании. В дезоксигемоглобине атом железа выступает примерно на О,б А из плоскости гема вследствие стерического отталкивания, возникающего между проксимальным гистидином и атолюми азота порфиринового кольца (рис. 4.15). При оксигенировании атом железа перемещается в плоскость порфирина, образуя прочную связь с Ог. Прирост энергии, обусловленный формированием этой связи, более чем в 1О раз покрывает затрату энергии на передвижение проксимального гистидина ближе к плоскости гема. Изучение структуры большого числа синтезированных железопорфиринов показало, что в соединениях, где заня- Рис. 4.15.
то 5 координационных положений, атом железа лежит вне плоскости тема, но если заняты все б координационных положений, то атом железа находится в плоскости или почти в плоскости гема. Локализация атома железа зависит также от спина его электронов, а именно высокоспиновое состояние способствует расположению вне плоскости. Цьо, С вЂ” Н р ~ь НС СН О О Часть 1 Конформации н динамика Перекрестные связи между субъединицами в дезоксигемоглобине.
При оксигенировании эти нековалентные электростатические связи легко разрываются. При оксигенировании атом железа перемещается в плоскость гема. Проксимальный гистицин (Р8) тянется вслед за атомом железа и становится менее наклоненным. Атом железа исходно не лежит в плоскости гема вследствие стерического отталкивания, возникающего между атомом углерода имидазольного кольца и атомом азота гема. Спираль г нпа о о Рис. 4.!6. Конформационные изменения, индуцнрованные движением атома железа прн оксигениронании. Проксимальный гистидин притягивается атомом железа и становится менее наклоненным.
Оксигенированная структура показана красным, лезоксигенированная — синим. [ВаЫзч(п 3., СЬоЖа С., Мо!. Вю1., 12й, 192 (1979).] 4.12. Движение атома железа иередаетса иа другие субъеднннцы через проксимальиый гястадии Каким образом перемещение атома железа н плоскость гема может способствовать переключению четвертичной структуры с Т- формы на К? Ключевым элементом в передаче структурных изменений от гема одной субъединицы к другой субьединице служит боковая цепь проксимального гистидина, которую тяпе~ за собой перемещающийся атом железа (рис. 4.16). Гем н проксимальный гистидин образуют тесные контакты с боковыми цепями 15 аминокислотных остатков, и потому при оксигенировании меняются структуры спирали Е, углов ЕЕ и ЕО.
Эти сдвиги передаются затем на области межсубъединичных контактов. Тирозин НС2, располагавшийся в кармане между спиралями Е и Н, выдвигается наружу, что приводит к разрыву соленых связей между цепями. В результате равновесие между двумя четвертичными структурами при оксигеннровании сдвигается в сторону йформы. Итак, изменение гтруктуры внутри одной губьединицы Гоксигеиирование) приводит к изменению структуры в области контактов субьедюшц.
Таким путем присоединение кислорода к одному гему передается на отдаленные от этого гема части молекулы. 4.13. Механизм кооперативного связывании кислорода Почему четвертая молекула Ог связывается гемоглобином примерно в ЗОО раз прочнее, чем первая'> Понять это явление можно из аналогии, приведенной на рис.
4.17. Дезоксигемоглобин имеет жесткую структуру, усиленную восемью солевыми связями между четырьмя субъединицами. Присоединение кислорода может произойти лишь после того, как разрыв каких-то из этих связей позволит атому ягелеза переместиться в плоскость гема. Сколько должно разорваться соленых связей, чтобы присоединилась молекула О,? Это зависит от того, какая по счету молекула должна присоединиться: первая, вторая, третья или четвертая. Для связывания первой молекулы О, необходимо разорвать больше связей, чем для связывания последующих.
Поскольку разрыв соленых связей требует энергии, присоединение первой молекулы О, энергетически менее выгодно, чем присоединение 4. Гемоглобин: аллостернческнй белок (см. рис. 4.16), а потому и увеличено стерическое отталкивание, препятствуюШее его перемещению. Более симметричное положение проксимального гистидина в К-форме облегчает его приближение к гему.
Кроме того, в Т-форме участок связывания О, в (3- субъединшзе заслонен валином Е11 в большей степени, чем в К-форме. Рнс. 4.17. Пояснение хода оксигенирования гемоглобина на примере почтовых марок. Для того чтобы оторвать одну марку из четырех, нужно разорвать две перфорированные стороны. Чтобы отделить вторую марку, нужно произвести разрыв только с одной стороны; чтобы отделить третью — тоже с одной. После этого четвертая марка остается свободной.
остальных. Присоединение же второй и третьей молекул Оз по величине затраты энергии занимает промежуточное положение между первой и четвертой (рис. 4.18). Такое постепенное увеличение сродства к кислороду придает кривой связывания Оз ту сигмоидность формы, которая выявляется экспериментально. Этот аллостерический механизм можно описать н на уровне более тонкой структуры. Почти все молекулы дезоксигемоглобина находятся в Т-форме.
По мере последовательного связывания молекул Оз возрастает вероятность перехода в К-форму. Сродство Т-формы к Оз е 300 раз ниже, чем сродство К-формы, так как в Тфсрме передвижение проксимального гистидина в плоскость геми имеет Йольтие ограничений. В частности, в Т-форме проксимальный гистидин больше наклонен к плоскости гема Часть 1 Конформации и динамика 4.14. Бнсфосфоглицерат сниагает сродство к кислороду путем образованна перекрестных связей с дезоксигемоглебином БФГ специфически связывается с дезоксигемоглобином в соотношении 1 БФГ на 1 тетрамер гемоглобина. Это очень интересная стехиометрня.
Казалось бы, белок, имеющий структуру из()„должен обладать по крайней мере двумя участками связывания какого бы то ии было небольшого соединения. Наличие только одного участка связывания тотчас же наводит на мысль, что БФГ связывается по оси симметрии молекулы гемоглобина в центральной полости, где схо- Свободная энергия связывания Ог в отсутствие перекрестных связей О гз нт о и и о о о о ст вя З.я ья ья Связываемые молекулы 02 Рис.
4.18. Свободная энергия связи последовательных молекул О, (ср. с моделью, описанной на рис. 4.17). Сродство связывания (- Або) возрастает, так как для присоединения четвертои молекулы О, нужно разорвать меньше перекрестных связей, чем для присоединения первой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
