Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 26
Текст из файла (страница 26)
У людей с гемоглобином М обычно отмечается цианоз. Заболевание встречается только у гетерозиготных особей, поскольку гомозиготность по этому признаку почти всегда приводит к летальному исходу. 5ДЗ. Полярные группы в щели, занимаемой гемом, ослабляют его связывание с полнпептндиой цепью Еще один тип мутации, затрагивающей активный центр, выражается в том, что в щели, занимаемой гемом, на место неполярной группы становится полярная. Между гемом и полипептцдной цепью существует бО межатомных контактов, причем эти контакты по своей природе неполярны.
Поскольку эти неполярные взаимодействия устойчиво сохраняются в нормальных гемоглобннах разных видов животных, можно думать, что большинство из них имеет существенное значение для функционирования молекулы гемоглобина. В самом деле, мутации в участках связывания гема почти всегда приводят к неблагоприятным последствиям. Рассмотрим для примера гемогло- Локализация фенилаланина СР1, одного из инвариантных остатков в гемоглобине. Ароматическое кольцо этого фенилаланнна находится в контакте с гемом. бин Напнпегзш!бз. На месте фенилаланина СР1 (рис. 5.17) в этом гемоглобине находится серии.
В результате такой замены нарушается связывание гема, Объяснить это можно следующим путем: вероятно, наличие полярного остатка серина способствует тому, что в щель, обычно занимаемую гемом, проникает вода. 5.14. В результате некоторых мутаций гемогяобнны утрачивают стабильность нз-за деформаций третнчной структуры Замены аминокислот в отдаленных от гема участках могут препятствовать возникновению нормальной конформации гемоглобина и тем самым резко нарушать его функцию. Большой интерес в этом отношении представляет гемоглобин К!чегда!е-Вгопх, у которого в положении Вб вместо глицина стоит аргииин.
Из-за больших размеров аргинин не умещается в том узком пространстве, в котором должны пересекаться спирали В и Е (рис. 5.18). Действительно, во всех нормальных гемоглобинах и миоглобинах положение Вб всегда занято глицином. Гемоглобин К!тегба!е-Вгопх в результате про- 5. Молекулярные болезни: серповндноклеточная анемия изошедшей аминокнслотной замены оказывается нестабильным.
Гемоглобин Онп Н111 принадлежит к числу редко встречающихся аномальных гемоглобинов, у которых не один, а несколько аминокислотных остатков затронуты мутацией. В указанном гемоглобине произошла потеря пяти аминокислот в каждой 3)-цепи, а именно выпал последний амннокислотпый остаток в Е-спирали и следующие четыре остатка в углу, образованном Г- и О сг.иралямн.
В нормальном гемоглобине соответствующий фрагмент полипептидной цепи образует контакты с гемом. Выпадение указанного фрагмента в результате мутации приводит к тому, что )3-цепи гемоглобина Онп Н111 не содержат гема. Клиническое проявление этой мутации-гемолитическая анемия. 5.15. Мутации в области контактов нарушают аллостернческне взаимодействия Для функционирования гемоглобина в качестве эффективного переносчика кислорода необходимо сохранение всех его аллостерических свойств. Целостность участка, связывающего гем, и правильная укладка субьединиц гемоглобина — условие необходимое, но отнюдь не достаточное для полноценного функционирования. Важная роль принадлежит аминокислотным остаткам, локализованным в области контактов между субъединицами, так как некоторые из этих остатков передают информацию от одной субъеднницы к другой. Контакты между одноименными субъединицами гемоглобина немногочисленны н по своей природе полярны, тогда как контакты между разноименными субъединицами обширны и в основном неполярны.
Существуют два типа контактов между н- и )3-цепямн, обозначаемые соответственно и, б, и н,)3г. Как уже отмечалось, а,)3з-контакт играет, по-видимому, ключевую роль в передаче аллостернческих взаимодействий,— судя по тому, что именно в этой области наблюдается значительное перемещение атомов при оксигенировании гемоглобина.
Об этом свидетельствует и тот факт, что почти всв гемоглобины с заменами в области наг-контактов проявляют пониженную кооперативность. Более того, обычно и сродство этих гемоглобинов к кислороду отличается от нормы. Часть 1 100 Конформацня н динамика Рнс. 5.18. Молекула гемоглобина принимает нормальную структуру, только если в положении Вб стоит остаток глицина. Поскольку именно в этом участке перекрещиваются спирали В и Е, для большей, чем у глнцина, боковой цепи нет места. Например, гемоглобин Кегарзеу характеризуется Р, = 15 торр, иногда как для нормального гемоглобина Р„равно 26 торр. При этой мутации аспартат в положении О1 в )3ч3епи заменен аспарагнном. Почему такая замена проявляется в значительном повышении сродства к кислороду? Вспомним, что в дезоксигемоглобине область а1)3;контакта в норме стабилизирована водородной связью между остатками аспартата О1 и тирозина в а-цепн Зразд.
4.9). Эта водородная связь обеспечивает устойчивость Т-состояния (генке, напряженное), характерного для нормального дезоксигемоглобина. Отсутствие указанной водородной связи в гвмоглобине Кетрвву уменьшает стабильность 'Р-состояния, сродство к кислороду в реэулыпате повышается. В обратной ситуации в тех же случаях, когда в результате мутации нарушается стабильность И (релаксированного) состояния, следует ожидать снижения сродства к кислороду.
Действительно, Рю гемоглобина Каляев равен 70 торр. У больных с таким гемоглобином резко выражен цианоз, поскольку уровень насыщения кислородом их артериальной крови составляет 0,6 против 0,97 в норме. В гемоглобине Капзаз произошла замена аспарагина О4 на треонин, вследствие чего не образуется той водородной связи, которая в норме стабилизирует оксигемоглобин.
5.16. Значение открытия мутаитных гемоглвбинов Выявление мутаций белков-переносчиков кислорода оказало большое влияние на молекулярную биологию, медицину, генетику и антропологию. Мутантные гемоглобины используются в трех линиях исследований. 1.
Мутантные гемоглобипы позволяют понять взаимосвязь между структурой и функцией нормального гемоглобина. Мутация по одному аминокислотному остатку представляет собой высокоспецифическую химическую модификацию молекулы, осуществленную самой природой. Такие мутации помогают выявить, какая часть молекулы имеет наиболее важное значение для функции. 2. На примере мутаитпых гемаглобипав было впервые обнаружено, что болезнь мажет возникнуть в результате замены адиой-единственной аминокислоты в одной палияетпидпой целы апределеинога белка. Вся концепция о молекулярных болезнях, составляющая теперь неотъемлемую часть медицины, возникла при изучении гемоглобина серповидных клеток.
3. Выявление мутаитпых геиаглобипав расширяет ниши представления ой эволюционных процессах. Мутации служат «сырьем» для эволюции. Как показало изучение серповидноклеточной анемии, мутация может быть одновременно и полезной, и вредной, Процесс эволюции может приводить к болезни у отдельных особей; это красочно описали Цукеркандл и Полинг (л.ис(гег(гапд), Раи1(пя 1962): «С субъективной точки зрения эволюция чаще всего сводилась к страданиям от болезни. Эти болезни были, безусловно, молекулярными. Выражение концепции добра и зла, которую человек изобразил как свое печальное изгнание из рая, это, может быть, молекулярная болезнь, обернувшаяся эволюцией». Заключение Изменение одной-единственной аминокислоты в одном-единственном белке, вызванное мутацией гена, может быть причиной определенной болезни.
Наиболее изученная 5. Молекулярные болезни: серповиднаклеточная анемии 101 молекулярная болезнь-серповидноклеточная анемия. Аномальный гемоглобин больных серповидноклеточной анемией, обозначаемый как гемоглобин Б, состоит из двух нормальных п-цепей и двух мутантных (3-цепей. Мутация выражается в том, что в бцепи гемоглобина Я в 6-м положении вместо глутамата стоит валин. Такое замещение полярной боковой цепи на неполярную приводит к резкому понижению растворимости дезоксигемоглобина Я, Растворимость же оксигемоглобина Я остается нормальной. Дезоксигенированный гемоглобин Я образует волокнистый осадок, который деформирует зритроцит, придавая ему форму серпа. Серповидные эритроциты быстро разрушаются, что создает в итоге клиническую картину хронической гемолитической анемии.
Серповидноклеточная анемия возникает только у лнц, гомозиготных по мутант- ному гену, детерминирующему синтез (3-цепи гемоглобина Б. У гетерозиготных особей синтезируется и гемоглобин Я, и гемоглобин А. Гетерозиготное состояние, называемое признаком серповидноклеточности, протекает обычно бессимптомно. Среди негритянского населения примерно один человек из десяти гетерозиготен по гену серповидноклеточности. Такая высокая частота этого мутантного гена, вредоносного для организма в случае гомозиготности, обусловлена тем, что носительство мутантного гена оказывается полезным признаком — явление, известное как сбалансированный полиморфизм.
Лица, гетерозиготные по гену серповипноклеточной анемии, оказываются устойчивыми к самой тяжелой, летальной форме малярии, При изучении гемоглобина у гематологических болъных, а также при обследовании здоровых людей было обнаружено более 100 мутантных форм гемоглобина. Гемоглобины, отличающиеся по электрофоретической подвижности от гемоглобина А, подвергают анализу методом пептидных карт («отпечатков пальцев») и затем определяю~ последовательность аминокислот того пептнда, по которому исследуемый гемоглобин отличается от гемоглобина А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
