Э. Рис, М. Стернберг - Введение в молекулярную биологию от клеток к атомам (1160049), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Белки в роли переносчиков: глобиныГемоглобин - это белок, переносящий кислород отлегких к тканям и осуществляющий транспорт углекислого газа от тканей обратно к легким. Гемоглобинлокализован в красных кровяных клетках — эритроцитах. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей - двух идентичных ос-цепей(обозначаемых а, и а2) и двух идентичных р-цепей(обозначаемых р, и р2). Каждая цепь связана с особойгруппой — гемом.Миоглобин — это белок, переносящий кислород вмышечных клетках.
Он состоит из однойполипептидной цепииимеетодингем.Аминокислотная последовательность миоглобинаотличается от последовательностей как α-, так и βцепей гемоглобина, однако ме-жду всеми тремя последовательностями имеется определенное сходство (гл. 16). В каждой цепи содержится примерно 140—150 остатков.Используя метод рентгеноструктурного анализа,Кендрью и Перутц с сотрудниками определили пространственные структуры миоглобина и гемоглобина.Третичная структура α- и β-цепей гемоглобинаи цепи миоглобина оказалась сходной.
Во всех трехполи пептидах около трех четвертей остатков входит всостав ос-спиралей. Все три цепи состоят из шестидлинных ос-спиральных сегментов, обозначаемых А,В, Е, F, G и Н, в каждом из которых находятся от 10до 25 остатков (гл. 10). В области между спиралями Ви Е структура цепей различается. В миоглобине имеются две дополнительные α-спирали, С и D, которыев цепях гемоглобина либо отсутствуют, либо деформированы. Общая укладка α-спиралей во всех трехцепях настолько похожа, что принято говорить о«глобиновом типе сворачивания».
Соседние вдольцепи α-спирали связаны перемычками из несколькихостатков. Эти перемычки имеют нерегулярные конформации. В глобинах остатки иногда обозначаютсясогласно тому, какое место по порядку они занимаюти в какой α-спирали. Например, HisF8 р-цепи — этовосьмой остаток в α-спирали F, ValFG5 — пятый остаток перемычки между ос-спиралями F и G, а ТугНС2 —это второй остаток в С-концевом нерегулярном участке, расположенном за α-спиралью Н.Гем состоит из атомов углерода, азота и водорода,образующих плоское кольцо, называемое порфирином.
В центре этого кольца находится атом железа,связанный с атомами кольца четырьмя из шести своих возможных координационных связей.К гему примыкают два остатка His. Ближайший гистидин(HisF8) связан с атомом железа через пятуюкоординационную связь. По шестой связи присоединен кислород.Дальний гистидин (HisE7) располагается спротивоположной стороны порфиринового кольца поотношению к HisF8 и не образует связи с гемовымжелезом -здесьдолжно остаться достаточносвободного пространства для размещения кислорода.Дезоксигемоглобин — это гемоглобин, не связанный скислородом. В дезоксигемоглобине атом железанаходится вне плоскости порфиринового кольца и,кроме того, имеется несколько солевых мостиков иводородных связей, которых нет в оксигенированнойформе белка. Некоторые из этих связей образуютсямежду атомами одной и той же цепи (например, водородная связь между ОН-группой ТугНС2 и карбонильным кислородом ValFG5 р-цепи), другие — между атомами, принадлежащими различным цепям (например,солевой мостик между LysC5 ос-цепи и концевойСОО-группой р-цепи).Оксигемоглобин — это гемоглобин, связанный с кислородом.
Кислород присоединен по шестой координационной связи атома железа гема и располагается рядом с дальним остатком гистидина. При связываниикислорода атом железа перемещается в плоскость порфиринового кольца. Одновременно с этим происходяти некоторые другие конформационные изменения, втом числе сдвиг Е- и F-спиралей (рис. 15.1). Основнаяперестройка происходит в четвертичной структуре гемоглобина — α1 и β1 цепи поворачиваются как единоецелое относительно α2- и β2 -цепей.
В результате всехэтих изменений в оксигемоглобине оказывается меньше солевых мостиков, чем в дезоксигемоглобине.Связывание кислорода миоглобином и гемоглобином можно описать с помощью кривых связывания,представленных на рис. 15.3. Степень оксигенациигемогрупп зависит от концентрации присутствующегов среде кислорода (на графике концентрация кислорода выражена в виде его парциального давления).Для миоглобина график представляет собой гипербо-лу, что и следует ожидать при простом одноэтапномсвязывании.
Однако в случае гемоглобина графикимеет S-образную форму; это говорит о наличии эффекта положительной кооперативности, т. е. о том,что после оксигенации одной или большего числасубъединиц сродство остальных субъединиц к кислороду возрастает.S-образность кривой связывания кислорода гемоглобином объясняет, каким образом в тканях происходит освобождение кислорода из этого белка. Уменьшение парциального давления кислорода при переходе от артерий к венам приводит к снижению степениоксигенации от почти 100% до примерно 75%.
Кислород, диссоциировавший из комплекса с гемоглобиномв венах, подхватывается миоглобином, имеющим кнему большее сродство.Кооперативные эффекты связывания кислородагемоглобином можно объяснить в рамках симметричной модели Моно, Уаймена и Шанжё (гл. 13). Действительно, как и предполагается в модели, гемоглобинможет находиться в двух состояниях, различающихсявзаимным расположением субъединиц и числом межсубъединичных контактов.
Структура белка в одномиз состояний соответствует структуре дезоксигемоглобина, а в другом — структуре оксигемоглобина. Впервом состоянии белок обладает меньшим сродством к кислороду и имеет больше солевых мостиков иводородных связей, чем во втором. Согласно моделиМоно, Уаймена и Шанжё, первое состяние гемоглобина — это Т-форма (tense-state), а второе — R-формабелка (relaxed-state).Положение равновесия между T- и R-формами зависит отконцентрации кислорода — чем она выше, тем вбольшей степени равновесие сдвинуто в сторону Rформы. Пусть какая-то молекулы гемоглобина несвязана с кислородом и при этом находится в Т-состоянии.
Связывание молекулы кислорода одной из цепейвызывает конформационные изменения в гемогруппеэтой цепи и далее во всей субъединице. Эти измененияувеличивают вероятность перехода всей молекулы гемоглобина из Т- в R-состояние. Связывание второй итретьей молекул кислорода еще больше увеличиваетэту вероятность. Оказавшись в R-форме, гемоглобинеще легче связывает последнюю, четвертую молекулукислорода. В результате гораздо более вероятно, чтомолекула гемоглобина не будет связывать ни однойили связывать четыре молекулы кислорода, чем какое-либо промежуточное их число.Эффект Бора, заключающийся в высвобождениипротонов при присоединении кислорода к гемоглобину, очень важен для транспорта углекислого газа изтканей к легким.Дифосфоглицерат(ДФГ), обнаруживаемый в эритроцитах, участвует в регуляции процесса присоединения кислорода к гемоглобину.
ДФГ легко образуеткомплекс с дезоксигемоглобином, связываясь в щелимежду двумя β-цепями, но обладает низким сродством к оксигемоглобину. Поэтому присутствие ДФГ ввысоких концентрациях уменьшает сродство гемоглобина к кислороду и вызывает высвобождение кислорода в ткани.Гемоглобин плода человека (фетальный гемоглобин)отличается от гемоглобина взрослых тем, что в немдве β-цепи заменены двумя γ-цепями. Гемоглобинплода связывает ДФГ менее сильно, чем дезоксигемоглобин взрослых, и поэтому имеет более высокоесродство к кислороду.
В результате, когда кровь плодаобогащается кислородом за счет материнской крови,что имеет место в плаценте, кислород переходит отматери к плоду с высокой эффективностью.16. Эволюция белковГлобины — это группа белков, участвующих в транспорте кислорода. Они встречаются у высших эукариот, и на примере их эволюции будет рассмотрена эволюция белков вообще.Известные аминокислотные последовательностиразнообразных глобинов из многих видов можно совместить друг с другом.
Для этого в некоторые последовательности иногда бывает необходимо включитьпропуски, как, например, в положение F10 при совмещении последовательностей α- и (β-цепей гемоглобина с последовательностью миоглобина.Инвариантным называется такой остаток, которыйвстречается в определенном положении любой из совмещаемых последовательностей.
Инвариантность почти всегда является следствием того, что данный остатокиграет особую функциональную или структурную роль.Так, во всех миоглобинах и гемоглобинах в положенииF8 обнаруживается His, поскольку он должен образовать ковалентную связь с железом гема.Термин замена означает изменение остатка вопределенном положении одной последовательности,обнаруживаемое при совмещении ее с другой. Прикон-сервативных заменах сохраняются химические свойства боковых цепей; например, во всех глобинах остатки в положении F6 имеют полярные боковые цепи. Боковые цепи, находящиеся во внутренней частибелковой глобулы, почти всегда неполярны, и эта неполярность сохраняется на протяжении всей эволюции белков.
Остатки, расположенные на поверхностибелков, подвергаются более частым и разнообразнымзаменам, поскольку в большинстве случаев на химические свойства их боковых цепей не налагается жестких ограничений.Число различий в аминокислотных остатках длялюбой пары глобинов определяют, совмещая соответствующие последовательности, а результаты такихподсчетов для всего семейства глобинов могут бытьпредставлены в виде таблицы. Для простоты частосчитают, что каждый единичный пропуск эквивалентен одной замене. К примеру, при совмещении последовательностей миоглобина и α- и β-цепей гемоглобина сравнивают 155 положений и найденное числоразличий заносят в таблицу (рис.
16.1).Древо родственных связей для глобинов строится наоснове математического анализа числа различий ваминокислотных остатках. В результате длина «пути»от белка из одного вида до общего предшественника(точка разветвления) и затем до белка из другого видаоказывается пропорциональной числу аминокислотных различий в сравниваемых последовательностях,которое, например, в случае пары р-цепь гемоглобинацыпленка/р-цепь гемоглобина лошади равно 47, а дляпары р-цепь гемоглобина человека/р-цепь гемоглобина лошади составляет 24.Мутацией называется любое изменение в нуклеотидной последовательности определенного гена(гл. 27). Наиболее часто происходят так называемыеточковые мутации, связанные с изменением одногоазотистого основания, что влечет за собой изменение типа аминокислотного остатка в одном положении полипептидной цепи.
Другие мутации приводят к вставкам или удалению одного или болееаминокислотных остатков. Особым типом мутацииявляется удвоение гена, в результате чего в организме появляются две копии одного и того же гена.Согласно теории естественного отбора, в популяции фиксируются предпочтительно выгодные мутации, т.
е. мутации, дающие организму какое-то преимущество.Дивергентная эволюция белков семейства глобинов.Все глобины имеют сходные последовательности. Этотфакт объясняется происхождением их от одногообщего предка. Эволюция глобинов происходила,очевидно, по дивергентному пути с помощью мутаций. Число различий в аминокислотных последовательностях между любыми двумя белками непосредственно связано с числом мутаций, зафиксированныхпосле того, как эти два белка разошлись от своего общего предка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
