химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

Автор Н.А.Преображенский, Р.П.Евстигнеева

G 5. Дополнительный мостик образуется в результате внедрения молекулы дифосфоглицериновой кислоты между двумя р-субъединицами.

Рис. 12. Трехмерная модель молекулы гемоглобина:

светлые блоки — оцепи; заштрихованные блоки — В-цепи; диск — группа гема.

Физиологические функции гемоглобина

Важнейшей функцией гемоглобина является перенос кислорода от легких к различным тканям. Эта функция основана на уникальном свойстве гемоглобина — способности обратимо соединяться с кислородом. В процессе зволюции полипептидных цепей молекула гемоглобина приобрела не только это свойство, но и ряд дополнительных механизмов, позволяющих достигать максимального насыщения кислородом в легких и максимальной отдачи его в тканях. Такими механизмами являются гем-гемное взаимодействие и эффект Бора.

Реакция гемоглобина с кислородом протекает по суммарному уравнению:

НЬ + 402 ч=>: НЬ(Ог), (/)

При полном насыщении 1 г гемоглобина соединяется с 1,33 мл кислорода. При физиологических условиях гемоглобин крови, однако, на-

* Т — от слова «tense» — напряженное состояние с большой энергией взаимодействия, R — от слова «relaxed» — релаксированное, расслабленное состояние с меньшей энергией взаимодействия.

139

сыщен кислородом не полностью, а примерно на 95%. Количество кислорода, соединяющегося с данным количеством гемоглобина, зависит от его парциального давления (рис. 13). Форма кривой насыщения Hb кислородом не гиперболоидная, как в случае миоглобина и как следовало ожидать из уравнения 1, а сигмоидная. На положение и форму этой кривой влияют температура и рН раствора, а также парциальное давление двуокиси углерода (рис. 14). В легких, где парциальное давление кислорода относительно велико (106 мм рт. ст.), а С02 — мало (40 мм рт. ст.), гемоглобин насыщается кислородом, а в тканях, где существует обратное соотношение (РСз=30 мм рт. ст., Рс^г=5® мм рт. ст.), оксигемоглобин легко диссоциирует на кислород и гемоглобин, причем в большей степени, чем в отсутствие С02.

г е ю п is гг ге

Давление 0%,мм рт.ст.

Рис. 13. Кривые насыщения гемоглобина (1) и миоглобина (2) кислородом.

10 30 50 70 90 Давление 0%, мм рт. ст.

Рис. 14. Кривые насыщения кислородом цельной крови при различных парциальных давлениях СОг:

"СО.

=3 мм рт. ст.:

3-р,

20 мм рт. ст; А — ^cOg ~40 мм

со2

рт. ст; 5 — Pqq =90 мм рт. ст,

Реакции с кислородом каждой из четырех групп гема, входящих в состав гемоглобина, взаимосвязаны: соединение с кислородом одной группы гема увеличивает сродство к кислороду других групп. Этот эффект получил название гем-гемного взаимодействия. Именно гем-гем-ное взаимодействие обусловливает, в основном, сигмоидную форму кривых насыщения, которая способствует наиболее эффективному переносу кислорода. Физиологическая роль гем-гемного взаимодействия заключается в основном не столько в увеличении сродства к кислороду при последовательном присоединении молекул кислорода к гемоглобину в легких, сколько в понижении этого сродства при последовательной диссоциации молекул кислорода в тканях. Это особенно важно потому, что парциальное давление кислорода в тканях не намного ниже, чем в легких. Если бы кривая насыщения гемоглобина кислородом имела гиперболоидную форму, в тканях освобождалась бы очень небольшая часть переносимого кислорода; это приводило бы к гибели организма от удушья даже в атмосфере чистого кислорода.

Группы гема в гемоглобине не могут взаимодействовать непосредственно из-за слишком большого расстояния между ними (2,5—3,7 нм);

136

это взаимодействие является, вероятно, аллостерическим. Рентгено-структурный анализ окси- и дезоксигемоглобинов показал, что при ок-сигенировании происходит значительное изменение четвертичной структуры молекулы гемоглобина. Гем-гемное взаимодействие связано именно с переходом «Зезо/ссы-конформации в о/ссы-конформацию при оксигенировании.

Данные рентгеноструктурного анализа позволяют представить наиболее вероятный механизм оксигенирования гемоглобина и связанных с ним эффектов [59]. Вначале, по-видимому, происходит оксигениро-вание одной из а-цепей. Поскольку при соединении с кислородом железо переходит из высокоспинового (S=2) в низкоспиновое (S=0) состояние, уменьшается его ковалентный радиус и ион железа перемещается в плоскость порфинового ядра; вместе с ним приближается к группе гема (приблизительно на 0,08 нм) жестко связанный с железом проксимальный гистидин. Смещение гистидина, находящегося в спиральном участке F полипептидной цепи, вызывает перемещение всей спирали F к центру молекулы, что в свою очередь приводит к уменьшению полости между спиралями F и Н, в которой находился остаток Туг НС 2 (140) ai, в результате чего этот остаток выталкивается из полости. Выталкивание тирозина приводит к перемещению С-концевого Arg НС 3 (141) аг и разрыву двух солевых мостиков со второй а-субъеди-ницей.

Второй стадией процесса является реакция с кислородом второй а-субъединицы: выталкивание тирозина из щели между спиралями F и Н, перемещение Arg НС 3 (141) аг и разрыв солевых мостиков между аргинином и арсубъединицей.

К этому моменту четыре из шести солевых мостиков, скрепляющих тетрамер дезоксигемоглобина, оказываются разорванными и тетрамер относительно легко переходит в о/ссы-конформацию. При этом разрываются остальные солевые мостики — между Lys С 5 (40) а и His НС 3 (146) В и дифосфоглицератом (ДФГ) и двумя В-субъединицами. Гемы и их непосредственное окружение в а-субъединицах имеют оксы-кон-формацию, а в В-цепях — дезоксы-конформацию. Туг НС 2 (145) В все еще находятся в карманах между спиралями F и Н, а та сторона гема, где должен присоединяться кислород, блокирована Val Е 11 (67) В. При переходе в оксы-конформацию снижается вдвое энергия активации, необходимая для выталкивания Туг НС 3 (146) р из их карманов, так как при этом разрушаются солевые мостики между С-концевыми гистидинами и а-субъединицами, и остатки тирозина удерживаются на месте только внутренними солевыми мостиками между С-концевыми гистидинами и остатками аспарагиновой кислоты той же р-цепи. Это приводит к увеличению сродства к кислороду гемов р-цепей. Далее, атомы железа гемов р-цепей реагируют с кислородом, причем каждая реакция сопровождается выталкиванием тирозина и разрушением одного из внутренних солевых мостиков.

Еще один механизм, способствующий наиболее эффективному переносу кислорода гемоглобином, — эффект Бора. Он заключается в изменении сродства гемоглобина к кислороду в зависимости от рН. При рН выше 6,0 гемоглобин присоединяет протоны (из среды) и освобождает кислород. Эффект Бора играет в организме двоякую роль. При освобождении кислорода в тканях гемоглобин нейтрализует протоны, образующиеся в крови при поглощении СОг, чем облегчается транспорт СОг из тканей в легкие. Кроме того, при рН<6 понижается

137

His 146 p2

—т-/\ Л. Спираль

<Ь ф Туг 145 V V НР

г

HS—,-,—Fe

- ~J-

у О Спираль Fpg

4NH3 Asp 94ps окси*

H2N ф \у Спираль Нй8

Arg МЫ, тТуг140а8 Val 1а. Y

+ Hisl22« _^eP126ai H2N NH2 His^a, О..

Y Я ГЪ ^~Туг35р1

' Спираль На,

окси°

Туг145

>

|-NH8—О Hisl46p2 >

HS-

Lys40cfj

Asp 94ps дезокси=

т

-Fe

Спираль Fps

Val la,

Tyrl40a2 -^/Спираль на2

Н2КГ NH2

H2N-^H2 Hiel22«f

Спираль НО,

%е<зокси*

сродство гемоглобина к кислороду, что способствует более эффективному освобождению кислорода в тканях, где содержание бикарбонат-иона и молочной кислоты высокое.

Подобно гем-гемному взаимодействию эффект Бора возникает в результате изменения четвертичной структуры молекулы гемоглобина в процессах оксигенирования и дезоксигенирования. При оксигениро-вании вследствие разрыва солевых мостиков происходит выделение протонов, а при дезоксигенировании в результате образования солевых мостиков — поглощение (нейтрализация). Механизм этого явления показан на стр. 138.

В оксигемоглобине гистидин 146 р2, аспарагиновая кислота 94 р2 и лизин 40 гц находятся далеко друг от друга и не взаимодействуют (а). Изменение четвертичной структуры в дезоксигемоглобине приводит к образованию солевого мостика между аспарагиновой кислотой и имидазольным кольцом гистидина. Этот мостик дополнительно стабилизируется образованием еще одного мостика между С-концевым карбоксилом гистидина р2-цепи и аминогруппой лизина 40 гц.

Аналогичный эффект наблюдается в другом месте контакта субъединиц (б). В оксигемоглобине Val 1 щ и Arg 141 а2 не взаимодействуют, His 122 cxi сближен с Arg 30 Pi и Asp 126 гц связан водородной связью с Туг 35 Pi- В дезоксигемоглобине Val 1 гц находится в контакте с карбоксильной группой Arg 141 02, Asp 126 ai образует контакты с His 122 гц, Туг 35 Pi и Arg 30 Рь Таким образом, возникающие солевые мостики стабилизируют протежированные Val 1 <ц или His 122 гц.

МИОГЛОБИН

Миоглобин (Mb) является сложным белком, входящим в состав мышц большинства животных организмов. Его молекула состоит из одной полипептидной цепи, связанной с одной группой протогема. Атом двухвалентного железа, входящий в состав гема, способен соединяться с кислородом. Однако в отличие от гемоглобина миоглобин дезоксиге-нируется при значительно более низких парциальных давлениях кислорода, что позволяет ему выполнять функцию резервного источника кислорода в мышцах. Единственная полипептидная цепь миоглобина состоит из 153 аминокислотных остатков. Такая относительная несложность молекулы миоглобина, доступность его из разнообразных источников, а также способность образовывать кристаллы позволили в короткий срок определить аминокислотную последовательность и полную структуру молекулы этого белка. Строение миоглобина стало известно благодаря работам Эдмундсона и Хирса, изучавших аминокислотную последовательность белка, и Кендрью с сотрудниками, которые провели рентгеноструктурный анализ миоглобина кашалота, используя метод изоморфного замещения, впервые примененный Перутцем с сотрудниками в изучении гемоглобина.

Сущность этого метода заключается во введении в строго определенные участки полипептидной цепи белка атомов тяжелых металлов (например, атомов ртути) и сравнении рентгенограмм кристаллов свободного белка и изоморфных замещенных структур. Расшифровка получаемых карт электронной плотности позволяет создать трехмерную картину молекулы белка. Поскольку молекула миоглобина не имеет сульфгидрильных групп, которые могли бы быть использованы для получения ртутных производных, было использовано свойство миоглобина

»

139

кристаллизоваться в присутствии ионов металлов. В результате проведенной работы удалось строго определить расположение 120 из 153 аминокислотных остатков, а положение остальных аминокислот указать с достаточной степенью вероятности. Общая структура молекулы миоглобина представлена на рис. 15.

118 аминокислотных остатков молекулы миоглобина образуют восемь правовращающих а-спиральных сегментов, соединенных двумя остроугольными и пятью неспиральными участками. В целом цепь об-

Рис. 15. Структура молекулы миоглобина.

разует сложную несимметрично построенную триангулярную призму с размерами 4,5x3,5x2,5 нм. Молекула миоглобина очень компактна, не имеет каналов, и объем внутреннего пустого пространства очень мал.

Группа гема лежит в кармане, образованном полипептидной цепью, при этом одна ее сторона с неполярными винильными группами находится глубоко внутри этого кармана, а другая выходит на поверхность. Почти все полярные боковые цепи аминокислот (Lys, Arg, Glu, Asp, His, Ser, Thr и Try) находятся снаружи, неполярные же остатки в основном тесно упакованы внутри молекулы. Плотная компактная структура молекулы удерживается благодаря силам Ван-дер-Ваальса, ионному взаимодействию и водородным связям.

Большую роль в стабилизации структуры играет и сама группа гема. Как известно, пятое координационное положение атома железа в ней занято гистидиновым остатком, а шестое положение занимает во-

140

да, связанная водородной связью с другим гистидиновым остатком полипептидной цепи. Упрочнению структуры молекулы способствуют также водородные связи между остатками пропионовой кислоты гема и боковыми цепями белка, одной из которых может быть аргинин. Роль полярных групп боковых цепей миоглобина заключается, вероятно, еще и в том, что, взаимодействуя со свободными аминогруппами на последних витках спиральных сегментов, они могут определять места, в которых спираль нарушается и переходит в неспиральный участок цепи.

Как уже указывалось, в результате рентгеноструктурного анализа миоглобина все же не удалось строго определить положение некоторых аминокислотных остатков в его молекуле. Однако большая часть из них была идентифицирована А. Д. Эдмундсоном [61] путем расщепления молекулы миоглобина бромистым цианом, который селективно разрывает связи у метиониновых остатков. Структуры выделенных при этом пептидов приведены ниже:

Val— Leu—Ser—Glu—Gly—Glu—Try—Gin—Leu—Val—Leu—His—Val —

1—Try- -Ala- -Lys— -Val- -Glu- -Ala—Asp-20 -Val- -Ala- -Gly- -His- -Gly- -Gln—j

1— Asp- -Ile- Leu- -Ile- 30 -Arg- Leu—Phe— Lys- -Ser- His- Prc— ¦Glu- •Thr—j

1—Leu-40 •Glu- -Lys- -Phe- -Asp- -Arg—Phe- -Lys- -His- -Leu- -Lys-50 -Thr- -Glu-|

'—Ala—Glu—Met 55

пептид 1

Lys—Ala—Ser—Glu—Asp—Leu—Lys—Lys—His—Gly—Val—Thr—Val—Leu—Thr— 56 60 70

1—Ala—Leu—Gly- -Ala— Ile- -Leu—Lys- -Lys—Lys- -Gly—His-80 -His- -Glu—j

1—Ala— Glu—Leu- —Lys—Pro- -Leu—Ala-90 -Gln—Ser- -His—Ala- -Thr- -Lys—|

1— His— Lys— I le- -Pro— Ile-100 -Lys—Tyr- -Leu—Glu- -Phe—Ile- -Ser- -Glu—|

1—Ala— He— He— 1 110 His—Val- Leu—His— Ser—Arg— His—Pro-120 -Gly- -Asn —j

1—Phe—Gly—Ala- —Asp—Ala- -Gin—Gly-пептид -Ala—Met 130 131 2

Asn—Lys—Ala— 132 Leu— Glu- Leu—Phe— Arg—Lys-140 -Asp—lie— Ala- Ala—|

I—Lys—Туг—Lys—Glu—Leu—Gly—Туг—Gin—Gly

150 153

пептид 3

Рентгеноструктурное изучение взаимодействия миоглобина с ионами металлов и выявление сущности происходящих при этом конформаци-

141

онных изменений способствуют пониманию таких важнейших биохимических процессов, как активация ферментов металлами и отравление ферментов.

Известны аномальные человеческие миоглобины, но их число значительно меньше, чем в случае гемоглобина. В настоящее время исследованы два генетических варианта — Mb Aberdeen и Mb Annapolis, отличающиеся от нормального Mb отсутствием остатка аргинина вблизи С-концевой части молекулы.

БИОСИНТЕЗ И КАТАБОЛИЗМ ГЕМОГЛОБИНА

Биосинтез порфиринов. Исследования синтеза порфиринов в организме начались в 1946 г., когда было показано, что азот глицина, меченного l5N, внедряется в гем, и, таким образом, глицин является одним из предшественников гема в организме. Была определена последовательность реакций, в результате которой можно установить, в какое именно положение протопорфирина IX внедряются С- или N-атомы предшественника. Мезопорфирин IX, полученный из гемина, при окислении хромовой кислотой давал 2 моль метилэтилмалеинимида (из колец А и В) и 2 моль имида гематиновой кислоты (из колец С и D): СН3

/ СН2СООН СНз 7С2Н

страница 19
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Химия биологически активных природных соединений" (6.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
г.удомля офис продажа окон адреса
ремонт холодильника Beko CS 334020 S
Ariston GENUS PREMIUM EVO HP 100
защитная пленка на автомобиль от камер

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(06.12.2016)