1. Гемопротеины: - гемоглобин

- миоглобин

- цитохромы

2. Магнийпорфирины: хлорофилл

3. Флавопротеины: ферменты, содержащие фад, фмн.

и др.

Гемопротеины

Строение гема

Подразделяются на неферментативные (гемоглобин, миоглобин) и ферменты (цитохромы, каталаза, пероксидаза). Небелковой частью их является гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe²⁺. Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.

Цитохромы

Цитохромы отличаются аминокислотным составом пептидных цепей и числом цепей и разделяются на типы а, b, с, d. Все они неспособны связывать кислород, кроме цитохрома а₃, который содержит ионы меди. Цитохромы находятся в составе дыхательной цепи и цепи микросомального окисления.

Флавопротеины

Являются ферментами окислительно-восстановительных реакций, содержат производные витамина В₂ флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Миоглобин

- глобулярный белок,

- имеет только одну полипептидную цепь из 153 аминокислот,

- содержит небелковую часть (гем) и белковую часть (апомиоглобин).

Миоглобин содержится в красных мышцах и участвует в запасании кислорода. В условиях интенсивной мышечной работы, когда парциальное давление кислорода в ткани падает, О₂ освобождается из комплекса с миоглобином и используется в митохондриях клеток для получения необходимой для работы мышц энергии.

Строение миоглобина

• Гем - молекула, имеющая структуру циклического тетрапиррола, где 4 пиррольных кольца соединены метиленовыми мостиками и содержат 4 метальные, 2 винильные и 2 пропионатные боковые цепи. Эта органическая часть тема называется протопорфирином. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX. В теме 4 атома азота пиррольных колец протопорфирина IX связаны четырьмя координационными связями с Fe²⁺, находящимся в центре молекулы.

• Апомиоглобин - белковая часть во вторичной структуре уложены в 8 альфа-спиралей от А до Н, начиная с N-конца полипептидной цепи, и содержат от 7 до 23 аминокислот.

Внутренняя часть молекулы почти целиком состоит из гидрофобных радикалов, за исключением двух остатков Гис (Гис₆₄ и Гис₉₃ или Гис Е₇ и Гис F₈), располагающихся в активном центре. Они расположены по разные стороны от плоскости тема и входят в состав спиралей F и Е, между которыми располагается гем. Атом железа в теме может образовывать 6 координационных связей, 4 из которых удерживают Fe²⁺ в центре протопорфирина IX (соединяя его с атомами азота пиррольных колец), а 5-я связь возникает между Fe²⁺ и атомом азота имидазольного кольца Гис F₈.

Гис Е₇ хотя и не связан с гемом, но необходим для правильной ориентации и присоединения другого лиганда - О₂ к миоглобину.

Аминокислотное окружение тема создаёт условия для довольно прочного, но обратимого связывания О₂ с Fe²⁺ миоглобина. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие гем, препятствуют проникновению в центр связывания миоглобина воды и окислению Fe²⁺ в Fe³⁺. Трёхвалентное железо в составе тема не способно присоединять О₂.

Гемоглобин

Молекула гемоглобина состоит из 4 полипептидных цепей (субъединиц), в каждой субъединице – гем; внутри каждого гема – один атом Fe.

В одном эритроците содержится около 340 млн молекул гемоглобина.

Функция – транспорт газов.

Кровь ежедневно должна переносить из лёгких в ткани около 600 л, О₂. Так как О₂ плохо растворим в воде, то практически весь кислород в крови связан с гемоглобином эритроцитов.

От способности гемоглобина насыщаться О₂ в лёгких и относительно легко отдавать его в капиллярах тканей зависят количество получаемого тканями О₂ и интенсивность метаболизма. С другой стороны, О₂ - сильный окислитель, избыток поступления О₂ в ткани может привести к повреждению молекул и нарушению структуры и функций клеток. Поэтому важнейшая характеристика гемоглобина - его способность регулировать сродство к О₂ в зависимости от тканевых условий.

Четыре полипептидные цепи, соединённые вместе, образуют почти правильную форму шара, где каждая альфа-цепь контактирует с двумя бета-цепями.

Так как в области контакта между альфа₁- и бета₁-, а также между альфа₂- и бета₂-цепями находится много гидрофобных радикалов, то между этими полипептидными цепями формируется сильное соединение за счёт возникновения в первую очередь гидрофобных, а также ионных и водородных связей. В результате образуются димеры альфа₁ бета₁, и альфа₂ бета₂. Между этими димерами в тетрамерной молекуле гемоглобина возникают в основном полярные (ионные и водородные) связи, поэтому при изменении рН среды в кислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. Кроме того, димеры способны легко перемещаться относительно друг друга.

Так как поверхность протомеров неровная, полипептидные цепи в центральной области не могут плотно прилегать друг к другу, в результате в центре формируется "центральная полость", проходящая сквозь всю молекулу гемоглобина.

Изменение прложения Fe²⁺ и белковой части гемоглобина при присоединении О₂.

Кооперативные изменения конформации протомеров гемоглобина при присоединении О₂.

Четвёртая молекула О₂ присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула.

Изменение конформации (следовательно, и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров.

Аналогичным образом в тканях диссоциация каждой молекулы О₂ изменяет конформацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул О₂.

Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации О₂ для миоглобина и гемоглобина.

Отношение занятых О₂ участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные белки О₂ при различных значениях парциального давления кислорода.

Кривая диссоциации О₂ для миоглобина имеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие посторонние факторы.

Миоглобин имеет очень высокое сродство к О₂. Даже при парциальном давлении О₂, равном 1-2 мм рт. ст., миоглобин остаётся связанным с О₂ на 50%.

Кривая диссоциации О₂ для гемоглобина. Из графика видно, что гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О₂; полунасыщение гемоглобина О₂ наступает при более высоком давлении О₂ (около 26 мм рт. ст.).

Кривая диссоциации для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О₂ отдают протомеры, тем легче идёт отщепление последующих молекул О₂.

В капиллярах покоящихся мышц, где давление О₂ составляет около 40 мм рт. ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе давление О₂ в капиллярах мышц падает до 10-20 мм рт. ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт. ст.) располагается "крутая часть" S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

Следовательно, благодаря уникальной структуре каждый из рассмотренных белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин - присоединять О₂, высвобождаемый гемоглобином, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин - присоединять О₂ в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать О₂ в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления О_2.

Окисление органических веществ с целью получения энергии происходит в митохондриях клеток с использованием О₂, доставляемого гемоглобином из лёгких. В результате окисления веществ образуются конечные продукты распада - СО₂ и Н₂О, количество которых пропорционально интенсивности процессов окисления. СО₂, образовавшийся в тканях, транспортируется в эритроциты. В эритроцитах под действием фермента карбангидразы:

СО₂ + Н₂О ------ H₂CO ₃ ------ H⁺ + HCO₃^-.

Равновесие реакции в эритроцитах, находящихся в капиллярах тканей, смещается вправо, так как образующиеся в результате диссоциации угольной кислоты протоны могут присоединяться к специфическим участкам молекулы гемоглобина: к радикалам Гис₁₄₆ двух бета-цепей, радикалам Гис₁₂₂ и концевым альфа-аминогруппам двух альфа-цепей. Все эти 6 участков при переходе гемоглобина от окси- к дезоксиформе

Hb (O₂ )₄ -------- Hb H⁺

приобретают большее сродство к Н⁺ в результате локального изменения аминокислотного окружения вокруг этих участков (приближения к ним отрицательно заряженных карбоксильных групп аминокислот).

Увеличение освобождения О₂ гемоглобином в зависимости от концентрации Н+ называют эффектом Бора.

.

В капиллярах лёгких высокое парциальное давление О₂ приводит к оксигенированию Hb и удалению 6H⁺. Реакция СО₂ + Н₂О - Н₂СО₃ - Н⁺ + НСО₃^- сдвигается влево, и образующийся СО₂ выделяется в альвеолярное пространство и удаляется с выдыхаемым воздухом.

Следовательно, молекула гемоглобина в ходе эволюции приобрела способность воспринимать и реагировать на информацию, получаемую из окружающей среды. Увеличение концентрации протонов в среде снижает сродство О₂ к гемоглобину и усиливает его транспорт в ткани.

Большая часть СО₂ транспортируется кровью в виде бикарбоната НСО₃^-. Небольшое количество СО₂ (около 15-20%) может переноситься в лёгкие, обратимо присоединяясь к неионизированным концевым альфа-аминогруппам. R-NH₂+ СО₂ = R-NH-COO + Н⁺, в результате образуется карбогемоглобин, где R - полипептидная цепь гемоглобина. Присоединение СО₂ к гемоглобину также снижает его сродство к О₂.

2,3-Бифосфоглицерат - аллостертеский регулятор сродства гемоглобина к О₂

2,3-Бифосфоглицерат (БФГ) - вещество, синтезируемое в эритроцитах из промежуточного продукта окисления глюкозы 1,3-бифосфоглицерата.

Имеет сильный отрицательный заряд, присоединяется с помощью ионных связей, образующихся с положительно заряженными функциональными группами двух бета-цепей гемоглобина. Присоединение БФГ ещё сильнее стабилизирует жёсткую структуру дезоксигемоглобина и снижает сродство белка к О₂

В нормальньж условиях 2,3-БФГ присутствует в эритроцитах примерно в той же концентрации, что и гемоглобин. Центральная полость - место присоединения БФГ.

Размеры центральной полости могут меняться: отщепление О₂ от оксигемоглобина вызывает его конформационные изменения, которые способствуют образованию дополнительных ионных связей между димерами. В результате пространственная структура дезоксигемоглобина становится более жёсткой, напряжённой, а центральная полость расширяется.

Поверхность полости ограничена остатками аминокислот, в числе которых имеются положительно заряженные радикалы Лиз₈₂, Гис₁₄₃ бета-цепей и положительно заряженные альфа-аминогруппы N-концевого валина бета-цепей. В расширенную полость дезоксигемоглобина присоединяется БФГ.

Присоединение БФГ к дезоксигемоглобину происходит не в участке, , где происходит связывание О₂. Такой лиганд называется "аллостерический", а центр, где связывается аллостерический лиганд, - "аллостерический центр" (от греч. "аллос" - другой, иной, "стерос" - пространственный).

В лёгких высокое парциальное давление О₂ приводит к оксигенированию Hb. Разрыв ионных связей между димерами приводит к "расслаблению" белковой молекулы, уменьшению центральной полости и вытеснению БФГ. Такую же адаптацию наблюдают у больных с заболеваниями лёгких, при которых развивается общая гипоксия тканей.

Таким образом, олигомерный белок гемоглобин, в отличие от мономерного родственного белка миоглобина, способен присоединять к специфическим участкам 4 различных лиган-да: О₂, Н⁺, СО₂ и БФГ. Все эти лиганды присоединяются к пространственно разобщённым участкам, но конформационные изменения белка в месте присоединения одного лиганда передаются на весь олигомерный белок и изменяют сродство к нему других лигандов. Следовательно, благодаря воздействию регуляторных лигандов олигомерные белки способны приспосабливать свою конформацию и фунцию к изменениям, происходящим в окружающей среде.

Гемоглобины человека

В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.

• Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, 2 альфа и 2 бета.

• Гемоглобин A₂ находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2 альфа и 2 дельта-цепей.

• Гемоглобин А_1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (так называемый гликозилированный гемоглобин).

Гены, кодирующие альфа-цепи и сходные с ними дзэта-цепи, располагаются на 16-й хромосоме, а гены, кодирующие бета-цепи и сходные с ними гамма-, дельта- и эпсилон-цепи, - на 11-й хромосоме. В норме гемоглобины содержат две цепи из первой группы (альфа или дзэта) и две - из второй (бета, дельта, эпсилон или гамма).

Последовательная экспрессия различных генов глобина во время онтогенеза приводит к смене преобладающего типа гемоглобина.

• Эмбриональный гемоглобин синтезируется в эмбриональном желточном мешке через 2 недели после оплодотворения. Представляет собой тетрамер: 2 дзета, 2 эпсилон. Через 6 нед., после формирования печени в ней начинает синтезироваться Hb F, который постепенно замещает эмбриональный гемоглобин.

• Фетальный гемоглобин (Hb F) , синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения ( с 8 нед.). Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2 альфа- и 2 гамма-цепей. После рождения ребёнка постепенно замещается на Hb А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода.

В физиологических условиях HbF имеет более высокое сродство к О₂, чем НbА, что создаёт оптимальные условия для транспорта О₂ из крови матери в кровь плода. Это свойство HbF обусловлено тем, что он слабее, чем НЬА связывается с 2,3-БФГ. Связывание 2,3-БФГ с НЬА происходит при участии положительно заряженных радикалов аминокислот двух бета-цепей, некоторые из которых отсутствуют в первичной структуре гамма-цепей. В среде, лишённой 2,3-БФГ, НbА и HbF проявляют одинаковое высокое сродство к О₂.

наследственные гемоглобинопатии

В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

• находящиеся на поверхности белка;

• участвующие в формировании активного центра;

• замена которых нарушает общую трёхмерную конформацию молекулы;

• изменяющие четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.