Сравнительная характеристика миоглобина и гемоглобина
Миоглобин — белок красных мышц, выполняющий функцию депонирования кислорода. Его высшая структура — третичная, молекула состоит из одной полипептидной цепи и одного гема (простетической группы), то есть имеет один активный центр. Сродство к кислороду у миоглобина высокое, поэтому он отдаёт O₂ только при выраженном дефиците кислорода в ткани.
Гемоглобин — сложный олигомерный доменный белок с четвертичной структурой. Состоит из четырёх протомеров: двух α-глобиновых и двух β-глобиновых цепей, каждая из которых связана с гемом. Таким образом, в молекуле гемоглобина четыре активных центра. Функция — транспорт O₂ из лёгких в ткани и CO₂ (а также протонов) от тканей к лёгким. Сродство к кислороду ниже, чем у миоглобина, что необходимо для эффективной отдачи O₂ тканям.
Строение гема и роль гистидиновых остатков
Гем представлен протопорфирином IX — четырьмя пиррольными кольцами, соединёнными метиновыми мостиками, с боковыми винильными, метильными и пропионильными группами. Атомы азота пиррольных колец образуют четыре координационные связи с ионом Fe²⁺. Пятая координационная связь железа уходит к проксимальному гистидину His F8, шестая — к молекуле O₂.
Вторичная структура глобина представлена восемью α-спиралями, обозначаемыми буквами A–H. Гем располагается в гидрофобном кармане между спиралями E и F.
- His F8 (проксимальный) — образует ковалентную связь с Fe²⁺ и удерживает гем.
- His E7 (дистальный) — обеспечивает правильную ориентацию O₂, повышает сродство гема к кислороду и одновременно снижает сродство к угарному газу (CO), который иначе связывался бы значительно прочнее.
Гидрофобное окружение гема препятствует попаданию воды и предотвращает окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ (образование метгемоглобина, не способного переносить кислород).
Кооперативное связывание кислорода
Присоединение первой молекулы O₂ к одному из протомеров вызывает конформационный переход из T-состояния (низкоаффинное) в R-состояние (высокоаффинное). Это облегчает связывание O₂ следующими протомерами: четвёртая молекула кислорода присоединяется примерно в 300 раз легче, чем первая. Аналогично работает и обратный процесс — отдача O₂ носит кооперативный характер. Кооперативность проявляется в S-образной (сигмоидной) кривой диссоциации оксигемоглобина, тогда как у миоглобина кривая гиперболическая.
Эффект Бора
Эффект Бора — снижение сродства гемоглобина к кислороду при закислении среды и повышении парциального давления CO₂. В работающих тканях накапливается углекислый газ, который, реагируя с водой при участии карбоангидразы, образует угольную кислоту, диссоциирующую на H⁺ и HCO₃⁻.
- Протоны протонируют определённые остатки в протомерах гемоглобина, стабилизируя T-форму, что облегчает отдачу O₂ тканям.
- CO₂ присоединяется к концевым α-аминогруппам глобинов с образованием карбаминогемоглобина.
- В лёгких процесс обратим: при низком pCO₂ и более высоком pH гемоглобин вновь связывает O₂.
Регуляция 2,3-бисфосфоглицератом
В центральной полости тетрамера гемоглобина расположен аллостерический сайт, связывающий 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ) — промежуточный метаболит эритроцитарного гликолиза (шунт Раппопорта–Люберинга). При гипоксии концентрация 2,3-БФГ возрастает, он связывается с дезоксигемоглобином, стабилизируя T-форму и снижая сродство к O₂, что облегчает отдачу кислорода тканям.
Фетальный гемоглобин (HbF), состоящий из двух α- и двух γ-цепей, слабее связывает 2,3-БФГ, благодаря чему обладает более высоким сродством к O₂ и эффективно «забирает» кислород у материнского HbA через плаценту.
Денатурация и шапероны
Денатурация — нарушение четвертичной, третичной и вторичной структур белка с сохранением первичной. Может быть обратимой (ренатурация возможна) и необратимой. Денатурирующие факторы: высокая температура, экстремальные значения pH, тяжёлые металлы, органические растворители, детергенты — они разрушают водородные, ионные, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные связи.
Шапероны — белки, обеспечивающие правильное сворачивание полипептидов и предотвращающие агрегацию денатурированных молекул. Различают конститутивные шапероны (присутствуют в клетке постоянно) и индуцибельные (например, белки теплового шока, синтез которых усиливается в ответ на стрессовые воздействия).
Серповидноклеточная анемия
Серповидноклеточная анемия — наследственная гемоглобинопатия, обусловленная точечной мутацией в гене β-глобина: в 6-м положении полипептидной цепи глутаминовая кислота (полярная, отрицательно заряженная) заменяется на валин (гидрофобный, незаряженный). Аномальный гемоглобин обозначается HbS; нормальный взрослый — HbA, фетальный — HbF.
Появление гидрофобного остатка на поверхности β-цепи создаёт комплементарный «липкий» участок. В условиях гипоксии дезоксигенированные молекулы HbS полимеризуются, образуя длинные волокна, которые деформируют эритроцит, придавая ему серповидную форму.
- Серповидные эритроциты теряют пластичность, плохо проходят через капилляры, вызывая микротромбозы и тканевую гипоксию.
- Снижается срок жизни эритроцитов — развивается гемолитическая анемия.
- Гетерозиготные носители обладают повышенной устойчивостью к малярии: Plasmodium falciparum хуже размножается в серповидных эритроцитах, что объясняет высокую частоту мутации в эндемичных по малярии регионах Африки.
Ключевые моменты
- Миоглобин — мономер с гиперболической кривой насыщения; гемоглобин — тетрамер (2α + 2β) с сигмоидной кривой и кооперативным связыванием O₂.
- His F8 ковалентно связывает Fe²⁺ гема, His E7 ориентирует O₂ и снижает сродство к CO.
- Гидрофобное окружение гема предотвращает окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ (метгемоглобин).
- Эффект Бора: рост [H⁺] и pCO₂ снижает сродство гемоглобина к O₂, облегчая его отдачу тканям.
- 2,3-БФГ связывается в центральной полости тетрамера, стабилизирует дезоксиформу и снижает сродство к O₂; HbF слабо связывает 2,3-БФГ, поэтому имеет высокое сродство к кислороду.
- Шапероны (в том числе белки теплового шока) предотвращают агрегацию и обеспечивают корректный фолдинг белков.
- HbS возникает при замене Glu6→Val в β-цепи; гидрофобный валин обеспечивает полимеризацию дезокси-HbS и серповидную деформацию эритроцитов.
- Серповидноклеточная анемия сопровождается гемолизом, гипоксией и сосудистыми окклюзиями, но в гетерозиготном состоянии защищает от малярии.