Миоглобин и гемоглобин: сравнение структуры и функций
Миоглобин — сложный белок мышечной ткани с третичной высшей структурой, состоит из одной полипептидной цепи и содержит один гем (один активный центр). Гемоглобин имеет четвертичную структуру: четыре протомера (две α-глобиновые и две β-глобиновые цепи) и четыре гема, то есть четыре активных центра.
Миоглобин обладает высоким сродством к кислороду и удерживает его прочно, отдавая лишь при выраженной гипоксии тканей. Гемоглобин имеет более низкое сродство и выполняет транспортную функцию: переносит O₂ из лёгких в ткани и CO₂ из тканей в лёгкие. Сродство гемоглобина к кислороду регулируется, у миоглобина — нет.
Гемоглобин — олигомерный доменный белок: каждая его субъединица называется протомером, в центре молекулы расположена аллостерическая полость. Миоглобин — неолигомерный белок.
Строение гема и роль гистидинов
Вторичная структура глобиновой цепи представлена восемью α-спиралями (A–H). Гем располагается в гидрофобном кармане между спиралями F и E, фиксируясь двумя ключевыми гистидинами.
Сам гем — порфириновое кольцо из четырёх пиррольных колец, атомы азота которых образуют координационные связи с центральным атомом железа Fe²⁺. Боковые заместители кольца — винильные, метильные и пропионильные группы.
- Гис F8 (проксимальный) — образует координационную связь с железом гема, фиксируя его в белке.
- Гис E7 (дистальный) — обеспечивает правильную ориентацию молекулы O₂ в кармане и повышает сродство гема к кислороду относительно угарного газа (CO), снижая риск отравления.
Гидрофобное окружение гема препятствует попаданию воды, что предотвращает окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ (метгемоглобин), неспособного связывать кислород. При присоединении O₂ гис F8 «втягивает» железо обратно в плоскость порфирина — это движение запускает кооперативные изменения.
Кооперативное связывание кислорода
Регуляция сродства гемоглобина к O₂ начинается с кооперативного изменения конформации протомеров. При присоединении первой молекулы кислорода соответствующий протомер изменяет свою конформацию и облегчает связывание O₂ соседним протомером. Каждая последующая молекула присоединяется проще: связывание четвёртой молекулы происходит примерно в 300 раз легче, чем первой.
Аналогичным образом протекает и отдача кислорода: чем больше O₂ уже отщеплено, тем проще отщепляется следующая молекула. Это даёт характерную S-образную кривую диссоциации и обеспечивает эффективную доставку кислорода в ткани.
Эффект Бора и регуляция 2,3-БФГ
Эффект Бора: чем сильнее протонирован гемоглобин, тем легче он отдаёт кислород. В тканях с активным метаболизмом образуется CO₂, который с водой даёт угольную кислоту, диссоциирующую на H⁺ и HCO₃⁻. Накопление протонов и закисление среды стабилизируют дезоксиформу гемоглобина и облегчают высвобождение O₂. CO₂ дополнительно связывается с N-концевыми группами протомеров, образуя карбаминогемоглобин.
В центральной аллостерической полости гемоглобина связывается 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ) — промежуточный метаболит, образующийся в эритроцитах в шунте Раппопорта. При гипоксии его синтез усиливается. Связываясь с центральной полостью, 2,3-БФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду и облегчает его отдачу тканям.
Фетальный гемоглобин (HbF) слабо связывает 2,3-БФГ, поэтому обладает повышенным сродством к O₂, что необходимо для переноса кислорода через плаценту от матери к плоду.
Денатурация и шапероны
Денатурация — нарушение четвертичной, третичной, иногда вторичной структуры белка с сохранением первичной. Бывает обратимой (с возможностью возврата в нативную конформацию) и необратимой.
- Высокая температура — разрушает водородные связи.
- Кислоты и щёлочи — разрушают водородные и ионные связи.
- Спирты, фенолы, мочевина — разрушают преимущественно водородные связи.
В клетке функционируют шапероны, предотвращающие денатурацию и способствующие правильному фолдингу. Различают конститутивные шапероны (присутствуют постоянно) и индуцибельные, например белки теплового шока (HSP), синтез которых усиливается в ответ на стресс.
Серповидноклеточная анемия
Серповидноклеточная анемия (HbS) — наследственная гемоглобинопатия, обусловленная точечной мутацией в гене β-глобина: в шестом положении полипептидной цепи глутаминовая кислота (отрицательно заряженная, гидрофильная) заменена на валин (гидрофобный, незаряженный).
Появление гидрофобного остатка на поверхности молекулы создаёт комплементарные участки, по которым дезоксигенированные молекулы HbS агрегируют в длинные волокна. Это деформирует эритроциты, придавая им серповидную форму, нарушает эластичность и пластичность мембраны.
- Серповидные эритроциты плохо проходят через капилляры, вызывая микротромбозы и ишемию тканей.
- Их продолжительность жизни снижена, что ведёт к гемолитической анемии и хронической гипоксии.
- Обозначения форм: HbA — нормальный гемоглобин взрослого, HbF — фетальный, HbS — серповидноклеточный.
Высокая частота мутации в странах Африки объясняется селективным преимуществом гетерозиготных носителей в очагах малярии: малярийный плазмодий хуже размножается в серповидных эритроцитах, которые быстрее разрушаются, не давая паразиту завершить цикл развития.
Ключевые моменты
- Миоглобин — мономер с одним гемом и высоким сродством к O₂; гемоглобин — тетрамер (2α + 2β) с четырьмя гемами и транспортной функцией.
- Гем фиксируется в кармане между спиралями F и E; гис F8 связывает Fe²⁺, гис E7 ориентирует O₂ и снижает сродство к CO.
- Кооперативное связывание O₂ обеспечивает S-образную кривую диссоциации и эффективную доставку кислорода в ткани.
- Эффект Бора: H⁺ и CO₂ снижают сродство гемоглобина к O₂, облегчая его отдачу в работающих тканях.
- 2,3-БФГ связывается в центральной полости и уменьшает сродство к O₂; при гипоксии его уровень растёт.
- Фетальный гемоглобин HbF слабо связывает 2,3-БФГ и имеет более высокое сродство к O₂.
- HbS — замена Glu6→Val в β-цепи, ведущая к агрегации гемоглобина и серповидной деформации эритроцитов.
- Гетерозиготность по HbS даёт устойчивость к малярии, что объясняет высокую частоту мутации в Африке.