Гемоглобин

Структура молекулы и виды гемоглобина

Молекула гемоглобина имеет тетрамерное строение, то есть состоит из четырех полипептидных субъединиц. В составе всегда присутствуют две $\alpha$-цепи, а вот вторая пара цепей меняется в зависимости от этапа развития организма:

• Эмбриональный гемоглобин ($2\alpha, 2\epsilon$) — синтезируется на ранних этапах внутриутробного развития.
• Фетальный гемоглобин, Hb F ($2\alpha, 2\gamma$) — приходит на смену эмбриональному, достигает пика к 6-му месяцу развития плода.
• Гемоглобин взрослых, Hb A ($2\alpha, 2\beta$) — основной гемоглобин после рождения, на долю которого приходится около 98%.

Именно вторая пара цепей определяет особенности того, как конкретная форма гемоглобина функционирует и связывает газы.

Строение гема и гидрофобный карман

Гем — это небелковая простетическая группа. Его химическую основу составляет тетрапиррольное протопорфириновое кольцо. В центре кольца располагается атом железа ($Fe^{2+}$), связанный с четырьмя атомами азота пиррольных колец. По бокам от кольца находятся заместители: 4 метильные группы, 2 винильные и 2 остатка пропионовой кислоты.

Гем погружен в специальный гидрофобный карман между $\alpha$-спиралями F и E. Ключевую роль играют два остатка гистидина:

1. Проксимальный гистидин (Гис F8): образует координационную связь с $Fe^{2+}$ и намертво фиксирует гем в белке.
2. Дистальный гистидин (Гис E7): находится со стороны присоединения кислорода. Он задает правильную ориентацию для молекулы $O_2$ и мешает связыванию угарного газа (CO).

Защитная функция: Гидрофобное окружение кармана не пускает внутрь воду. Если бы вода попала к железу, оно бы окислилось до $Fe^{3+}$ (образовался бы метгемоглобин), и перенос кислорода стал бы невозможен.

Кооперативный эффект

Гемоглобин связывает кислород не просто суммируя усилия субъединиц, а кооперативно. В дезоксигемоглобине атом железа слегка выступает из плоскости порфиринового кольца в сторону Гис F8. Когда кислород присоединяется к $Fe^{2+}$ (в области Гис E7), атом железа втягивается прямо в плоскость гема.

Сдвигаясь, железо тянет за собой связанный с ним гистидин F8 и всю белковую спираль. Запускается цепная реакция конформационных изменений всей молекулы. В результате такого сдвига четвертая молекула $O_2$ присоединяется к тетрамеру в 300 раз легче, чем первая. В тканях процесс работает в обратную сторону: отрыв одной молекулы кислорода облегчает отдачу остальных.

Эффект Бора (влияние CO2 и H+)

В активно работающих тканях (например, в мышцах) в процессе катаболизма образуется много углекислого газа и воды. $CO_2$ проникает в эритроциты, где фермент карбоангидраза превращает его в угольную кислоту. Она распадается на бикарбонат ($HCO_3^-$) и протоны ($H^+$).

Протоны связываются с радикалами гистидина (Гис146) в цепях гемоглобина. Это аллостерическое взаимодействие снижает сродство гемоглобина к кислороду. Происходит разрыв связи между $Fe^{2+}$ и $O_2$, и кислород уходит в ткани. Чем интенсивнее метаболизм, тем больше $H^+$ и тем больше кислорода отдаст белок. В легких ситуация обратная: высокое давление $O_2$ заставляет белок связывать кислород, что вытесняет протоны. Протоны соединяются с бикарбонатом, образуя $CO_2$, который мы выдыхаем.

Аллостерическая регуляция с помощью 2,3-БФГ

2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ) — это лиганд с сильным отрицательным зарядом (-5), который образуется в эритроцитах из промежуточного продукта гликолиза.

В дезоксигемоглобине между протомерами возникают дополнительные ионные связи, из-за чего расширяется центральная полость. Именно туда, взаимодействуя с положительно заряженными аминокислотами $\beta$-цепей (валином, лизином и гистидином), встраивается 2,3-БФГ. Его присоединение меняет конформацию белка и уменьшает его сродство к кислороду, заставляя активно отдавать $O_2$ клеткам. В легких присоединение кислорода сужает центральную полость, и 2,3-БФГ просто вытесняется из молекулы.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Подробный химический синтез 2,3-бисфосфоглицерата
• Пространственная укладка $\alpha$- и $\beta$-цепей глобина
• Механизм реакции карбоангидразы в эритроцитах
• Отличия в связывании кислорода у Hb A и Hb F

Другие темы раздела «Строение, свойства и функции белков»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.