Тема 1.4. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемоглобина

1. Многие белки имеют в своем составе несколько полипептидных цепей. Такие белки называют олигомерными, а отдельные цепи -протомерами. Протомеры в олигомерных белках соединены множеством слабых нековалентных связей (гидрофобных, ионных, водородных). Взаимодействие

протомеров осуществляется благодаря комплементарности их контактирующих поверхностей.

Количество протомеров в олигомерных белках может сильно варьировать: гемоглобин содержит 4 протомера, фермент аспартатаминотрансфераза - 12 протомеров, а в белок вируса табачной мозаики входит 2120 протомеров, соединенных нековалентными связями. Следовательно, олигомерные белки могут иметь очень большую молекулярную массу.

Взаимодействие одного протомера с другими можно рассматривать как частный случай взаимодействия белка с лигандом, так как каждый протомер служит лигандом для других протомеров. Количество и способ соединения протомеров в белке называется четвертичной структурой белка.

В состав белков могут входить одинаковые или разные по строению протомеры, например, гомодимеры - белки, содержащие два одинаковых протомера, а гетеродимеры - белки, содержащие два разных протомера.

Если в состав белков входят разные протомеры, то на них могут формироваться отличающиеся по структуре центры связывания с разными лигандами. При связывании лиганда с активным центром проявляется функция данного белка. Центр, расположенный на другом протомере, называется аллостерическим (другим, отличным от активного). Связываясь с аллостерическим лигандом или эффектором, он выполняет регуляторную функцию (рис. 1.18). Взаимодействие аллостерического центра с эффектором вызывает конформационные изменения в структуре всего олигомерного белка благодаря его конформационной лабильности. Это влияет на сродство активного центра к специфическому лиганду и регулирует функцию данного белка. Изменение конформации и функции всех протомеров при взаимодействии олигомерного белка хотя бы с одним лигандом носит название кооперативных изменений конформации. Эффекторы, усиливающие функцию белка, называются активаторами, а эффекторы, угнетающие его функцию, - ингибиторами.

Таким образом, у олигомерных белков, а также белков, имеющих доменное строение, появляется новое по сравнению с мономерными белками свойство - способность к аллостерической регуляции функций (регуляции присоединением к белку разных лигандов). Это можно проследить, сравнивая структуры и функции двух близко родственных сложных белков миоглобина и гемоглобина.

Рис. 1.18. Схема строения димерного белка

2. Формирование пространственных структур и функционирование миоглобина.

Миоглобин (Мв) - белок, находящийся в красных мышцах, основная функция которого - создание запасов О₂, необходимых при интенсивной мышечной работе. Мв - сложный белок, содержащий белковую часть - апоМв и небелковую часть - гем. Первичная структура апоМв определяет его компактную глобулярную конформацию и структуру активного центра, к которому присоединяется небелковая часть миоглобина - гем. Кислород, поступающий из крови в мышцы, связывается с Fe+² гема в составе миоглобина. Мв - мономерный белок, имеющий очень высокое сродство к О₂, поэтому отдача кислорода миоглобином происходит только при интенсивной мышечной работе, когда парциальное давление O₂ резко снижается.

Формирование конформации Мв. В красных мышцах на рибосомах в ходе трансляции идет синтез первичной структуры Мв, представленной специфической последовательностью 153 аминокислотных остатков. Вторичная структура Мв содержит восемь α-спиралей, называемых латинскими буквами от А до Н, между которыми имеются неспирализованные участки. Третичная структура Мв имеет вид компактной глобулы, в углублении которой между F и Е α-спиралями расположен активный центр (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Структура миоглобина

3. Особенности строения и функционирования активного центра Мв. Активный центр Мв сформирован преимущественно гидрофобными радикалами аминокислот, далеко отстоящими друг от друга в первичной структуре (например, Три₃9 и Фен₁₃₈) К активному центру присоединяется плохо растворимые в воде лиганды - гем и О₂. Гем - специфический лиганд апоМв (рис. 1.20), основу которого составляют четыре пиррольных кольца, соединенных метенильными мостиками; в центре расположен атом Fe+², соединенный с атомами азота пиррольных колец четырьмя координационными связями. В активном центре Мв кроме гидрофобных радикалов аминокислот имеются также остатки двух аминокислот с гидрофильными радикалами - Гис Е₇ (Гис₆₄) и Гис F₈ (Гис₉₃) (рис. 1.21).

Рис. 1.20. Строение гема - небелковой части миоглобина и гемоглобина

Рис. 1.21. Расположение гема и O₂ в активном центре апомиоглобина и протомеров гемоглобина

Гем через атом железа ковалентно связан с Гис F₈. O₂ присоединяется к железу с другой стороны плоскости гема. Гис Е₇необходим для правильной ориентации О₂ и облегчает присоединение кислорода к Fe+² гема

Гис F₈ образует координационную связь с Fe+² и прочно фиксирует гем в активном центре. Гис Е₇ необходим для правильной ориентации в активном центре другого лиганда - O₂ при его взаимодействии с Fe+² гема. Микроокружение гема создает условия для прочного, но обратимого связывания O₂ с Fe⁺² и препятствует попаданию в гидрофобный активный центр воды, что может привести к его окислению в Fе+³.

Мономерное строение Мв и его активного центра определяет высокое сродство белка к О₂.

4. Олигомерное строение Нв и регуляция сродства Нв к О₂ лигандами. Гемоглобины человека - семейство белков, так же как и миоглобин относящиеся к сложным белкам (гемопротеинам). Они имеют тетрамерное строение и содержат две α-цепи, но различаются по строению двух других полипептидных цепей (2α-, 2х-цепи). Строение второй полипептидной цепи определяет особенности функционирования этих форм Нв. Около 98% гемоглобина эритроцитов взрослого человека составляет гемоглобин А (2α-, 2р-цепи).

В период внутриутробного развития функционируют два основных типа гемоглобинов: эмбриональный Нв (2α, 2ε), который обнаруживается на ранних этапах развития плода, и гемоглобин F (фетальный) - (2α, 2γ), который приходит на смену раннему гемоглобину плода на шестом месяце внутриутробного развития и только после рождения замещается на Нв А.

Нв А - белок, родственный миоглобину (Мв), содержится в эритроцитах взрослого человека. Строение его отдельных протомеров аналогично таковому у миоглобина. Вторичная и третичная структуры миоглобина и протомеров гемоглобина очень сходны, несмотря на то что в первичной структуре их полипептидных цепей идентичны только 24 аминокислотных остатка (вторичная структура протомеров гемоглобина, так же как миоглобин, содержит восемь α-спиралей, обозначаемых латинскими буквами от А до Н, а третичная структура имеет вид компактной глобулы). Но в отличие от миоглобина гемоглобин имеет олигомерное строение, состоит из четырех полипептидных цепей, соединенных нековалентными связями (рис 1.22).

Каждый протомер Нв связан с небелковой частью - гемом и соседними протомерами. Соединение белковой части Нв с гемом аналогично таковому у миоглобина: в активном центре белка гидрофобные части гема окружены гидрофобными радикалами аминокислот за исключением Гис F₈ и Гис Е₇, которые расположены по обе стороны от плоскости гема и играют аналогичную роль в функционировании белка и связывании его с кислородом (см. строение миоглобина).

Рис. 1.22. Олигомерная структура гемоглобина

Кроме того, Гис Е₇ выполняет важную дополнительную роль в функционировании Нв. Свободный гем имеет в 25 000 раз более высокое сродство к СО, чем к О₂. СО в небольших количествах образуется в организме и, учитывая его высокое сродство к гему, он мог бы нарушать транспорт необходимого для жизни клеток О₂. Однако в составе гемоглобина сродство гема к оксиду углерода превышает сродство к О₂ всего в 200 раз благодаря наличию в активном центре Гис Е₇. Остаток этой аминокислоты создает оптимальные условия для связывания гема с O₂ и ослабляет взаимодействие гема с СО.

5. Основная функция Нв - транспорт О₂ из легких в ткани. В отличие от мономерного миоглобина, имеющего очень высокое сродство к О₂ и выполняющего функцию запасания кислорода в красных мышцах, олигомерная структура гемоглобина обеспечивает:

1) быстрое насыщение Нв кислородом в легких;

2) способность Нв отдавать кислород в тканях при относительно высоком парциальном давлении O₂ (20-40 мм рт. ст.);

3) возможность регуляции сродства Нв к О₂.

6. Кооперативные изменения конформации протомеров гемоглобина ускоряют связывание O₂ в легких и отдачу его в ткани. В легких высокое парциальное давление O₂ способствует связыванию его с Нв в активном центре четырех протомеров (2α и 2β). Активный центр каждого протомера, так же как и в миоглобине, расположен между двумя α-спиралями (F и Е) в гидрофобном кармане. Он содержит небелковую часть - гем, прикрепленный к белковой части множеством слабых гидрофобных взаимодействий и одной прочной связью между Fe²+ гема и Гис F₈ (см. рис. 1.21).

В дезоксигемоглобине, благодаря этой связи с Гис F₈, атом Fe²+ выступает из плоскости гема по направлению к гистидину. Связывание O₂ с Fe²+ происходит по другую сторону гема в области Гис Е₇ с помощью единственной свободной координационной связи. Гис Е₇ обеспечивает оптимальные условия для связывания O₂ с железом гема.

Присоединение O₂ к атому Fe⁺² одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, а за ним и остатка гистидина, связанного с ним

(рис. 1.23).

Рис. 1.23. Изменение конформации протомера гемоглобина при соединении с O₂

Это приводит к изменению конформации всех полипептидных цепей за счет их конформационной лабильности. Изменение конформации других цепей облегчает их взаимодействие со следующими молекулами О₂.

Четвертая молекула О₂ присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Кооперативные изменения конформации протомеров гемоглобина при его взаимодействии с О₂

В тканях каждая следующая молекула O₂ отщепляется легче, чем предыдущая, также за счет кооперативных изменений конформации протомеров.

7. CO₂ и Н+, образующиеся при катаболизме органических веществ, уменьшают сродство гемоглобина к О₂ пропорционально их концентрации. Энергия, необходимая для работы клеток, вырабатывается преимущественно в митохондриях при окислении органических веществ с использованием O₂, доставляемого из легких гемоглобином. В результате окисления органических веществ образуются конечные продукты их распада: СО₂ и K₂O, количество которых пропорционально интенсивности протекающих процессов окисления.

СO₂ диффузией попадает из клеток в кровь и проникает в эритроциты, где под действием фермента карбангидразы превращается в угольную кислоту. Эта слабая кислота диссоциирует на протон и бикарбонат ион.

Н+ способны присоединятся к радикалам Гис₁₄6 в α- и β-цепях гемоглобина, т.е. в участках, удаленных от гема. Протонирование гемоглобина снижает его сродство к О₂, способствует отщеплению О₂ от оксиНв, образованию дезоксиНв и увеличивает поступление кислорода в ткани пропорционально количеству образовавшихся протонов (рис. 1.25).

Увеличение количества освобожденного кислорода в зависимости от увеличения концентрации Н+ в эритроцитах называется эффектом Бора (по имени датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект).

В легких высокое парциальное давление кислорода способствует его связыванию с дезоксиНв, что уменьшает сродство белка к Н⁺. Освободившиеся протоны под действием карбангидразы взаимодействуют с бикарбонатами с образованием СО₂ и Н₂О

Рис. 1.25. Зависимость сродства Нв к О₂ от концентрации СО₂ и протонов (эффект Бора):

А - влияние концентрации СО₂ и Н+ на высвобождение О₂ из комплекса с Нв (эффект Бора); Б - оксигенирование дезоксигемоглобина в легких, образование и выделение СО₂.

Образовавшийся СО₂ поступает в альвеолярное пространство и удаляется с выдыхаемым воздухом. Таким образом, количество высвобождаемого гемоглобином кислорода в тканях регулируется продуктами катаболизма органических веществ: чем интенсивнее распад веществ, например при физических нагрузках, тем выше концентрация СО₂ и Н⁺ и тем больше кислорода получают ткани в результате уменьшения сродства Нв к О₂.

8. Аллостерическая регуляция сродства Нв к О₂ лигандом - 2,3-бис- фосфоглицератом. В эритроцитах из продукта окисления глюкозы - 1,3-бисфосфоглицерата синтезируется аллостерический лиганд гемоглобина - 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ). В нормальных условиях концентрация 2,3-БФГ высокая и сравнима с концентрацией Нв. 2,3-БФГ имеет сильный отрицательный заряд -5.

Бисфосфоглицерат в капиллярах тканей, связываясь с дезоксигемоглобином, увеличивает выход кислорода в ткани, уменьшая сродство Нв к О₂.

В центре тетрамерной молекулы гемоглобина находится полость. Ее образуют аминокислотные остатки всех четырех протомеров (см. рис. 1.22). В капиллярах тканей протонирование Нв (эффект Бора) приводит к разрыву связи между железом гема и О₂. В молекуле

дезоксигемоглобина по сравнению с оксигемоглобином возникают дополнительные ионные связи, соединяющие протомеры, вследствие чего размеры центральной полости по сравнению с оксигемоглобином увеличиваются. Центральная полость является местом присоединения 2,3-БФГ к гемоглобину. Из-за различия в размерах центральной полости 2,3-БФГ может присоединяться только к дезоксигемоглобину.

2,3-БФГ взаимодействует с гемоглобином в участке, удаленном от активных центров белка и относится к аллостерическим (регуляторным) лигандам, а центральная полость Нв является аллостерическим центром. 2,3-БФГ имеет сильный отрицательный заряд и взаимодействует с пятью положительно заряженными группами двух β-цепей Нв: N-концевой α-аминогруппой Вал и радикалами Лиз₈₂ Гис₁₄₃ (рис. 1.26).

Рис. 1.26. БФГ в центральной полости дезоксигемоглобина

БФГ связывается с тремя положительно заряженными группами в каждой β-цепи.

В капиллярах тканей образующийся дезоксигемоглобин взаимодействует с 2,3-БФГ и между положительно заряженными радикалами β-цепей и отрицательно заряженным лигандом образуются ионные связи, которые изменяют конформацию белка и снижают сродство Нв к О₂. Уменьшение сродства Нв к О₂ способствует более эффективному выходу О₂ в ткани.

В легких при высоком парциальном давлении кислород взаимодействует с Нв, присоединяясь к железу гема; при этом изменяется конформация белка, уменьшается центральная полость и происходит вытеснение 2,3-БФГ из аллостерического центра

Таким образом, олигомерные белки обладают новыми по сравнению с мономерными белками свойствами. Присоединение лигандов на участках,

пространственно удаленных друг от друга (аллостерических), способно вызывать конформационные изменения во всей белковой молекуле. Благодаря взаимодействию с регуляторными лигандами происходит изменение конформации и адаптация функции белковой молекулы к изменениям окружающей среды.