Реферат: Cульфгемоглобин и сульфмиоглобин

Cульфгемоглобин и сульфмиоглобин

РЕФЕРАТ

Cульфгемоглобин и сульфмиоглобин

Введение

Хромопротеиды (от греч. chroma - краска) состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Различают гемопротеины (содержат в качестве простетической группы железо), магнийпорфирины и флавопротеины (содержат производные изоаллоксазина).

Хромопротеиды наделены рядом уникальных биологических функций: они участвуют в таких фундаментальных процессах жизнедеятельности, как фотосинтез, дыхание клеток и целостного организма, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстановительные реакции, свето- и цветовосприятие и др. Хромопротеины играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности.

Наверное, самым известным хромопротеидом является гемоглобин. Гемоглобин - белок эритроцитов, красных кровяных клеток, переносящий молекулярный кислород от легких к тканям в организмах позвоночных животных. Гемоглобин можно считать своего рода модельным белком, структура, свойства и функции которого наиболее полно изучены по сравнению с другими белками на протяжении последних 50 лет. Американский физик Хопфилд назвал его атомом водорода современной биохимии, имея в виду, что изучение гемоглобина сыграло в биохимии ту же роль, что и изучение атома водорода в физике. Гемоглобин называют также почетным ферментом, поскольку исследования его структуры в статике и динамике позволили значительно продвинуться в понимании механизмов функционирования ферментов.

1. 
Гемоглобин

Гемоглобин, Hb (от др. греч. αĩμα - кровь и лат. globus - шар) - сложный белок, хромопротеид, дыхательный пигмент крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных, обладающих кровоснабжением. Основной функцией гемоглобина является перенос О₂ из легких к периферическим тканям, а также обратный процесс, перенос СО₂ и протонов от периферических тканей к дыхательным органам для последующего выведения из организма.

1.1 Строение гемоглобина

Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α и двух β - и соответственно содержит четыре полипептидные цепочки двух типов. α-Полипептидная цепь заканчивается комбинацией аминокислот валина-лейцина, а β - полипептидная цепь - комбинацией валина-гистидина-лейцина. Каждая α-цепочка содержит 141, а β-цепочка - 146 аминокислотных остатков. Таким образом, вся молекула гемоглобина включает 574 аминокислоты. Полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле размещены не линейно, как это выглядит на первый взгляд из данных (первичная структура). По причине существования интрамолекулярных сил, полипептидные цепи скручиваются в форме типичной для белков α-геликсовой спирали (вторичная структура). Сама α-геликсовая спираль на каждую α- и β-полипептидную цепь огибается пространственно, образуя сплетения овоидной формы (третичная структура). Все четыре третично изогнутые α- и β-полипептидные цепи располагаются пространственно в определенном соотношении (четвертичная структура), которые связаны между собой межмолекулярными силами.

Собственно говоря, приведенные выше детали структуры относятся не к гемоглобину, а к его белковой компоненте - глобину. Каждая субъединица гемоглобина содержит одну небелковую (простетическую) группу - гем. Гем представляет собой циклический ферротетрапиррол, представленный в виде Fe (II) протопорфирина IX (Рис. 1.)

Рис. 1. Структура протопорфирина IX и гема

Атом железа может образовать шесть координационных связей. Четыре связи направлены к атомам азота пиррольных колец, оставшиеся две связи - перпендикулярно к плоскости порфиринового кольца по обе его стороны. Гемы расположены вблизи поверхности белковой глобулы в специальных карманах, образованных складками полипептидных цепочек глобина (Рис. 2). Присутствие гема в протеине объясняет его красный цвет ^[1].

Рис. 2. Структурная модель гемоглобина человека

(α - (красная) и β - (синяя) полипептидные цепи; зеленым показаны расположения гемов)

Структура гемоглобина стала известна благодаря исследованиям английского биофизика Макса Перутца, за которые в 1962 году он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Гемоглобин при нормальном функционировании может находиться в одной из трех форм: феррогемоглобин (обычно называемый дезоксигемоглобином или просто гемоглобином), оксигемоглобин и ферригемоглобин (называемый также метгемоглобином). В феррогемоглобине железо находится в закисной форме Fe(II), одна из двух связей, перпендикулярных к плоскости порфиринового кольца, направлена к атому азота гистидинового остатка, а вторая связь свободна. Кроме этого гистидинового остатка, называемого проксимальным (соседним), по другую сторону порфиринового кольца и на большем расстоянии от него находится другой гистидиновый остаток - дистальный гистидин, не связанный непосредственно с атомом железа. Взаимодействие молекулярного кислорода со свободным гемом приводит к необратимому окислению атома железа гема [Fe(II) → Fe(III); гем → гемин]. В дезоксигемоглобине глобин предохраняет железо гема от окисления.

1.2 Оксигенация

Выше было сказано, что одна молекула гемоглобина содержит четыре субъединицы и, следовательно четыре гема, каждый из которых может обратимо присоединить одну молекулу кислорода. Поэтому реакцию оксигенации можно разделить на четыре стадии:

Hb + O₂ → HbO₂ (1.1)

Hb + O₂ → Hb(O₂)₂                                                                     (1.2)+ O₂ → Hb(O₂)₃                                                                                                              (1.3)+ O₂ → Hb(O₂)₄                                                                                                              (1.4)

Процесс оксигенации характеризуется так называемой кривой оксигенации, связывающей степень насыщения гемоглобина кислородом (в процентах) с парциальным давлением последнего, (мм рт. ст.). Типичные кривые оксигенации гемоглобина и миоглобина (при условии достижения химического равновесия) приведены на Рис. 3.

Рис. 3. Кривые оксигенации гемоглобина и миоглобина

Между гемами одной молекулы гемоглобина существует некоторая связь, благодаря которой присоединение кислорода к одному гему влияет на присоединение кислорода к другому гемму той же молекулы. Это явление получило название гем-гем взаимодействия. Физиологический смысл гем-гем взаимодействия очевиден. Количество кислорода, связывающегося с гемоглобином («процент насыщения»), зависит от концентрации кислорода в среде, непосредственно окружающей молекулу белка (эту концентрацию выражают как - парциальное давление кислорода). Сигмоидная форма кривой диссоциации создает условия максимальной отдачи кислорода при переносе гемоглобина от легких с высоким значением  к тканям с низким значением . Для человека значения  артериальной и венозной крови в нормальных условиях (T = 37°C, pH 7,4) равны соответственно 100 и 40 ммHg. При этом (см. Рис. 3) гемоглобин отдает тканям 23% связанного кислорода (степень оксигенации меняется от 98 до 75%).

Следует отметить, что первые молекулы кислорода соединяются в основном с молекулами гемоглобина, еще не содержащими кислорода, и гемы таким образом оксигенируются независимо. Это свидетельствует о том, что гем-гем взаимодействие обусловлено не просто наличием нескольких гемов в молекуле, а тем, что после оксигенации одного гема меняются условия оксигенации других гемов той же молекулы.

Таким образом, для гемоглобина характерен кооперативный эффект связывания (когда при присоединении лиганда к одному из активных центров «фермента» присоединение последующих лингандов к остальным активным центрам облегчается), который характеризуется коэффициентом Хилла (n). Он может принимать следующие значения^[I]:

n > 1 - положительный кооперативный эффект: присоединение одной молекулы лиганда к активному центру фермента увеличивает сродство к лиганду остальных активных центров.

n < 1 - отрицательный кооперативный эффект: присоединение одной молекулы лиганда к активному центру фермента уменьшает сродство к лиганду остальных активных центров.

n = 1 - отсутствие кооперативного эффекта: сродство фермента к лиганду не зависит от уже присоединённых молекул лиганда.

Для гемоглобина человека n ~ 3.

1.3 Транспорт двуокиси углерода

Присоединение кислорода меняет кислотно-основные свойства гемоглобина. Оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Поэтому в тканях, где значительная часть гемоглобина теряет кислород и становится более сильным основанием, гемоглобин связывает образующуюся в ходе метаболических внутриклеточных процессов углекислоту. В альвеолах легких дезоксигемоглобин снова превращается в оксигемоглобин, становится более сильной кислотой и способствует отщеплению СО₂. Это слегка упрощенное описание важного процесса транспорта углекислоты эритроцитами. Углекислота, освобождаемая тканями, недостаточно хорошо растворима для эффективного переноса. С помощью фермента карбоангидразы, ускоряющего прямую и обратную реакцию двуокись углерода превращается в хорошо растворимый бикарбонат-анион:

CO₂ + H₂O  HCO₃ + H⁺   (1.6)

В капиллярах тканей отщепление кислорода повышает содержание дезоксигемоглобина, связывающего протоны и смещающего, таким образом, равновесие реакции (1.6) вправо. Легко растворимый ион бикарбоната переносится кровью. В альвеолах легких гемоглобин оксигенируется, протоны освобождаются и равновесие смещается влево. Образуется плохо растворимая двуокись углерода СО₂, которая удаляется из водной фазы и выдыхается. Таким образом, гемоглобин работает как буфер с переменным значением рК^[1].

1.4 Дефекты гемоглобина

При взаимодействии молекулярного кислорода с гемоглобином существует небольшая, но конечная вероятность окисления последнего: молекула О₂ не присоединится, но окислит железо: Fe²⁺ + О₂ → Fe³⁺ + О₂^- Поэтому при дыхании в эритроцитах непрерывно образуется метгемоглобин. Для его восстановления в эритроците существует специальная ферментативная система, восстанавливающая метгемоглобин и превращающая его в нормальный дезоксигемоглобин. При нарушении этой системы возникает тяжелое заболевание - метгемоглобинемия, при котором гемоглобин перестает быть переносчиком кислорода.

Гены, ответственные за синтез гемоглобина, могут подвергаться мутациям, меняющим структуру и функции белка. Наиболее изучена мутация, приводящая к замене только одной аминокислоты в полипептидных цепочках β-субъединиц гемоглобина. Замена глутамина на валин ведет к тяжелой болезни - серповидноклеточной анемии: эритроциты принимают форму серпа (Рис. 4.) и теряют способность переносить кислород ^[2].

Рис. 4. Электронные микрофотографии нормального (А) и серповидного (Б) эритроцитов

При приеме человеком лекарственных средств, содержащие сульфаниламиды, а также при долгом контакте с соединениями серы, возможно, развитие сульфгемоглобинемии, при которой, образованный по разным причинам H₂S взаимодействует с гемом гемоглобина, меняя его структуру и нарушая способность связывания кислород.

Более подробно об этом речь пойдет во второй части работы.

2. Миоглобин

Миоглобин, Mb (от др. греч. myos - кровь и лат. globus - шар) -, хромопротеин, сложный белок поперечнополосатых мышц, содержащий одну молекулу гема и одну полипептидную цепочку, состав и структура которой подобны составу и структуре β-субъединицы гемоглобина (Рис. 5). Как и для гемоглобина, важнейшей функцией миоглобина является обратимое присоединение молекулярного кислорода.

Рис. 5. Структурная модель миоглобина человека

В условиях кислородного голодания (например, при сильной физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТР.

Для миоглобина кривая оксигенации (Рис. 3) является гиперболой, как и должно быть в случае одностадийной химической реакции при условии достижения химического равновесия:

Mb + O₂ → MbO₂                                                                        (2.1)

При отсутствии гем-гем взаимодействия для одногемового миоглобина (Рис. 3) величина  в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм рт. ст., поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови  равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце - около 20 мм рт. ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительной, и поэтому миоглобин не может служить средством его доставки от легких к периферическим тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа,  в мышечной ткани может понизиться и до 5 мм рт. ст.; при столь низком давлении миоглобин легко отдает связанный кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТР в митохондриях мышечных клеток ^{[1, 2]}.

3. Сероводород и гемпротеины

Сероводород (H₂S) является хорошо известным ядовитым газом, цитотоксические эффекты которого изучались в течение долгого времени. В физиологических условиях ~ 30% H₂S находится в недиссоциированном состоянии, а ~ 70% диссоциирует на гидросульфид ион (см. 3.1). Механизм его токсичности основан на мощном торможении митохондриальной цитохром С-оксидазы.

H₂S ↔ H⁺ + HS^-, pK_a = 6,8                                                         (3.1)

₂S растворим в воде и может проникать в клетки всех типов путем простой диффузии. Именно это свойство, которое делает H2S широкого спектра токсикантов. Интересно, что открытие того, что человеческое тело естественно производит H₂S резко изменил репутацию этого газа из токсичных загрязнителей в биологически важные молекулы. H₂S в настоящее время считается важным физиологическим посредником с широким разнообразием функций, включая регулирование нейронной активности и мышечной релаксации, оказывает сосудорасширяющее действие.

Важнейшими, с точки зрения физиологии, считаются реакции сероводорода с простетическими группами гемопротеинов (гемоглобинов, миоглобина, цитохромов и др.).

Схема 1.

H₂S взаимодействует с гемом, преимущественно координируясь на трехвалентное железо (Fe^III), образуя стабильный Fe^III-SH2 комплекс Возможно образование и Fe^II-SH₂ комплекса, который является промежуточным соединением, быстро переходящее в двухвалентного железа (Fe^II) (см. Схема 1.). H₂S также может реагировать с оксигенированным гемом (Fe^II-O₂), с образованием Fe^III-SH₂, вероятнее всего нуклеофильным замещением связанного супероксида. Реакция H₂S с гемом также может изменить его структуру, с образованием сульфгем-комплексов ^{[3, 4, 5]}.