гемоглобин
ГЕМОГЛОБИН (от греч. haima — кровь и лат. globus — шар)
осн. белок дыхат. цикла, участвующий в переносе O2 от органов дыхания к тканям, а в обратном направлении — CO2. Содержится в эритроцитах крови почти всех позвоночных и гемолимфе большинства беспозвоночных животных. Г. позвоночных (мол. м. 6,4∙104-6,6∙104) состоят из четырех попарно идентичных субъединиц (их обозначают греч. буквами; теми же буквами обозначают входящие в состав субъединиц полипептидные цепи, а также гены, кодирующие эти цепи). Каждая субъединица имеет белковую глобиновую часть, состоящую из 140–160 аминокислотных остатков, с которой нековалентно связан гем-ферропрото-порфирин (см. формулу).
Функцию переноса O2 у некоторых видов беспозвоночных выполняют крупные гемсодержащие белки-эритрокруорины (мол. м. 0,4∙106-6,7∙106), состоящие из 30–400 субъединиц, и хлоркруорины (мол. м. 3,4∙106), состоящие из 190 субъединиц. Эти белки способны обратимо связывать одну молекулу O2 на группу тема, т. е. на субъединицу. Переносчиком O2 у др. видов беспозвоночных служат негемовые белки, состоящие из 8–10 субъединиц,— медьсодержащие гемоцианины (мол. м. 0,05∙107∙107) и железосодержащие гемэритрины (мол. м. 1∙105). Каждая субъединица таких белков содержит два атома металла (соотв. Cu + и Fe2+), способных связать одну молекулу O2.
Г. взрослого человека (НbА) имеет мол. м. 6,49∙104 и принадлежит к числу наиб. изученных белков. Его форма в растворе близка к эллипсоиду с осями 6,4, 5,5 и 5,0 нм; изоэлектрич. точка 6,9. Тетрамер НЬА состоит из двух α- и двух β-субъединиц, их полипептидные цепи содержат соотв. 141 и 146 аминокислотных остатков. Известны первичная структура обеих цепей, а также пространств. структура оксигенированной, дезоксигенированной, ряда лигандированных, а также окисленной формы (содержит Fe3+) НbА. Пространств. структура субъединиц (рис. 1) характеризуется наличием восьми α-спиральных участков, включающих около 80% аминокислотных остатков, и внутр. полости — гемового кармана. Фиксирование тема в субъединице осуществляется в результате гидрофобных взаимод. пиррольных и винильных групп тема с алифатич. и ароматич. боковыми радикалами аминокислот, выстилающими полость кармана, а также благодаря координационной связи (направлена перпендикулярно к плоскости кольца тема) Fe2+ с аксиальным лигандом-имидазольной группой гистидина (т. наз. проксимальный гистидин). При оксигенации молекула O2 занимает шестое вакантное место в координационной сфере Fe2+. Связывание происходит обратимо, без окисления железа, с образованием стабильного оксигенированного комплекса НbO2. Одна молекула Г. способна присоединить 4 молекулы O2-по одной на группу тема.
Рис. 1. Схема упаковки поли-пептидной цепи β-субъединицы гемоглобина. Точками обозначены положения α-С атомов аминокислотных остатков; 1 — гем; 2 — проксимальный остаток гистидина.
Субъединицы α и β прочно удерживаются в составе тетрамера Г. множественными ван-дер-ваальсовыми взаимод. и водородными связями; дезоксигенированная форма НbА стабилизирована кроме того неск. ионными связями внутри и между субъединицами. Тетрамер Г. — кооперативная структура, в которой существует взаимод. пространственно разобщенных между собой групп (т. наз. гем-гем взаимодействие). Это проявляется в облегчении присоединения к тетрамеру последующих молекул O2 по мере протекания оксигенирования, что значительно увеличивает эффективность переноса O2 при физиол. условиях по сравнению с мономерными Г. и миоглобином (белок, депонирующий O2 в мышцах). Присоединение O2 к молекуле Г. сопровождается значит. конформационными перестройками пространств. структуры субъединиц и тетрамера в целом.
Сродство Г. к O2 является основным физ.-хим. показателем функциональных свойств Г.; его принято характеризовать зависимостью степени оксигенирования Г. от парциального давления кислорода
Рис. 2. Зависимость содержания оксигемоглобина от парциального давления O2.
Из клеток тканей CO2 диффундирует через плазму крови в эритроциты, где гидратируется в реакции, катализируемой ферментом карбоангидразой:
Гидрокарбонат-ионы в эритроцитах замещаются далее на ионы Cl− из плазмы, сами переходят в плазму и переносятся ею к легким. Определенная часть CO2 связывается в эритроцитах с N-концевыми α-аминогруппами Г. с образованием остатка карбаминовой кислоты, уменьшая сродство Г. к O2. Увеличение РСО2 температуры, ионной силы раствора и уменьшение pH снижают сродство Г. к O2. Важнейший внутриэритроцитарный регулятор сродства — анионы 2,3-дифосфоглицериновой кислоты. Увеличение их концентрации также уменьшает сродство Г. к O2. Снижение сродства при уменьшении pH в интервале 9–6 наз. щелочным эффектом Бора, который обусловлен существованием равновесия:
Этот эффект
У человека на разных этапах развития организма обнаружено несколько Г., различающихся составляющими их субъединицами. На ранних стадиях эмбрионального развития у зародыша обнаруживаются Г. строения
Первичные структуры
Точковые мутации в экзонах глобиновых генов могут вести к появлению мутантных Г. с единичной аминокислотной заменой. Это м. б. причиной молекулярных болезней — наследств. гемоглобинопатий. Наиб. известный пример мутантного Г. — HbS, в котором шестой от N-конца β-глобиновой цепи остаток глутаминовой кислоты заменен на остаток валина. Такой Г. содержится в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией. Точечная мутация, делеция (выпадение участка ДНК) или другой дефект глобинового гена, локализованный вне экзонов, может уменьшить продукцию глобиновых цепей в эритроцитах, нарушить сбалансированный биосинтез α- и β-цепей и привести к др. распространенной разновидности гемоглобинопатий-талассемии.
Лит.: Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Основы биохимии, пер. с англ., т. 3, М, 1981, с. 1218–66; Bunn Н. F., Forget В. G., Ranney Н. М, Нетоglobinopathies, Phil. — L. — Toronto, 1977; Human hemoglobins and hemoglobinopathies, "Texas Reports on Biology and Medicine", 1980–1981, v. 40; Atlas of molecular structures in bioldgy, ed. by D.C. Philips, P.M. Richards, v. 2, Haemoglobin and myoglobin, ed. by G. Fermi and M.F. Perutz, Oxf., 1981; Methods in enzymology, v. 76-Hemoglobins, N. Y. — L. — [a. o.], 1981.
В. А. Спивак
Химическая энциклопедия