Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
представляет собой произведение соответствующих констант связывания,
характеризующих присоединение t-ro лиганда к комплексу ML t_u т. е. К = -
(Кх..../("). Так как степень насыщения Y есть,
Y = [М.п1(|Л1] + [iMZ.nl).
?2
ности. Если /i=l, то кооперативность отсутствует, как, например, в случае
миоглобина. При h < 1 кооперативность отрицательная, т. е. происходит
уменьшение сродства при последовательном связывании лигандов. При h > 1
имеет место положительная кооперативность, т. е. усиление сродства по
мере связывания лиганда. Кооперативность связывания лигандов является
лишь одним из примеров кооперативных процессов в биологии, к числу
которых относятся также плавление ДНК, обратимая денатурация белка,
фазовые переходы в биомембранах и др.
3.7. КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ
ГЕМОГЛОБИНА ПРИ ОКСИГЕНАЦИИ
Молекула дезоксигемоглобина отличается от молекулы оксигемоглобина как
третичной структурой всех четырех субъединиц, так и их объединением в
четвертичную структуру. Оксигенация начинается с присоединения молекулы
02 к Fe2+ гема одной из субъединиц. Полинг и Корнелл с помощью измерений
магнитной восприимчивости показали, что дезоксигемоглобин содержит
"высокоспиновый" катион Fe2+ с четырьмя неспаренными электронами, а
оксигемоглобин - "низкоспиновый" катион Fe2+ без неспаренных электронов
(рис. 29,а). Как было показано на примере простых органических
комплексов, ионный радиус Fe2+, равный в высокоспиновом состоянии 76 пм,
уменьшается примерно на 17% при переходе в низкоспиновое состояние. В
свою очередь расположение Fe2+ относительно плоскости порфиринового
кольца зависит от его ионного радиуса, а именно в высокоспиновом
состоянии ионный радиус Fe2+ слишком велик, чтобы ион мог располагаться в
плоскости порфиринового кольца гема. Уменьшение радиуса Fe2+ позволяет
ему поместиться между атомами пиррольного азота в плоскости порфиринового
кольца (рис. 29, б). Это смещение Fe2+ в плоскость порфиринового кольца
при оксигенации в свою очередь приводит к смещению связанного с Fe2+
атома азота гистидина. Смещение гистидина приводит к изменениям в
третичной структуре субъединицы (рис. 29, в), что вызывает ослабление
водородных и ионных связей в области контактов между субъединицами, т. е.
изменение четвертичной структуры гемоглобина. А именно, оксигенация ^-
субъединицы ведет к частичному разрыву ионных связей между а;- и аг-
субъединицами, что облегчает оксиге-
83
Рис. 29. Структурные изменения в молекуле гемоглобина при оксигенации. а
- изменение заселенности d-орбн-талей и спинового состояния (s)
электроноа Fe2+. Стрелками указан спии электронов; б - изменение
положения Fe2* в плоскости порфиринового кольца (6-75 пм); Nn, Nr - атомы
азота порфиринового кольца и гистидина (соответственно) ; в - изменение
конформации фрагмента а-субъединицы.
нацию а2. В свою очередь при оксигенации а2 разрываются ионные связи
между а2- и ргсубъединицами, что облегчает их оксигенацию. Рассмотренное
взаимодействие между субъединицами лежит в основе кооперативное(tm)
связывания 02-гемоглобином. Взаимодействие субъединиц и, следовательно,
кооперативный эффект связывания 02, ослабляются при мутантных замещениях
аминокислот, участвующих в контактах между субъединицами.
Следует иметь в виду, что третичная и четвертичная структуры гемоглобина
быстро и непрерывно осциллируют между окси- и дезоксиконформациями. В
присутствии 02 или при увеличении pH среды происходит сдвиг кон-
формационного равновесия в сторону образования окси-4юрмы.
Таким образом, механизм конформационных переходов в молекуле гемоглобина
запускается при оксигенации изменением распределения электронов в атоме
Fez+ по d-орбиталям, что ведет к изменению ионного радиуса железа при 13
пм. Это изменение трансформируется в смещение связанного с гемом
гистидина, что влечет за собой конформационные перестройки в третичной
структуре белка, связанные с перемещениями уже до 700 пм. Механизм
оксигенации гемоглобина является примером электронно-конформациониых
взаимодействий, общая концепция которых была развита советским биофизиком
М. В. Воль-
64
кенштейном (1971). Суть этой концепции заключается в том, что в
макромолекулах осуществляется сопряжение химических (электронных)
процессов с конформационными (структурные перестройки).
3.8. ГЕМОГЛОБИНОПАТИИ-ПРИМЕР МОЛЕКУЛЯРНЫХ
ЗАБОЛЕВАНИЙ
Успехи молекулярной биологии и биофизики позволили медицине подойти к
рассмотрению некоторых патологий на молекулярном уровне. Благодаря такому
подходу в ряде случаев удалось обнаружить скрытые молекулярные аномалии,
лежащие в основе ряда заболеваний. В настоящее время наиболее изученными
среди них являются гемоглобинопатии.
Нарушение функционирования гемоглобина может происходить по следующим
причинам:
1) нарушение связывания гема аминокислотами, ко-f торые предотвращают
образование координационных связей с железом конкурирующих с 02 других
лигандов (свободных аминокислот, воды, фосфата);
