Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
2) нарушение конформации полипептидных цепей (а-спиралей глобина);
3) нарушение а^- и ctjP2-контактов между субъединицами, сопровождающееся
изменением четвертичной структуры.
Аминокислотные замены или делеции, вызывающие воз-: никновение любого из
трех перечисленных нарушений НЬ, являются причиной ряда врожденных
гемолитических [ анемий. В настоящее время описано свыше 200 разновид-f
ностей гемоглобина человека, имеющих специфические ' различия в
аминокислотных последовательностях.
Примером нарушений первого типа (замена гемкон-\ тактных аминокислот)
является НЬ Хаммерсмит, в кото-[¦ ром гемконтактный фенилаланин (р = 42
СД1), связанный с гемом за счет гидрофобных взаимодействий, заменен на
слабогидрофобный серии (см. табл. 4). Эта мутация приводит к ослаблению
связи гема с глобином и вхождению в гемовый канал воды. Нарушение
функционирования гемоглобина при этом сопровождается тяжелой
гемолитической анемией.
| Примером нарушения контактов а- и р-субъединиц
| является НЬ Хиросима, в котором конечный гистидин | (НС-3/146-Р)
замещен аспарагиновой кислотой, образующей
г
% 85
А
и
Щ'
2
более слабую связь с остатком лизина a-цепи (С5/40 = а). В результате
более слабых взаимодействии между субъединицами равновесие между окси- и
дезоксиформами смещается в сторону оксиформы, где связи между
субъединицами ослаблены.
Примером заболевания, обусловленного нарушениями конформации
полипептидной цепи, является серповидноклеточная анемия. При этом
заболевании эритроциты имеют не обычную круглую, а серпообразную или
зазубренную форму и становятся жесткими, что связано с изменением
растворимости гемоглобина в эритроцитах больных. Молекулы соединяются
друг с другом, образуя квазикристал-лические структуры, обусловливающие
аномальную форму и увеличение жесткости эритроцита. Серповидные клетки
загораживают проход другим эритроцитам, которые в свою очередь становятся
серповидными, отдавая кислород. Закупорка мелких кровеносных сосудов
серповидными клетками обусловливает многие симптомы серповидноклеточной
анемии. Часто люди, страдающие этой болезнью, умирают в течение первых
десяти лет жизни. Важный шаг в изучении этого заболевания был сделан в
1949 г. Л. Полингом, который показал, что именно молекула аномального
гемоглобина, называемого гемоглобином S(HbS), ответственна за
приобретение клетками серповидной формы. В дальнейших исследованиях было
обнаружено, что HbS отличается от нормального НЬА лишь тем, что в р-цепях
в положении 6 гидрофильная отрицательно заряженная глутаминовая кислота
заменена гидрофобным валином, не несущим заряда. Замена полярного остатка
на гидрофобный приводит к возникновению гидрофобных взаимодействий между
1-м и 6-м остатками валина в молекуле НЬ (рис. 30). Увеличение
гидрофобности одного из концов p-цепи приводит к агрегации молекул и
образованию в эритроците больших молекулярных "стопок" белка за счет
гидрофобных взаимодействий.
Понимание молекулярного механизма возникновения серповидноклеточной
анемии позволило наметить пути лечения этого заболевания. Априори ясно,
что существует два принципиально различных пути лечения: либо воздействие
на мутировавший ген., либо на аномальный белок. Первый путь, возможно,
будет реализован в будущем, второй - реализован уже сейчас.
Из анализа причин заболевания следует, что для исправления дефекта
необходимо устранить гидрофобную
Область гидрофобных взаимодействий между неполярными группами
HbS+ Р цианат •
Рис. 30. Схема взаимодействия между аминокислотами в положениях I и 6 |3-
цепи гемоглобинов.
1,6 - а-углеродные атомы вминокислот в соответствующем положении.
агрегацию молекул HbS. Первой попыткой лечения серповидноклеточной
анемии, основанной на таком подходе, было введение в кровь больных
мочевины, ослабляющей гидрофобные взаимодействия. Такой подход дал
вначале обнадеживающие результаты, но поддерживать высокий уровень
мочевины в крови оказалось невозможным из-за ее токсичности. Д. Мэннинг и
Э. Керами высказали предположение, что положительные результаты
применения мочевины связаны с действием не самой мочевины, а
образующегося из нее цианата (N=C-O'):
О
II н,о +
HaN-С-NHa NH" + N==C-0'.
Цианат, сходный по структуре с СОг может практически необратимо
реагировать с концевыми аминогруппами НЬ:
R, О
J *
N=C-О- + HaN-СН-С-R -*•
О R, О
II I II
H2N-С-NH-CH-C-R.
Цианат остается связанным с гемоглобином до конца жизни эритроцита.
Присоединение полярного цианата к концевому валину уменьшает его
гидрофобность и тем самым ослабляет гидрофобные взаимодействия на этом
участке.
67
Таким образом, отсутствие' полярной глутаминовой кислоты компенсируется
увеличением полярности концевого валина. Обработка эритроцитов цианатом
приводит к нормализации формы клеток и кривой насыщения НЬ кислородом, а
также устранению симптомов заболевания. В дальнейшем было показано, что
обработку эритроцитов цианатом можно заменить принятием больными внутрь