Гем-гемовое взаимодействие

Взаимодействие между связыванием кислорода и связыванием внешних реагентов иногда называют гетеротропным взаимодействием, а специфическое влияние pH — эффектом Бора. Если поглощение кислорода описывается 8-образной кривой, как на рис. 31, то это указывает на зависимость константы равновесия от степени оксигенации белка в целом и на то, что между отдельными ионами переходного металла имеется некоторое взаимодействие (разд. 7.6). Эти взаимодействия иногда называют гомотропными или кооперативными взаимодействиями либо, как в случае железопорфиринов в гемоглобине, гем-гемовыми взаимодействиями. [c.140]

Как же связаны изменения конформации комплекса металла с лигандами, сопровождающие установление некоторых равновесий, с конформационными переходами белка Расширяя этот вопрос, нужно выяснить, каким образом белок связывает воедино равновесие, устанавливающееся при координации кислорода с одним из атомов железа, со вторым равновесием, на другом центре белка Наиболее характерный пример такого связывания воедино двух равновесий — гомотропное или гем-гемовое взаимодействие в гемоглобинах млекопитающих, которое приводит к 5-образной кривой [c.174]

Полинг пришел к заключению, что при тетраэдрическом расположении гемов на поверхности молекулы гемоглобина расстояния между ними слишком велики (около 4,7 нм), чтобы можно было допустить существование гем-гемовых взаимодействий. Однако если группы гема образуют квадрат на одной стороне апобелка, то они могут располагаться достаточно близко друг от друга. Поэтому Полинг отдал предпочтение схеме расположения групп гема в виде квадрата, хотя он понимал, что экспериментальные данные одинаково хорошо описываются обеими моделями. [c.176]

В состав активных центров ферментов, взаимодействующих с Oj, обычно входят ионы переходных металлов (медь, гемовое или негемовое железо) или флавины (коферментные формы витамина рибофлавина). [c.125]

Процесс транспортировки кислорода от легких к мышцам осуществляется следующим образом. Парциальное давление кислорода в легких высоко, поэтому кислород координируется гемоглобином. Затем он транспортируется кровью к ткани, где давление кислорода низкое в этом случае кислород отщепляется от гемоглобина и присоединяется к миоглобину. В молекуле миоглобина полипептидная цепь координирована железом гем-группы так же, как в гемоглобине. Однако в отличие от гемоглобина, где на одну молекулу приходится четыре гем-группы, одна молекула миоглобина содержит одну гемовую единицу. Взаимодействие миоглобина с кислородом [15] можно представить уравнением (15.5) [c.283]

Выяснение стереохимии и электронной структуры гем-кислородного комплекса в оксигенированной форме гемоглобина и миоглобина остается важной нерешенной проблемой химии гемопротеинов. Хотя наличие гидрофобного окружения гема, создаваемого главным образом боковыми цепями алифатических аминокислот гемового окружения [185], несомненно, существенно, как впервые предположил Ванг [184], необходимы количественные данные для объяснения экзотермичности образования кислородного комплекса гема и эндотермичности окисления его Ре(И)-катиона молекулярным кислородом [1861. Таким образом, значительная термодинамическая устойчивость оксигенированного комплекса [186] не получила объяснения на основе структурных данных. Поскольку в физиологических условиях оксигенированные производные участвуют в транспорте кислорода и запасании его в тканях и поскольку биологическая специфичность взаимодействия гем—кислород может определяться стереохимическими свойствами гем-кис-лородного комплекса, требуются дополнительные исследования для выяснения стереохимии лиганда и электронной структуры связи железо—кислород в гемоглобине и миоглобине. [c.75]

Спектроскопия ядерного гамма-резонанса (мессбауэровская спектроскопия) позволяет обнаружить слабые возмущения энергетических уровней ядер железа окружающими электронами. Этот эффект представляет собой явление испускания или поглощения мягкого у-излучения без отдачи ядер. Интересующий нас ядерный переход с энергией 14,36 кэВ -происходит между состояниями / = % и / = 1/2 мессбауэровского изотопа Те, где I — ядер-ное спиновое квантовое число. Для регистрации спектров Месс-бауэра обычно требуется 1—2 мкмоля Те, содержание которого в природном железе составляет 2,19%. Для белка с молекулярным весом 50 ООО, который связывает 1 атом железа на молекулу, и в отсутствие изотопного обогащения это соответствует весу образца 2,5 г. Рассматриваемые здесь многоядерные белки содержат гораздо больше железа и вполне подходят для исследования методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии. Широко исследуются четыре возможных типа взаимодействия между ядром Те и его электронным окружением изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление, ядерные магнитные сверхтонкие взаимодействия, ядерные зеемановские взаимодействия. Применение мессбауэровской спектроскопии для изучения железосодержащих белков, относящихся к гемовым и железосерным, обсуждается в опубликованном недавно обзоре [78]. [c.347]

Важно отметить, что из-за низкой диэлектрической проницаемости среды внутри гемового кармана глобул гемоглобина при взаимодействии молекулярного кислорода с гемом степень окисления иона железа (+2) не изменяется (в отличие от свободного гема). Таким образом, глобин предохраняет железо(П) в геме от окисления. Это явление носит название эффекта белковой защиты. Рис. 5.6. Взаимодействие элект- Процесс присоединения кислорода к гему ройных орбиталей и иона Ре правильнее называть не окислением, а окси- [c.210]

Если каждая полипептидная цепь содержит только один атом железа, то гомотропное или гем-гемовое взаимодействие может, конечно, происходить только в полимерных белках и связано с изменениями четвертичной (а также и третичной) структуры между так называемыми R- и Т-формами (разд. 7.2 и 7.6). В настоящее время известны константы равновесия присоединения кислорода обеими формами гемоглобйнов человека при pH 7 и овцы при pH 3. Оказалось, что константа равновесия R-формы в 250 раз больше, чем константа равновесия Т-формы, т. е. AlgPi/2= 2,4 [204]. [c.167]

Если считать, что одна молекула кислорода овязывается в гемоцианине двумя атомами. меди [83—85], то в мономере гемоцианина из артроподов содержится 6 связывающих кислород центров (рис. 12.1), а в гемоцианинах моллюсков — 90—100 (рис. 12.2, а) или 180—200 (рис. 12.2,6) таких центров. Таким образом, гемоцианины должны описываться общей теорией алло-стерических переходов помимо представлений о так называемом гем-гемовом взаимодействии [86]. [c.411]

Гем обнаружен у всех организмов, за исключением анаэробных клостридий и молочнокислых бактерий. Молочнокислые бактерии примечательны тем что, по-видимому, вообще не содержат железа, тогда как клостридии богаты соединениями, содержащими негемовое железо. Гемопротеиды в крови обратимо связывают кислород, в то время как в концевых оксидазных системах, а также в гидроксилазах и оксиге-назах гемопротеиды активируют кислород, делая его способным взаимодействовать с углеродными соединениями или с водородом. Другие гемовые соединения катализируют реакции не с Ог, а с Н2О2. К ним относятся пероксидазы и каталазы. Еще одну группу составляют гемовые ферменты, функцией которых является только перенос электронов. [c.366]

I Атом железа в геме имеет октаэдрическую конфигурацию, е., железо здесь шестикоординационное. Ион Ре находится центре плоского порфинового квадрата и связан с четырьмя ромами азота пиррольных колец (см. 10.1). Пятым лигандом 4и1яется остаток Н15-87 в а-цепи (или Н1з-92 в.р-цепи), с ато-№м азота которого осуществляется координационная связь тома железа. Шестое координационное место (по другую сто-р ну плоскости порфинового цикла) в. отсутствие кислорода в имает молекула воды. При взаимодействии попавшего легкие кислорода с гемоглобином происходит замещение олекулы воды на кислород, приводящее к образованию окси-[( моглобина (рис. 11.16). Необычным является то, что в этом Ьмплексе Ре + не окисляется в Ре +. Это объясняется тем, 0 в гемовом кармане молекула Ог находится в гидрофобном окружении. [c.375]

В октаэдрическом поле лигандов, как, например, в железопорфириновых комплексах, орбитали и сконцентрированы вблизи лигандов. Следовательно, энергия этих орбиталей повышается по сравнению с энергией других трех орбиталей за счет электростатического взаимодействия с электронными облаками лигандов. Как показано на рис. 6, уровни энергии орбиталей eg tag расщепляются в зависимости от силы поля лигандов на величину Д. В случае железопорфириновых систем высоко- и низкоспиновые состояния соответствуют электронным конфигурациям с максимальным числом неспаренных и спаренных электронов. Для ионов Fe(II) и Ре(1И) с шестью и пятью d-электронами соответственно эти конфигурации представлены на рис. 6. Чаще всего встречающиеся ферро- и феррипроизводные гемоглобина и миоглобина, отвечающие высоко- и низкоспиновым конфигурациям гемового железа представлены в табл. 5. [c.39]

Изменение спинового состояния при изменении ионного радиуса железа. Из предыдущего обсуждения следует, что обратимая оксигенация гемоглобина и миоглобина — процесс, сопровождающийся обратимыми переходами от высокоспинового к низкоспиновому состоянию [105],— должна быть связана со значительными изменениями детальной конфигурации и размеров железопорфириновой простетической группы. В связи с этим представляет интерес определить, распространяются ли стереохимические изменения, связанные с гемовым центром одной субъединицы, в случае гемоглобина через кооперативные движения белковых групп таким образом, что они чувствуются в одной из соседних цепей. В работе [98] подробно обсуждались экспериментальные доказательства реакционной способности при таких кооперативных взаимодействиях. Предполагается, что эти изменения происходят вследствие изменений в контактах боковых цепей аминокислот на поверхности субъединиц [103]. В связи с этим было постулировано, что стереохимические изменения гемового центра инициируют [104] структурные изменения, механизм которых должен объяснять кооперативную природу обратимой оксигенации в гемоглобине [98, 100] и сопутствующие движения субъединиц гемоглобина друг относительно друга [101, 102]. [c.51]

Передачу изменений стереохимии железопорфирина более отдаленным областям белка через изменение ориентации порфирина с точки зрения структуры можно легко представить, учитывая данные рентгеноструктурного анализа [16, 99], касающиеся окружения гемовых групп. В области гемовой группы имеется около 60 атомов соседних аминокислотных остатков, которые связаны силами Ван-дер-Ваальса с атомами углерода каркаса порфирина. Вращательное изменение ориентации порфирина на 4° соответствует сдвигу положения ядер углеродов на периферии порфиринового кольца приблизительно на 30 пм. Такое структурное изменение легко может привести к конформационным изменениям третичной структуры ближайшего белкового окружения. Эти данные, следовательно, предполагают, что изменение ориентации порфирина на величину, наблюдаемую в спектроскопических исследованиях [133, 136], должно сопровождаться изменениями третичной структуры белка. Такие структурные изменения, происходящие, например, при отщеплении или связывании кислорода, могут затем передаваться к более отдаленным областям белковых субъединиц, таких, как контактные области Oi — Рг (рис. 2), посредством несвязывающих взаимодействий между каркасом порфирина и боковыми цепями аминокислот в ближайшем окружении гема. [c.56]

В окислительно-восстановительной реакции зависимость коэффициента Хилла (меры кооперативности) от pH — изменение и от 1,1 при pH 6 до 2,7 при pH 9 [143] — легко объясняется, однако, на основе спиновых состояний окисленных координационных соединений, вовлекаемых в реакцию [111], и вывода [133—136] о том, что переходы спинового состояния железа сопровождаются изменениями несвязывающих взаимодействий белок — порфирин. При pH 6 метгемоглобин представляет собой гексакоординацион-ный гемовый комплекс, в котором молекула воды занимает шестое [c.58]

Однако отсутствие кооперативного взаимодействия субьединиц в окислительно-восстановительной реакции при pH 6 не может быть обусловлено только различной ориентацией порфирина относительно ближайшего белкового окружения гемовых групп. Кооперативное взаимодействие является следствием передачи структурных изменений, берущих начало с изменения ионного радиуса железа и завершающихся при передаче структурных изменений через поверхностные области субъединиц. Как указывалось выше, ответственными за передачу эффекта изменения ионного радиуса оказываются несвязывающие взаимодействия каркаса порфирина с белковым окружением. Увеличение pH не только вызывает увеличение доли низкоспиновых окисленных производных предположительно с копланарной конфигурацией железопорфирина, но также может приводить к ионизации боковых цепей аминокислот, переводя их в форму, благоприятную для несвязывающих взаимодействий с порфирииовым кольцом низкоспинового производного. Тем не менее эти малые изменения необходимы для полного проявления кооперативного взаимодействия субъединиц гемоглобина. Они не могут рассматриваться как структурные по сравнению с [c.59]

Аналогично взаимодействие белка с порфирииовым кольцом через остатки, участвующие в вандерваальсовых взаимодействиях, не только позволяет регулировать ориентацию порфирина, но и контролирует спиновую мультиплетность центрального катиона. Сравнение магнитных свойств феррипроизводных гемоглобина и миоглобина показывает, что при комнатной температуре последние имеют более высокое процентное содержание высокоспинового состояния, чем соответствующие производные гемоглобина [111, 112]. Как указывалось ранее, катион металла в миоглобине проявляет более выраженную тенденцию к тому, чтобы оставаться смещенным из плоскости порфиринового кольца. Безусловно, это свойство отражает накладываемые белком стерические ограничения, которые благоприятствуют максимальной спиновой мульти-плетности. Этот структурный эффект дает некоторое представление о том, каким образом структурные искажения полипептидной цепи, происходящие при изменении природы поверхностных остатков, могут передаваться к порфириновому центру, чтобы управлять спиновым состоянием гемового железа. [c.63]

В работах [150, 153—156] на основании исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости некоторых гемопротеинов было показано, что взаимодействие каркаса порфирина с окружающей полипептидной цепью существенно для регуляции спинового состояния гемового железа. Давно известно, что ферри-гемопротеины характеризуются зависящим от температуры равновесием между высоко- и низкоспиновыми состояниями, причем это равновесие зависит от природы лиганда, связанного по шестому координационному месту [107—112]. Анализ термодинамических параметров спинового равновесия [112, 153—156] показывает, что, в то время как разность энергии между двумя спиновыми состояниями зависит от природы лиганда, координированного по шестому месту, т. е. зависит от эффектов орбитального расщепления, создаваемого лигандом, температура перехода, при которой концентрации высоко- и низкоспиновых гемопротеинов равны, зависит от природы апопротеина, с которым связана группа железо-протопорфирина IX. Кроме того, зависящее от температуры равновесие изменяется при замещении железопротопорфирина IX в соответствующих апопротеинах на другие гемовые производные [150, 156]. Такие изменения зависят от неполярных контактов порфиринового кольца с остатками белка. Эти результаты были затем проанализированы теоретически 1157 с целью описания зависящего от температуры спинового равновесия в терминах кооперативного образования и разрыва контактов Ван-дер-Ваальса между порфирином и глобином. Вероятно, изменение спинового состоя- [c.63]

Хотя невозможно количественно охарактеризовать степенью ромбичности природу взаимодействия белок — порфирин и структурные изменения, необходимые для искажения электронной структуры катиона железа, сравнение ромбических и тетрагональных составляющих симметрии гема высокоспиновых ферригемопротеинов [161,162] подчеркивает важность контактов между каркасом порфирина и соседними боковыми цепями аминокислот. Данные ЭПР [161, 162] свидетельствуют о том, что структурные изменения, влияющие на порфириновые или аксиальные лиганды, могут передаваться к центральному координированному катиону металла. На основе этого можно предложить механизм регуляции спиновых переходов и электронной конфигурации гемового железа структурным взаимодействием каркаса порфирина с ближайшими боковыми цепями аминокислот. [c.66]

Существование этих четырех совершенно различных групп белков дает прекрасный пример того, как природа решает некоторые проблемы координационной химии (в данном случае обратимой координации кислорода) не одним, а несколькими способами. Даже механизм, связывающий константу равновесия со степенью оксигенации всего белка, был создан природой не только для гемоглобина, но и для гемоцианина. Однако полученные недавно функционально активные кобальтсодержащие аналоги гемоглобина и миоглобина показывают, что природа перепробовала не все возможные решения этой проблемы даже в пределах комплексов из тех металлов, аминокислот и других лигандов, которые имеются в ее распоряжении. Кобальтовые аналоги характеризуются меньшим сродством к кислороду, чем нативные белки [207], но pH и дифосфоглицерат влияют на них примерно так же, как и в случае гелюглобинов. Гем-гемовые или гомотропные взаимодействия в кобальтовых аналогах выражены слабее, чем в исходных белках [108]. Кобальтовые аналоги получены путем диссоциации гемоглобина или миоглобина на белок и железопорфирин (разд. 7.4) и последующей рекомбинацией белка с кобальтовым аналогом железопорфирина. [c.145]

На рис. 2 была показана модель Н-структуры метНЬ (т. е. Ре ЮНг) лошади. Четыре субъединицы образуют тетраэдр. Гемовые группы (железопорфирины) находятся друг от друга на расстоянии 2,5—3,7 нм. В центре белковой глобулы находится полость, заполненная водой. Молекула имеет ось вращения второго порядка. Между различными субъединицами имеются обширные области контакта. В областях контакта О ] (и ОгРг) находятся 34 аминокислотных остатка, причем расстояние между 110 атомами различных цепей составляет менее 400 пм. Взаимодействие между субъединицами реализуется также при участии 4—5 водородных связей. Области контакта а1рг и (аг ) образованы 19 остатками и примерно 80 атомами различных цепей, которые находятся на расстоянии менее 400 пм. Все взаимодействия между ними имеют неполярный характер, за исключением, может быть, одной или двух водородных связей [172, 173 ]. В форме К отсутствуют контакты между одинаковыми субъединицами 102 или (31р2 127]. [c.150]

Эффект Бора, т. е. взаимное влияние изменения pH и связывания кислорода, тесно связан с описанным выше гем-гемовым или гомо-тропным взаиА-юдействием, хотя эти два эффекта удается разделить в случае некоторых гемоглобйнов (разд. 7.5). По-видимому, эффект Бора определяется несколькими аминокислотными остатками, р/С которых меняется вместе с изменением окружения, которое сопровождает R—Т-переход. К этим остаткам относятся аргинин НСЗ и валин NA1 в а-цепи, а также гистидин НСЗ в (3-цепи. Все эти остатки участвуют в гомотропном взаимодействии, равно как и гистидин Н5 в а-цепи, который затрагивается при этом лишь косвенным образом [169, 173]. 2,3-Дифосфоглицерат влияет на свойства гемоглобина, связываясь специфически с Т-формой белка с образованием комплекса состава 1 1 [169, 173]. Исследования мутантных и модифицированных гемоглобйнов, в том числе изучение структуры областей, в которых находятся С-концевые остатки, также подтверждают важную роль солевых мостиков в механизме гомотропного и гетеротропного взаимодействия в гемоглобинах млекопитающих [94, 130, 169, 173]. [c.177]

Сульфитоксидаза из бычьей печени имеет молекулярный вес 115 ООО и состоит из двух субъединиц молекулярным весом 55 ООО каждая. Удивительное сходство УФ-спектров поглощения восстановленного фермента и восстановленного цитохрома, параллельное обогащение гемом, рост сульфитоксидазной активности в процессе очистки фермента и идентичная миграция гема и ферментативной активности в процессе электрофореза позволяют идентифицировать гем как простетическую группу сульфитоксидазы [108]. Функциональная конгруентность гема и ферментативной активности подтверждается также корреляцией между исчезновением ферментативной активности и утратой гема, восстанавливаемого сульфитом, при тепловой инактивации сульфитоксидазы. Аналитические данные указывают на наличие двух гемовых групп в молекуле сульфитоксидазы. Один из гемов восстанавливается сульфитом с высокой скоростью, а другой существенно медленнее. Интересно, что гем оказывается полностью восстановленным, когда в роли акцептора выступает цитохром с. Было высказано предположение, что одноэлектронные акцепторы взаимодействуют с сульфитоксидазой по центру, предшествующему ге-му. Кроме того, полагали, что перенос электронов от некоторого центра фермента на одноэлектронный акцептор, например на феррицианид, должен идти медленнее, чем перенос электрона от сульфита на этот центр, поскольку стадия, замедление которой тормозит [c.298]

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в мо-лекуле ПЬ, раскрытых в работах Perutz М. Связывание кислорода с переводом иона Ре " в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смеш ением железа на 0,07 нм в плоскость гемовой группы. Это смеш ение передается через гистидин (Р-8), и спираль (Р) вместе с гистидином подтягивается в сторону гема к центру молекулы, выталкивая из полости остаток тирозина. Затем происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между а-субъединицами и смеш ение субъединиц вдоль контактов а1 — Рг и аг — 1 на 0,07 нм (рис. Х.З). Расстояние между гемами а-субъединиц увеличивается с 3,49 до 3,60 нм, а между гемами р-субъединиц, наоборот, сокраш ается с 3,9 до 3,3 нм. Центральная полость при этом сжимается. Разрыв шести солевых мостиков и освобождение протонов (эффект Бора) характерны для изменений, происходяш их в ПЬ. Энергия взаимодействия между субъединицами уменьшается на 25-50 кДж/моль. Конформация самих а- и р-субъединиц также изменяется, в частности на С-концах цепи. В целом оксигенация переводит каждую из субъединиц из дезокси- и оксиконформацию. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух а-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает присоединение следуюш их молекул кислорода к остальным субъединицам, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характере присоединения Ог к ПЬ, при котором начало оксигенации ПЬ облегчает связывание остальных молекул Ог. [c.259]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология