Дистальный гистидин

Пространство, занимаемое малыми лигандами, такими, как кислород, вода, азид-ион и СО, граничит с железопорфирином и четырьмя аминокислотами, а именно с дистальными гистидином Е7, Валином Е11, фенилаланином D1 и лейцином G8 (или лейцином В10 в миоглобине) см., например, работы [8, 172]. Последние три из названных аминокислот имеют гидрофобные боковые цепи и находятся в контакте с периферией порфиринового кольца. С другой стороны, имидазол гистидина относится к гидрофильным остаткам и соприкасается с порфирином, хотя и находится в непосредственной близости от оси Fe—X. Имидазол расположен почти перпендикулярно плоскости гема, и один из атомов азота находится на расстоянии 380 пм от плоскости гема и на расстоянии 170 пм от перпендикуляра к плоскости, проходящего через атом железа. Второй атом азота имидазола находится на поверхности белка. Первый из атомов азота образует водородные связи с молекулой воды и азид-ионом в координационной сфере комплексов Fe(III) гемоглобина и миоглобина [171, 211, 232], как это показано на структурных схемах II и III [c.159]

Дистальный гистидин не создает существенных пространственных затруднений для таких малых лигандов, как вода, или лигандов типа азид-иона и кислорода, которые дают комплексы нелинейной структуры. Азид-ион располагается над метиновым мостиком порфиринового кольца и очень точно соответствует пространству между гистидиновой, фенилаланиновой и валиновой группами [211]. Однако дистальный гистидин создает весьма существенные пространственные затруднения для таких лигандов, как СО и N , которые при координации предпочитают линейную конфигурацию. Пространственное затруднение может быть преодолено путем отклонения угла Ее—С—О или Fe—С—N от 180° и (или) путем перестройки белка. По данным рентгеноструктурного анализа карбонильного комплекса мономерного гемоглобина hironomus, валентный угол Ее—С—О составляет 145 15° изолейцин Е11, который занимает в этом белке примерно то же положение, что и дистальный гистидин в гемоглобинах млекопитающих, также испытывает некоторое смещение [109]. Аномально низкие волновые числа валентного колебания связанного СО во многих гемоглобинах и миоглобинах, имеющих дистальный гистидин, но не в белках, в которых этот гистидин замещен на аргинин или тирозин, также были объяснены некоторым взаимодействием (за счет водородных связей или в силу стерических факторов) между гистидином и координированной окисью углерода [48]. Разностная фурье-карта между Ее ЮНз- и Ре" СМ -комплексами миоглобина свидетельствует о том, что система связей Ее—С—N остается линейной и что смещается спираль Е[8]. Таким образом, рентгеноструктурный анализ дает непосредственные доказательства существенных пространственных затруднений и определенной гибкости белкового окружения вокруг дистального координационного положения комплекса. Способность связывать гораздо более объемистые лиганды, [c.161]

Близость дистального гистидина к молекуле азида в случае расположения ее вблизи пропионовокислого остатка будет препятствовать образованию водородных связей с атомами Ка лиганда. [c.70]

Для связанного кислорода были предложены две структуры типа тс-комплекса, как для лигандов типа этилена (см. структуру IV), или нелинейная структура V, которая была первоначально предложена Полингом и действительно была обнаружена для иона N3 . Положение обоих атомов кислорода пока не удалось достоверно установить по картам электронной плотности гемоглобина или миоглобина, но различие фурье-карт Ре Ог и Ре ЮНз указывает на структуру V, в которой координируемый атом одновременно образует водородную связь с дистальным гистидином [232]. Структура IV маловероятна и из-за пространственных затруднений [8]. Как уже отмечалось в разд. 7.3, аддукты комплексов Со(П) с кислородом определенно имеют структуру типа V, и их лучше рассматривать как комплексы Со(1П) с супероксид-анион-радикалом О ,. [c.160]

Восстановительным агентом здесь может быть цистеин, тирозин, аскорбиновая кислота и т. д. Природа позаботилась о том, чтобы все такие потенциальные восстановители были исключены из окрестностей комплекса Ре—О2. Мы предположили также, что роль дистального гистидина, присутствующего в большинстве гемоглобинов и миоглобинов, состоит в защите связанного кислорода от атаки посторонними агентами. Гистидин в данном случае закрывает область, в которой располагаются лиганды, путем образования водородной связи с координированным атомом кислорода (разд. 7.7). [c.193]

Приведенные выше данные показывают, что окружение железопорфиринового комплекса в каталазе и пероксидазе очень близко к таковому в гемоглобинах и миоглобинах. Порфириновое кольцо и винильные боковые цепи, по-видимому, погружены и удерживаются гидрофобными аминокислотными остатками. В эту гидрофобную область проникает, с одной стороны, гистидин или карбоксилсодержащий лиганд, который координирован с железом (аналогично проксимальному гистидину в гемоглобине и миоглобине), а с другой стороны, группы, которые, вероятно, могут образовать водородные связи с перекисью водорода и другими субстратами (эти группы можно сопоставить с дистальным гистидином в гемоглобине и миоглобине). Несмотря на пространственные затруднения, которые имеются вокруг активного центра, и присутствие аксиальных лигандов, наблюдаются весьма высокие скорости реакции (до 1,4-10 л-моль 1-с , табл. 17). Точно так же гемоглобины с высокой скоростью (до 3-10 л-моль-с ) связывают кислород, хотя координационный центр со всех сторон окружен аминокислотными остатками (разд. 7.4). [c.227]

Связь, образующаяся между атомом кислорода и атомом Ге +, при оксигенировании миоглобина направлена перпендикулярно плоскости кольца гема. Второй атом кислорода удален от дистального гистидина, и связь между атомами кислорода образует относительно плоскости гема угол 121 (рис. [c.54]

Рнс. 6.6. Ориентация молекул кислорода и окиси углерода, связанных с атомом железа гема в составе миоглобина. Дистальный гистидин Е7 препятствует связыванию СО в предпочтительной для этой молекулы ориентации под углом 90° к плоскости гемового кольца. [c.55]

В семействе гемоглобинов М остатки проксимального или дистального гистидина в а- или Р-субъединицах заменены на остатки тирозина. Атом железа в составе гема находится в этом случае в Fe +-состоянии, что обусловлено образованием прочного ионного комплекса с фенолятным анионом тирозина. Результатом такой аномалии является метгемоглобинемия, поскольку ферри-гем не способен связывать Ог- В а-цепи гемоглобина М R—Т-равновесие сдвинуто в сторону образования Т-формы. Сродство к кислороду низкое, эффект Бора отсутствует. В Р-цепях гемоглобинов М может происходить переход между R- и Т-состояниями и, следовательно, наблюдается эффект Бора. [c.60]

Конечно, прямой доступ к иону железа для лигандов закрыт аминокислотами, особенно дистальным гистидином. Как уже отмечалось, один из атомов азота имидазольного кольца гистидина обращен к железу, а другой фактически находится на поверхности, так что этот гетероцикл может работать как своего рода люк, перекрывающий лигандную полость. Поэтому связывание любого лиганда представляет собой сложный процесс, включающий промежуточные изменения конформации белка, например поворот гистидина Е7 вокруг его связи Са —Сз или небольшое искажение структуры спирали Е [161]. Тем не менее скорость связывания кислорода исключительно велика. Константа скорости реакции второго порядка при 20°С для различных миоглобинов находится в интервале 1,0-10 — 1,9-10 дм -моль с [определенные к настоящему времени значения свободной энергии активации для этих процессов составили в трех случаях 23,0, 23,0 и 29,3 кДж/моль (5,5, 5,5 и 7,0 ккал/моль) соответственно], а константы скорости для изолированных, но слегка модифицированных а- и 3-цепей составили 5-10 — 8-10 дм моль с , тогда как для мономерного гемоглобина hironomus получено более высокое значение 3-10 дм -моль 1-с [6]. Для гемоглобйнов кинетика реакции имеет сложный характер вследствие изменений четвертичной структуры, однако константы скорости и в этом случае попадают в интервал 10 — 10 дм моль с . Константы скорости отщепления кислорода составляют 10—70 с , а соответствующие энергии активации равны 80—88 кДж/моль (19—21 ккал/моль) для миоглобинов и 10— 15 с и 67—105 кДж/моль (16—25 ккал/моль) для большинства гемоглобйнов (эти значения сильно зависят от pH). Библиографию по этому вопросу см. в работе [8]. Даже если гистидин существенно уменьшает величину константы скорости, которая была в отсутствие белка, наблюдаемые скорости вполне достаточны для физиологических потребностей. Мутантные гемоглобины, в которых гистидин замещен на аргинин или тирозин, обнаруживают несколько более высокие скорости, особенно в реакциях с СО [8]. Некоторые гемоглобины с очень малыми константами скорости диссоциации ( 10 с 1), которые явно не могут функционировать как переносчики кислорода, встречаются у нематод [91]. [c.163]

Модель участка связывания кислорода в миоглобине. Показаны гем, проксимальный гистидин (Р8) и дистальный гистидин (Е7). [c.57]

Присутствие дистального гистидина снижает связывание оксида углерода [c.60]

El г истидин Дистальный гистидин вблизи гема [c.65]

Анализ этих данных говорит о том, что образование низко-спино-вых неравновесных форм феррогемоглобина и его комплексов, после низкотемпературного восстановления ферригемоглобина и его комплексов, обусловлено сохранением аксиальных лигандов в шестом координационном положении иона Ре . Это положение, по всей видимости, занято атомом азота в имидозольном остатке дистального гистидина. Диссоциация лиганда блокирована стерическими препятствиями белковых групп вокруг гема. [c.78]

При интерпретации карт разностной электронной плотности было предположено [142], что положение атома молекулы кислорода, координирующего с атомом железа, соответствует положению, занимаемому кислородом молекулы воды в метмиоглобине. Поскольку, согласно модели Полинга, с точки зрения электронной структуры атом железа должен образовывать резонансную двойную связь с координирующим атомом кислорода, следует ожидать некоторого уменьшения длины связи железо — кислород. Кроме того, в модели Полинга (рис. 17) требуется удлинение связи 0—0 вследствие образования простой связи между атомами координированного кислорода. Разностный синтез Фурье оксимиоглобина относительно метмиоглобина [142] не обладает достаточной точностью для определения столь детальных стереохимических соотношений. Кроме того, хотя образование водородной связи с остатком дистального гистидина может приводить к стабилизации молекулы в данном миоглобине, вообще говоря, она вовсе не обязательна. Как эритрокруорин hironomus [177], так и миоглобин Aplysia [178] не имеют остатка дистального гистидина, соответствующего остатку в миоглобине кашалота или гемоглобинах млекопитающих. [c.73]

На рис. 1 показано, что в миоглобиновой структуре гидрофильные имидазольные группы двух гистидинов могут выдаваться из спиралей Е и F в гидрофобную область на каждой из сторон порфи-риновой плоскости. Проксимальный гистидин F8 координируется с железом. Однако дистальный гистидин Е7, хотя и находится в непосредственной близости, не может координироваться с железом, не влияя при этом на спираль Е. Известно несколько мутантов, у которых гистидин F8 заменен на тирозин. Эта замена была обнаружена в а-цепях НЬ М Iwate и в р-цепях НЬ М Hyde Park. Аномальные цепи стабилизируют Fe(IH), а их способность после восстановления связывать кислород, по-видимому, не изучена [8]. Хотя свободный имидазол, введенный извне, может взаимодействовать с гемоглобином и миоглобином в обеих формах Ее(И) и Fe(III), [c.158]

НИ имидазол дистального гистидина Е7, ни какие-либо другие остатки белка не могут выступать в качестве второго аксиального лиганда в нормальных гемоглобинах и миоглобинах, иначе как после денатурации. Примерами обратимой денатурации белка, сопровождаемой координацией каких-то азотистых оснований (судя по изменениям спектров поглощения), являются высушивание HbFe в вакууме [161] и нагревание или добавление спирта к раствору НЬ Aplysia [42]. Координация дистального гистидина Fe(III) происходит в аномальных а-цепях НЬ М Iwate [94]. Однако во всех изученных к настоящему времени аномальных гемоглобинах и миоглобинах белок предоставляет в координационную сферу железа один и только один аксиальный лиганд, т. е. белок обеспечивает образование пентакоординационной структуры комплекса Fe(II), причем гистидин является предпочтительным, хотя, может быть, и не единственно возможным аксиальным лигандом. [c.159]

Во всех нормальных гемоглобинах и миоглобинах млекопитающих имеется дистальный гистидин, и первоначально предполагалось, что он играет существенную роль в обратимом связывании кислорода путем, например, образования водородной связи. Однако в настоящее время известны несколько мутантов, в которых гистидин Е7 замещен на другие аминокислоты, например на тирозин в а-цепях (НЬ М Boston) или -цепях (НЬ М Saskatoon) или аргинин (НЬ Zuri h) [8, 170]. Показано, что железо в аномальных цепях, по крайней мере во втором и третьем из названных мутантных белков, может связывать кислород, хотя для этих мутантов скорость [c.160]

Относительно гемоглобина миноги известно, что он содержит такой же дистальный гистидин, как и нормальный гемоглобин человека 1144]. Сходство спектров поглощения комплексов Fe" и Fe" O гемоглобина миноги со спектрами соответствующих форм гемоглобина As aris (но не комплексов Ре Ог) решительно подтверждает, что и у последнего из названных белков также имеется дистальный гистидин [238]. Поэтому можно сделать вывод, что lgPi/2 может изменяться от -2,8 до 1,6, т. е. примерно на 4,5 единипы, без изменения природы лиганда. Если включить в этот ряд НЬ IV форели, то интервал значений lgPi/2 расширится до 6, хотя, к сожалению, природа аксиального лиганда в гемоглобине форели неизвестна. [c.167]

Бретчер [33] в 1968 г.. предложил другую простую гипотезу, которая позволяет объяснить все наблюдаемые факты, кроме, может быть, гомотропного взаимодействия при реакциях Ре ЮНа с СК и N3 (разд. 7.5). Он отметил, что в Т-форме может быть только блок, в котором вокруг железа координировано пять лигандов, тогда как щестикоординационные комплексы независимо ют валентности и спинового состояния железа существуют в Т- форме. Он предположил, что конформационный переход белка запускается просто присоединением шестого лиганда. Процесс может осуществляться или путем вытеснения какой-то группы, блокирующей место расположения лиганда, или путем образования водородной связи с дистальным гистидином. [c.180]

Координированный кислород должен быть поэтому защищен от реакций с восстановительными агентами указанного выше типа, которыми могут быть или некоторые аминокислотные остатки белка, или внешние молекулы, или ионы в клетке. В связи с этим два наблюдения могут иметь существенное значение. Во-первых, в непосредственной близости от координированного кислорода нет таких остатков, как цистеин или тирозин, которые могли бы действовать как восстановители в нормальных гемоглобинах и миоглобинах. Однако в НЬ М Sasliatoon гистидин замещен на тирозин и в этом НЬ Ре" автоокисляется гораздо быстрее [153]. Во-вторых, указанные выше реакции МЬ Ре Юг с ферроцианидом, гидрохиноном и т. д. происходят при pH 4,8, но не при pH 7. Это означает, что некоторая группа (а именно дистальный гистидин) защищает кислород при pH 7, однако может утратить эту способность в ре- [c.187]

Полипептид предоставляет только один аксиальный лиганд, а именно проксимальный гистидин Р8. Этот гистидин в некоторых мутантных гемоглобинах в половине субъединиц замещается на тирозин, однако неизвестно, могут ли эти субъединицы обратимо связывать кислород (разд. 7.4). Тем не менее обнаруженное разнообразие аксиальных лигандов в комплексах Со Юг (разд. 7.1) показывает, что гистидин, хотя и является предпочтительным лигандом у большинства гемоглобйнов и миоглобинов, все же не единственно возможный. Второй, дистальный гистидин Е7 обычно располагается непосредственно при атоме железа по другую сторону порфиринового кольца, однако координирование его неиз- [c.189]

Рассмотрим сначала роль дистального гистидина. Она оказывается двоякой. Во-первых, имидазольный остаток гистидина участвует в создании гидрофобного адсорбционного центра — неполярной плоскости над шестым координационным местом геминового железа, что способствует подавлению конкуренции НгО за обладание этим местом. Однако только неполярного характера адсорбционного центра недостаточно. Здесь важную роль играет также валентность железа. [c.100]

Присоединение и отщепление кислорода от миоглобина не сопровождается изменением валентности железа, которое остается в виде иона Ре . При окислении железа до Ре " образуется новое соединение — метмио-глобин, в котором теряется способность обратимо связывать кислород, а в виде шестого лиганда удерживается вода (рис. 20). Дело в том, что электростатическое поле Ре + более сильное, чем у Ре +, и его достаточно для разрыва водородной связи в воде и втягивания полярной молекулы НгО в неполярную адсорбционную щель. Поэтому сохранение функций транспортного белка для О2 связано со стабилизацией Ре + комплекса. Эта стабилизация достигается за счет стерического воздействия дистального гистидина, что и является его второй функцией в миоглобине. [c.100]

Предполагается [23, 25], что дистальный гистидин изменяет способ ориентации молекулы кислорода относительно железо-порфири-нового кольца. Вместо равновесной перпендикулярной (точнее — под углом 120°) ориентации в миоглобине молекула Ог прижата дистальным гистидином параллельно плоскости гема. Расчеты показывают, что в первом случае Ре комплекс легко окисляется до Ре , а это приводит к адсорбции миоглобинохм молекулы Н2О, а не Ог. Однако, если молекула Ог связана параллельно плоскости гема, Ре + комплекс остается устойчивым. В дезоксимиоглобине шестое координационное место железа, т. е. адсорбционный центр Ог, остается вакантным [24] и, таким образом, щелевое строение гидрофобного адсорбционного центра (вместе с рассмотренной стабилизацией комплекса) поз- [c.100]

Дистальный гистидин можно заменить без потери функции аргинином, но не легко гидратируемым в области ОН-группы тирозином, который переводит железо в ферри-форму (метгемоглобин). Это еще раз подтверждает то, что роль дистального гистидина сводится не только к созданию стерически вынужденной (параллельной плоскости гема) конформации молекулы О2 у атома железа, что влияет на энергию связи железа с кислородом, но и к поддержанию гидрофобного характера адсорбционной щели, в которую входит молекула кислорода и не проникает молекула воды. [c.101]

Атом железа(П) в составе протопорфирина IX координационно ненасыщен (имеет вакантные -орбитали) и способен присоединять один или два дополнительных электронодонорных или электроноакцепторных лиганда по оси, перпендикулярной плоскости макроцикла. В таких случаях координационное число Fe(II) равно 5 или 6. Такой тип координации у МР называется аксиальным (от греч. ахоп — ось), а соответствующие координируемые дополнительные лиганды — аксиальными. Именно это свойство гема и определяет способность молекул гемоглобина и миоглобина к присоединению молекулярного кислорода и других лигандов, лежащую в основе жизненно необходимых функций данной группы сложных белков. Формирование и стабилизация пространственной структуры гемоглобина и миоглобина происходят благодаря образованию аксиальных связей между Fe(II) и аминокислотными остатками полипептидных цепей этих хромопротеинов. При этом аминокислотный остаток гистидина занимает пятое координационное положение Fe(II) в составе МР (рис. 5.4). Такой остаток гистидина получил название проксимальный (от лат.proximus — ближайший). Второй остаток гистидина глобиновой полипептидной цепи — дистальный гистидин (от лат. disto — отстою) находится близко к кислородсвязывающему участку гема, но не имеет непосредственной связи с ним. [c.207]

Гем в молекуле миоглобина расположен в щели между спиралями Е и F его полярные пропионатные группы ориентированы к поверхности глобулы, а остальная часть находится внутри структуры и окружена неполярными остатками, за исключением His F8 и His F7. Пятое координационное положение атома железа занято атомом азота гетероциклического кольца проксимального гистидина His F8 (рис. 6.4). Дистальный гистидин (His Е7) расположен по другую сторону гемового кольца, почти напротив His F8, но шестое координационное положение атома железа His Е7 остается свободным (рис. 6.4). [c.54]

Окись углерода (СО) связывается с изолированным гемом примерно в 25 ООО раз более прочно, чем кислород. Поскольку атмосферный воздух содержит следы СО и еще небольшое количество СО образуется в ходе нормального катаболизма гема, возникает вопрос почему же шестое координационное положение железа в миоглобине занято не СО, а молекулой О2 Связано это со стерическими ограничениями, возникающими в миоглобине. Молекула СО, связываясь с гемом, стремится принять такую ориентацию, при которой все три атома (Ре, С, О) находятся вдоль линии, перпендикулярной плоскости кольца гема (рис. 6.6). Для изолированного гема такая ориентация вполне возможна, но в миоглобине связыванию СО в такой ориентации стерически препятствует дистальный гистидин (рис. 6.6). Поэтому СО связывается в менее благоприятной конфигурации, что понижает прочность связи СО с гемом более чем на два порядка, так что она становится всего лишь в 200 раз прочнее, чем связь гем О2. Тем не менее небольшая часть молекул миоглобина (около 1%) в нормальных условиях связывает СО. [c.55]

Рис. 3.14. Схематическое изображение участка связьюания кислорода в миоглобине. Пятое координационное положение занято гистидином Е8 (проксимальный гистидин) кислород связывается в шестом координационном положении гистидин Е7 (дистальный гистидин) расположен вблизи шестого координационного положения.

Рис. 3.21, Структурная основа пониженного сродства миоглобина и гемоглобина к оксиду углерода. Л-связь СО расположена на одной прямой со свободным железопорфирином Б-наклонная геомегрия связи СО с миоглобином и гемоглобином, обусловленная тем, что дистальный гистидин (Е7) препятствует прямолинейному связыванию СО, в результате сродство к СО оказывается значительно сниженным Б-наклонная геометрия связи

Справочник химика 21

Химия и химическая технология