Гистидин как аксиальный лиганд

Функционирование гемоглобина и миоглобина требует тонкой регуляции окислительно-восстановительного потенциала для стабилизации Fe(H) в покоящемся состоянии, т. е. в отсутствие кислорода. В случае пероксидаз, у которых аксиальным лигандом, вероятно, также является гистидин, задача, наоборот, состоит в стабилизации состояния Fe(HI) (гл. 8). Различное назначение этих белков находит свое отражение в значениях окислительно-восстановительных потенциалов пары Fe /Fe . Для большинства гемоглобинов и миоглобинов эти потенциалы находятся в пределах от - -0,04 до - -0,18 В при рн 6 [8], тогда как для пероксидазы репы Ру и Pi они равны —0,12 и —0,22 В [185], а для пероксидазы хрена окислительно-восстановительный потенциал составляет около —0,25 В при рн 7 [85]. К сожалению, нет данных о структуре пероксидаз, которые позволили бы выяснить природу столь значитель- ых различий в окислительно-восстановительных потенциалах, [c.192]

Приведенные выше данные показывают также, что изменение общей каталитической активности фермента в 10 раз не может определяться изменениями природы аксиального лиганда (X) - предположение, которое прежде всего приходит в голову специалистам в области химии комплексных соединений. Оно обусловлено какими-то более тонкими эффектами белка. Из данных табл. 16 видно, что МЬ (Х = гистидин) сильно отличается от пероксидазы хрена (X—также гистидин), но близок по каталитическим свойствам [c.211]

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]

Кооперативный эффект связывания кислорода гемоглобином имеет структурную природу и может быть объяснен на основе данных конфор-мационного анализа. В геме гемоглобина за счет стерического отталкивания, возникающего между проксимальным остатком гистидина и атомами азота пиррольных колец порфиринового цикла, аксиальный лиганд вытягивает ион Ре " из плоскости порфиринового макроцикла на 0,75 А. При взаимодействии с кислородом ион Ре " возвращается в плоскость порфирина (рис. 5.10). При этом высокоспиновое пирамидальное состояние координационного узла гема переходит в октаэдрическое искаженное состояние. Дистальный остаток гистидина не взаимодействует с молекулой О2, но обеспечивает оптимальные условия для ее эффективного связывания. Одновременно с ионом железа происходит перемещение остатка проксимального гистидина, что, в свою очередь, вызывает конформационные изменения белка данной субъединицы и полипептидных цепей остальных субъединиц гемоглобина. В результате этого после присоединения первой молекулы О2 к субъединице гемоглобина активные центры — гемы выходят из глобул наружу, благодаря чему [c.213]

СЯ наличием восьми а-спиральных участков, включающих около 80% аминокислотных остатков, и внутр. полости-ге-мового кармана. Фиксирование гема в субъединице осуществляется в результате гидрофобных взаимод. пир-рольных и винильных групп гема с алифатич. и ароматич. боковыми радикалами аминокислот, выстилающими полость кармана, а также благодаря координационной связи (направлена перпендикулярно к плоскости кольца гема) Ре с аксиальным лигандом-имидазольной группой гистидина (т. наз. проксимальный гистидин). При оксигена-ции молекула занимает шестое вакантное место [c.516]

О различных цитохромах и данные метода ядерного магнитного резонанса для отдаленно родственных цитохромов с. В результате авторы пришли к выводу, что окислительно-восстановительный потенциал атома железа гема определяют аксиальные лиганды. Так, две гистидиновые боковые цепи в качестве аксиальных лигандов, обнаруженные, например, в Ьд, обеспечивают более низкий окислительно-восстановительный потенциал, чем пара гистидин—метионин, обычно присутствующая в цитохромах с. Если сравнивать цитохромы с, то обнаруживаются вариации длины связи Fe—S [659]. Укоро- [c.255]

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]

Обратимое связывание кислорода гемоглобинами и миоглоби-нами включает реакцию кислорода с пентакоординационным желе-зо(П)порфирииовым комплексом, в котором аксиальным лигандом является имидазол гистидина Р7, с образованием комплекса с шестью лигандами [109, 162, 169]. Кислород, таким образом, занимает вакантное место в координационной сфере железа. Пен-такоординационный комплекс Ре(П) находится в высокоспиновом (ионном) состоянии и имеет четыре неспаренных электрона, тогда как кислородный аддукт является низкоспиновым (ковалентным) и диамагнитным соединением. Поскольку кислород также имеет два неспаренных электрона, то реакция сопровождается одновременным спариванием шести спинов. Это, несомненно, самое большое изменение спинового состояния, которое известно для какой бы то ни было реакции. К другим лигандам, которые могут реагировать таким же способом, относятся СО, имидазол, изоцианиды, СМ и др. (см. [8]). [c.151]

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]

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]

Снижение окислительно-восстановительного потенциала пары Fe"/Fe может быть следствием, во-перных, замены координированного гистидина такими лигандами, как карбоксилат-ион или тирозин, которые имеют тенденцию стабилизировать состояние Fe(HI), или, во-вторых, некоторого кооперативного влияния белка (разд. 7.5 и 7.6). Известны мутантные гемоглобины, в которых гистидин F8 замещен на тирозин в а- или -цепях. Показано, что это приводит к стабилизации состояния Fe(ni), однако не получено никаких сведений о скорости автоокисления ионов Ре(П) [170]. Природа аксиального лиганда в гемоглобинах, миоглобинах и пероксидазах одинакова, так что эти белки представляют собой прекрасный пример того, как белок может влиять на скорость автоокисления и окислительно-Еосиановительный потенциал. Сравним следующие качественные наблюдения над реакциями Fe(H) с кислородом и значения окислительно-восстановительных потенциалов Е° при рн 7 [c.186]

Кислород связывается в гемоглобине и миоглобине путем координации с высокоспиновым пентакоординационным железо(П)пор-фириновым комплексом, содержащим в качестве лиганда гистидин. В растворе не удается получить аналогичного небелкового комплекса, содержащего одно азотистое основание, поскольку высокоспиновый пентакоординационный комплекс термодинамически неустойчив по сравнению с высокоспиновым комплексом, не содержащим основания в координационной сфере (число координированных при этом молекул растворителя неизвестно), и по сравнению с низкоспиновым гексакоординационным комплексом с двумя молекулами основания, т. е. Кг Къ где /С1 и /Сг — константы равновесия образования комплексов с одной и двумя молекулами основания соответственно. Такое обращение обычного соотношения между константами (/(1 > /(2). по-видимому, связано с изменением спинового состояния. Следовательно, белок должен не только связывать железопорфирин с высокой константой связывания, но и обеспечить присоединение к атому железа одного и только одного аксиального лиганда. Для связывания железопорфиринов с апоНЬ и апоМЬ получены очень высокие константы (> 10 М ), однако-очень близкие величины сродства получены и для порфиринов, не содержащих металла. Таким образом, основной вклад в энергию связывания дают вандерваальсовы взаимодействия между порфи-риновым лигандом и неполярными остатками белка. Эти силы обеспечивают более высокое значение константы равновесия, чем. может дать комплексообразование с каким-либо одним лигандом. Кроме того, это позволяет белку регулировать число и природу аксиальных лигандов, связанных с железом, поскольку энергия, взаимодействия между порфирином и белком гораздо выше, чем. между железом и любым потенциальным лигандом. В результате стереохимические факторы взаимодействия порфирина с белком доминируют над стереохимическими параметрами взаимодействия железа с его лигандами (разд. 7.4). [c.189]

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]

В заключение полезно привести значения некоторых окислительно-восстановительных потенциалов. Хотя аксиальный лиганд в пероксидазах имеет ту же природу, что и в миоглобине и гемоглобине (гистидин или вода), пероксидазы восстанавливаются гораздо труднее. Причина этого различия становится понятна при рассмотрении функции пероксидаз. Миоглобин и гемоглобин действуют как переносчики кислорода благодаря своей способности связывать молекулярный кислород с железом в форме е , причем другие окислительные состояния железа не нужны. В противоположность этому каталитическая активность каталаз и пероксидаз основана на образовании комплексов Ре , Ре и Ре . Образование Ре в этих условиях было бы равносильно отравлению катализатора. Некоторые пероксидазы могут катализировать и авто- [c.205]

Железопорфирины должны присоединяться к белку с высокой константой равновесия образования комплекса, но таким образом, чтобы по крайней мере одно место в координационной сфере железа оставалось вакантным для реакции с субстратом (перекисью водорода). Это, в сущности, проблема такого же типа, как и в случае гемоглобйнов и миоглобинов, и решается она тем же способом. Апофермент цитохром с-пероксидазы связывается с некоторыми не содержащими металла порфиринами почти так же прочно, как и с железопорфиринами. Отсюда следует, что энергия взаимодействия порфирина с боковыми цепями аминокислот белка больше, чем металла с гистидином, выступающим в качестве аксиального лиганда. Белок, таким образом, обеспечивает гораздо более высокое значение константы связывания, чем этот лиганд сам по себе. Это означает, кроме того, что белок может регулировать природу аксиальных лигандов путем соответствующего расположения потенциальных лигандов относительно порфиринового кольца. В частности, он предоставляет для комплексообразования только один гистидиновый лиганд в положении, подходящем для координации с железом. Подобный вьшод относится, по всей вероятности, ко всем каталазам и пероксидазам. Как отмечено в разд. 8.5, точная природа аксиального лиганда, предоставляемого для образования комплекса с железом, не является критической. Это может быть гистидин или карбоксилсодержащий лиганд. Каталазную активность проявляет и хлоропероксидаза с гистидиновым лигандом, и настоящие каталазы в их тетрамерной форме, у которых аксиальный лиганд содержит карбоксильную группу. В то же время диссоциированная на мономеры каталаза, у которой природа аксиального лиганда, вероятно, остается неизменной, проявляет пероксидазную активность, так же как и истинные пероксидазы, с гистидином в качестве аксиального лиганда. [c.223]

Связывание кислорода миоглобином и гемоглобином есть не что иное, как процесс аксиальной координации молекулярного лиганда (в данном случае О2) на координационно ненасыщенном Ре(П) в составе гема. Остановимся на механизме присоединения О2 к Ре(П) в составе гема с электронных позиций. Кристаллическое поле Н-донорных атомов порфирина и аксиальных лигандов (имидазол гистидина и О2) переводит / е -кон-фигурацию иона Ре в На вакантные е -орбитали переходят а-элек-тронные пары имидазола и кислорода (рис. 5.6). Молекула О2, являясь 71-акцептором, связывается с Ре(П) также за счет обратной дативной л-свя-зи. Координированный ион железа(П) поставляет электронную пару на вакантную я -разрыхляющую орбиталь молекулы кислорода. Образованию я-связи Ре(П) О2 благоприятствует высокая электронодонорная способность я-системы макроцикла порфирина и проксимального имидазола. Таким образом, все выщесказанное свидетельствует о создании природой оптимальных условий для связывания гемом такого слабого а-донора (но я-акцептора), как О2, в то время как многие более сильные ст-доноры в данных условиях не способны к такому взаимодействию (поэтому вода с гемом связана слабо). С электронных позиций можно также [c.210]

Установлено, что плоскости гемов Ь ориентированы перпендикулярно поверхности мембраны. Судя по чередованию гидрофобных и гидрофильных последовательностей в белке, цитохром Ь может девять раз пересекать мембрану. В рамках этой модели наиболее вероятно, что оба гема локализованы между второй и пятой а-спиральными колоннами. Здесь каждый гем связан с белком по крайней мере тремя связями. Две из них образуются имидазольными группами остатков гистидина белка и железом гема, а третья — положительно заряженной группой остатков аргинина или лизина белка и отрицательно заряженной пропионатной группой гема. (Схема расположения гемов Ь приведена на рис. 28, описывающем хлоропластный цитохром 6е, гомологичный митохондриальному цитохрому Ь.) Все перечисленные аминокислотные остатки инвариантны у шести исследованных цитохромов Ь. По данным спектроскопии цитохромов Ь и модельных соединений, именно остатки гистидина служат аксиальными лигандами гема. [c.84]

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]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология