Координация железа в белке

КООРДИНАЦИЯ ЖЕЛЕЗА В БЕЛКЕ [c.382]

Атомы железа обычно образуют комплексы с октаэдрической координацией. Что же происходит с двумя координационными положениями выше и ниже плоскости порфиринового цикла В цитохроме с группа гема находится в углублении на поверхности молекулы белка (рис. 20-23). От каждой стенки этого щелевидного углубления к гему направлено по одному лиганду с одной стороны атом азота с неподеленной парой, принадлежащий гистидиновой группе белка, а с другой стороны атом серы с непо- [c.257]

Роль белка в регуляции этих и других равновесий и реакций, связанных с координацией кислорода, целесообразнее начать с рассмотрения равновесия и реакции простых небелковых комплексов железо(П)порфиринов. [c.152]

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]

Мы уже видели в разд. 7.4, каким образом белок грубо регулирует количество и природу аксиальных лигандов, связываемых с атомом железа (а также организацию групп атомов вокруг дистального координационного центра). Затем мы рассмотрели, как возмущение положения металла и его лигандов, обусловленное несоответствием стерических свойств белка и комплекса, позволяет тонко регулировать взаимодействие металла с лигандом. Большие различия в константах равновесия координации кислорода в тех случаях, когда природа лиганда, предоставляемого белком, оста- [c.181]

НО допустить, что присутствие лиганда X вблизи одного атома железа в точности компенсируется на другом атоме железа за счет координации какого-то остатка белка. Учитывая, что изомерный сдвиг в спектре Мессбауэра высокоспиновых комплексов железа (III) сравнительно мало изменяется в зависимости от лигандного окружения, приведенное выше объяснение вполне допустимо. Величина квадрупольного расщепления линий в спектре Мессбауэра может определяться главным образом кислородным мостиком и не быть чувствительной к остальным лигандам, если они не относятся к сильно поляризуемым лигандам и не искажают геометрию комплекса. [c.398]

Было сделано необычайно интересное открытие, заключающееся в том, что координация гемового железа с гистидином, по всей видимости, лежит в основе кооперативности при связывании гемоглобина с кислородом [9, 10]. Радиус высокоспинового железа как в ферри-, так и в ферросостоянии столъ велик, что железо не помещается в центре порфиринового кольца и Смещается в сторону координационно связан- ной с ним имидазольной группы на расстояние, составляющее для Ре(II) 0,06 нм. Таким образом, в дезоксигемоглобине и железо, и имидазольная группа находятся от плоскости кольца дальше, чем в оксиге-моглобине. В последнем железо находится в центре порфиринового кольца, так как переход в низкоспиновое состояние сопровождается уменьшением ионного радиуса [9, И]. Изменение конформации белка, индуцированное небольшим смещением иона железа, уже было описано (гл. 4, разд. Д, 5). Однако истинная природа пускового механизма , приводящего к этим изменениям, пока в точности не ясна. С некоторым атриближением эти изменения можно рассматривать как чисто механи- [c.368]

Исследование реакций комплексообразования природных металлопорфиринов с нейтральными электронодонорными (-акцепторными) молекулярными лигандами представляет несомненный интерес как в теоретическом, так и в практическом плане. Многообразие полезных функций металлопорфиринов в первую очередь связано с их координационными свойствами, под которыми понимают дополнительную координацию заряженных или нейтральных частиц на центральном атоме металла. Механизмы протекания данных процессов в значительной степени определяются особенностями формирования сольватного окружения металлопорфиринов в биологических структурах и модельных растворах. В биоструктурах молекулы металлопорфиринов окружены псевдосольватной оболочкой, сформированной за счет универсальных и специфических взаимодействий с гидрофобными и гидрофильными фрагментами аминокислотных остатков белковой части хромопротеинов. Так, Ре(П)протопорфирин, являющийся простетической группой хромопротеинов (гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы) живых организмов [1], за чет электростатических взаимодействий пропионовых остатков связан с полярными фрагментами белка. При этом центральный атом металла вступает в дополнительное координационное взаимодействие с имидазольным остатком проксимального гистидина [33]. В гемоглобине (рис. 6.5) щестое координационное место остается открытым для взаимодействия с молекулами газообразных веществ (О2, СО, N0) и ионов окислителей (N02, Оз). В цитохромах (рис. 6.5) как пятое, так и шестое координационные места заняты за счет донорно-акцепторного взаимодействия с аминокислотными электронодонорными радикалами (например, гистидина и метионина). В результате проявляется новое свойство металлопорфирина - способность участвовать в легкообратимом окислительновосстановительном процессе переноса электрона, сопровождающемся обратимым изменением степени окисления иона железа Ре " Ре . [c.312]

Гемсодержащие белки являются переносчиками электронов или малых молекул, таких, как О2. В гемоглобинах функция гема и окружающей его полипептидной цепи состоит в обеспечении связывания молекулярного кислорода железом и в защите координированного ферроиона от окисления [639]. В цитохроме с функция атома железа в геме заключается не в координации малой молекулы, а в переносе электронов в ходе метаболизма энергии железо ферментативно восстанавливается (Fe —>- Fe " ) и окисляется соответствующими белками — партнерами цитохрома с [509]. Цитохром 65 — составная часть другой группы электронпереносящих белков, которые участвуют в расщеплении жирных кислот и других химических реакциях [297]. Было выдвинуто предположение [640], что цитохром 5 может взаимодействовать in vivo с цитохромом с. Однако пока установлено, что восстановление цитохрома с цитохромом bs может происходить только in vitro. Недавно была предложена структурная модель этого взаимодействия [640]. [c.249]

Хромопротеины — сложные белки, в состав которых входят окрашенные небелковые компоненты. Наиболее распространенными представителями хромопротеинов являются флавопротеины, у которых в качестве небелковых компонентов включены флавинмоноиуклеотид и флавиндинуклеотид, а также гемопротеины, красное окрашивание которых обусловлено наличием гема с включенным в него железом. Этот пигмент представляет собой плоскую структуру, состоящую из четырех пиррольных колец, в центре координации которых находится атом железа. Координационное число железа в составе гема равно 6, причем четыре связи заняты азотами пиррольных колец, пятая связывает гем с белком, а шестая — занята тем или иным лигандом. Пиррольные кольца соединены метиновыми мостиками, образуя тетрапиррольное кольцо, к которому присоединены винильные, метильные и пропионатные группировки (рис. 3.16). [c.49]

Как мы видели, один из аксиальных лигандов в гем-группе гем-белков — это остаток Гис. В миоглобине это Гис-93 (или Гис-8 в / -спирали [12]). Существует и другой остаток —Гис-64 (или Гис-7 в -спирали [12]) в аксиальном положении с другой стороны гема, но его имидазольный цикл слишком удален от атома железа, и координация невозможна. Имеется щель, которую в оксимиоглобине занимает кислород Оа или другие лиганды, такие, как СО и N0, при подходящих условиях. (Окись углерода связывается в 50 раз прочнее, чем кислород). При отсутствии таких малых молекул шестое координационное место в ферромиоглобине остается свободным. В ферримиоглобине это положение занимает молекула воды. Гем-группа ковалентно не связана с белком, и при осторожной обработке ее можно удалить и заменить другими типами гемо1В, что мы увидим в дальнейшем. [c.370]

Гем-группа как в гемоглобине, так и в миоглобине присоединяется к белку за счет координации по атому азота гистидина Р8, как показано на рис. 31.2. транс-Положение по отношению к гистидиновому азоту занято молекулой воды в неокисл енном состоянии или молекулой кислорода в окисленной форме. Строение фрагмента Ре—Ог до сих пор точно неизвестно, но изменение окислительного состояния железа и присоединение к нему кислорода (и других лигандов) вызывают важные изменения в структуре гема, которые мы опишем ниже. [c.640]

В 1960 г. были приготовлены первые активные экстракты из клеток и после этого из нескольких бактерий выделены в очень чистом состоянии ферменты, названные нитрогеназами. В каждом -случае нитрогеназу можно разделить на два белка, один из них с молекулярной массой около 250 000, а другой — около 70 000. По отдельности оба они неактивны, но при смешивании активность немедленно восстанавливается. Первый белок содержит 1 (или, возможно, 2) атом молибдена и около 15 атомов железа, а также отличается повышенным содержанием серы, что дает основание предполагать связывание металлов за счет координации серы. Второй, меньший компонент нитрогеназы содержит 2 атома железа и 2 лабильных или неорганических атома серы, т. е. таких, которые не входят в аминокислоты типа метионина или цистеина. Этот белок не содержит молибдена. [c.654]

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]

Как мы уже видели (разд. 7.2), четыре полипептидные субъединицы гемоглобйнов лошади и человека могут образовывать две слегка различные четвертичные структуры, так называемые К-или Т-структуры ( окси - и дезокси -структуры). Основное различие между этими двумя формами белка, по-видимому, состоит в том, что в Т-форме имеются восемь солевых мостиков (образующихся за счет электростатических взаимодействий) в местах контакта 0102 и Р1Р2 Т-формы. Исследование различных природных и модифицированных гемоглобйнов показало, что гомотропное взаимодействие наблюдается при координации кислорода Ре(П) только в том случае, когда в процессе оксигенации происходит изменение четвертичной структуры [173]. Переход от Т- к 1 -форме происходит в НЬ А1 человека примерно при 50%-ной оксигенации, однако в других случаях он может наблюдаться при существенно более высокой степени оксигенации или очень малой оксигенации, а иногда и вовсе не наблюдается, т. е. белок может остаться замороженным в исходной К- или Т-форме [94, 204]. Изменение четвертичной структуры сопровождают и другие процессы, в которых имеет место гомотропное взаимодействие [33]. Исследование различий в спектрах (см. выше) и в величинах Р1/2 (разд. 7.5) между гемоглобином и изолированными а- и 3-цепями показало, что гемоглобин ведет себя нормально при высокой насыщенности кислородом и что 8-образная форма кривой определяется аномалиями при низкой оксигенации, т. е. когда белок находится в Т-форме. В настоящее время известны константы равновесия координации кислорода К- и Т-формами гемоглобина человека при pH 7 и гемоглобина при pH 9. Константа равновесия для Т-формы в 250 раз меньше, чем для Н-формы [204]. Скорость взаимного превращения Я- и Т-форм может быть установлена в отсутствие всяких изменений, связанных с реакциями железа, поскольку фотолиз гемоглобина, содержащего только Ре СО (и потому находящийся в К-форме), дает Ре с сохранением в первый момент после фотолиза К-формы, которая затем быстро переходит в Т-форму с временем полупревращения около 2 мс при 3°С [8, 88]. Возникает вопрос каким образом изменение состояния железа приводит к изменению четвертичной структуры [c.175]

В задачу настоящей главы входило рассмотрение способов, которыми воспользовалась природа для усовершенствования и регуляции со стороны белков свойственной железопорфиринам способности связывать кислород и создать таким образом дыхательный пигмент , приспособленный к нуждам живых организмов. Как указано в разд. 7.3, при этом пришлось разрешить четыре главные и одну существенную частную проблемы. Только одна из этих проблем, а именно подавление дальнейших реакций связанного кислорода, имеет кинетический характер. Остальные относятся к области термодинамики изменение константы равновесия координациии аксиальных лигандов с целью стабилизации пентакоординационного комплекса Fe(II) тонкая регуляция константы равновесия координации кислорода уменьшение констант равновесия связывания посторонних лигандов, которые могли бы отравить железо регуляция окислительно-восстановительного потенциала пары Fe /Fe с целью стабилизации Fe(II). [c.188]

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]

Белок не только должен не допускать координации с железом iBToporo аксиального лиганда, которым мог бы быть какой-либо лз аминокислотных остатков, он должен предотвращать и доступ Ji железу различных других посторонних лигандов (например, свободных аминокислот, глутатиона, фосфата), которые могли бы обратимо или необратимо отравить белок путем связывания Fe(II) лли Fe(III). По рентгеноструктурным данным, аминокислотные остатки вокруг дистального места в координационной сфере организованы таким образом, чтобы свести к минимуму всякие силы отталкивания и перегруппировки белка, которые могли бы снизить константу равновесия координации кислорода и могли бы умень-Л1ить константы связывания для большинства других потенциальных лигандов, особенно для тех из них, которые склонны к образованию линейной структуры (разд. 7.4). [c.192]

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]

Интересно отметить, что, хотя оба фосвитина содержат эквивалентные количества фосфора и связывают по 50 ионов железа, образующих многоядерный кластер, преобладающая геометрическая структура связывающих центров в этих белках различна. Вероятно, необычная тетраэдрическая структура становится предпочтительной из-за особенностей конформации белка, которая служит для защиты ионов металла от гидролиза в водном окружении при физиологических значениях pH 7,4. Этот защитный эффект не достигается в коричневом железо(1П)фосвитине. Вероятно, если белок прокипятить до введения соли металла, центры, связывающие Fe(III), становятся доступными для гидролитической полимеризации, что приводит к октаэдрической координации. [c.358]

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