Кислород связывание комплексами Со гистидин

Гемоглобин эритроцитов обеспечивает обратимое связывание и транспорт кислорода от легких во все органы и клетки живых существ. Миоглобин сохраняет запасенный кислород в мышцах. В этих гемопротеидах молекула белка-протеина связана с одной или несколькими молекулами гема(У), представляющего собой комплекс Ре(П) с протопорфирином. В настоящее время известен аминокислотный состав и последовательность аминокислот в протеине гемоглобина, место присоединения частиц гема, пространственная структура гемоглобина. Гем, РеПП, локализован в расщелине между спиралями белковой молекулы. По соседству с гемом находится так называемый проксимальный (соседний) фрагмент имидазола (Im) гистидино-вого (His) остатка, а на известном удалении с противоположной стороны от атома железа гема находится так называемый гисталь-ный (удаленный) имидазол другой гистидиновой молекулы. В отсутствие О2 атом Ре(П) в гемоглобине прочно связан с порфирином четырьмя донорно-акцепторными связями Fe-N и намного менее прочной [c.286]

Рис. 8-2. Гемогруппа, присутствующая в миоглобияе, гемоглобине и многих других гемопротеинах. Она представляет собой сложную полидиклическую структуру, назьшаемую протопорфирином, с которой связан атом железа в [Ре (П)]-форме (ферроформа). Атом железа имеет шесть координационных связей, четыре из которых участвуют в образовании комплекса железа с плоской молекулой порфирина, а две другие направлены перпендикулярно порфириновому кольцу. В миоглобине и гемоглобине одна из этих двух связей занята атомом азота, принадлежащим остатку гистидина. Другая связь свободна и служит для связывания молекулы кислорода, как это показано в боковой проекции внизу права. В миоглобине и гемоглобине за эту свободную связь помимо молекулы О2 может конкурировать молекула окиси углерода (СО), которая образует с атомом железа в 200 раз более прочную связь, чем О . При отравлении угарным газом (окисью углерода) значительная часть гемоглобина переходит в форму карбоксигемоглобина, что препятствует переносу из легких в ткани.

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]

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]

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]

Очень существенную роль играет и проксимальный гистидин, взаимодействующий с гемом по шестому координационному месту железа. — азот имидазольного кольца служит ст-донором электронов и также участвует в стабилизации необходимого комплекса гема. Кроме того, под влиянием проксимального гистидина несколько ослабляется связь гема с Ог, что способствует обратимому связыванию кислорода. Описанные свойства проксимального гистидина относятся к транс-влияниям в комплексных соединениях. Эти эффекты играют большую роль в ферментативном катализе. Расположение проксимального и дистального гистидиновых остатков, так сильно изменяющие адсорбционные свойства гема, поддерживаются всей третичной структурой глобулы миоглобина, но при контакте свободных молекул ге-матина и гистидина в растворе этого не наблюдается. Этим обусловлена необходимость такой пространственной укладки полипептидной цепи миоглобина, которая и показана на рис. 16 и 18. [c.101]

Конструирование определенного биологического катализатора ведется с учетом как специфичности белка, так и каталитической активности металлоорганического комплекса. Вот примеры такой модификации, проведенной для получения полусинтетических биоорганических комплексов . Миоглобин кашалота способен связывать кислород, но не обладает биокаталитической активностью. В результате объединения этой биомолекулы с тремя электрон-переносящими комплексами, содержащими рутений, которые связываются с остатками гистидина на поверхности молекул белка, образуется комплекс, способный восстанавливать кислород при одновременном окислении ряда органических субстратов, например аскорбата, со скоростью-почти такой же, как для природной аскорбатоксидазы. В принципе белки можно модифицировать и другими способами. Рассмотрим, например, папаин. Он относится к числу хорошо изученных протеолитических ферментов, для которого определена трехмерная структура. Поблизости от остатка цистеина-25 на поверхности белковой молекулы располагается протяженный желобок, в котором протекает реакция протеолиза. Этот участок может быть алкилирован производным флавина без изменения доступности участка связывания потенциальных субстратов. Такие модифицированные флавопапаины использовались для окисления Ы-алкил-1,4-дигидроникотинамидов, и каталитическая активность некоторых из этих модифицированных белков была существенно выше, чем у природных флавопротеин-ЫАОН-дегидрогеназ. Таким образом удалось создать очень эффективный полусинтетический фермент. Использование флавинов с высокоактивными, находящимися в определенном положении элек-трон-оттягивающими заместителями, возможно, позволит разработать эффективные катализаторы для восстановления никотин-амида. [c.182]

В других белках ионы металла образуют комплекс с одной или несколькими группами лиганда, ассоциированного с белком. Иногда лиганд как бы изолирует атом металла. Наиболее изученный пример такого рода — гемсодержащие белки. В таких белках содержится четырехвалентный лиганд — порфириновое кольио. Комплекс порфирина с некоторыми металлами имеет два дополнительных места связывания, выше и ниже плоскости порфиринового кольца. В гемоглобине и миоглобине одно из этих мест занимает гистидин самого белка, тогда как другое остается свободным и может быть занято таким лигандом, как кислород (рис. 2.1,Г). Более сложные структуры содержатся в белках, связанных с ионами разных металлов. [c.62]

Замена проксимального или дистального гистидина в группе гема на тирозин приводит к стабилизации окисленной (ферри) формы гема, не способной к связыванию кислорода (рис. 5.16). В этом случае ионизированная боковая цепь тирозина образует комплекс с окисленным железом гема. Указанная замена может произойти как в а-, так и в -цепи. Действительно, были обнаружены все четыре мутантных варианта. Мутантные гемоглобины, у которых два гема в молекуле постоянно находятся в ферриформе, называют гемоглобином М. Буква М указывает, что мутировавшие цепи находятся в форме метгемоглобина (ферригемо-глобина). У людей с гемоглобином М обычно отмечается цианоз. Заболевание встречается только у гетерозиготных особей, поскольку гомозиготность по этому признаку почти всегда приводит к летальному исходу. [c.99]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология