Замещение аминокислот в гемоглобине

Аномальные гемоглобины, различающиеся по форме, химическому составу и величине заряда, были вьщелены при помощи электрофореза и хроматографии. Передающиеся по наследству изменения чаще всего являются результатом мутации единственного триплета, приводящей к замене одной какой-либо аминокислоты в полипептидных цепях молекулы гемоглобина на другую. В большинстве случаев происходит замена кислой аминокислоты на основную 1ши нейтральную (табл. 2.1). Поскольку это замещение осуществляется в обеих полипептидных цепях одной из пар (а 1ШИ 3), образовавшийся аномальный гемоглобин будет отличаться от нормального величиной заряда и соответственно электрофоретической подвижностью. [c.82]

Тонкие различия в первичной структуре родственных белков часто удается выявить методом отпечатков пальцев . Метод этот состоит в том, что белок подвергают частичному перевариванию с помощью одного или нескольких протеолитических ферментов, а затем разделяют продукты гидролиза и идентифицируют их, пользуясь для этого либо электрофорезом, либо хроматографией на бумаге. На фиг. 32 приведены полученные таким способом отпечатки пальцев , или пептидные карты , нормального и аномального гемоглобинов. Детальное изучение этих пептидных карт показывает, что все пептидные пятна, за исключением одного, идентичны. Таким способом генетически измененный структурный элемент выявляется очень легко, и для установления природы структурного изменения нет надобности устанавливать полную аминокислотную последовательность всей молекулы. Действительно, в ряде случаев весьма определенные указания относительно природы имеющегося замещения можно получить просто исходя из результатов анализа аминокислотного состава соответствующих пептидов, выделенных из двух белков. Но, конечно, однозначные доказательства замены одной аминокислоты на другую получают только после установления аминокислотной последовательности анализируемых пептидов. [c.96]

Здесь для сравнения приведены две другие аномальные формы гемоглобина, С и О.) Можно видеть, что гемоглобин 5 отличается от гемоглобина А лишь тем, что в одной из цепей один из остатков глутаминовой кислоты замещен в нем на валин. Благодаря этому замещению возникает различие в один заряд на одну половину молекулы. Почему это различие приводит к столь большому различию растворимостей, наблюдаемому в эксперименте, пока не ясно. В гемоглобине С тот же остаток глутаминовой кислоты замещен положительно заряженным остатком лизина. Таким образом, в трипсиновом гидролизате НЬС имеется пептид, обладающий противоположным зарядом по сравнению с соответствующим пептидом в гидролизате НЬА. Гены, определяющие гемоглобины А, 5 и С, аллельны между собой. Что касается гемоглобина О, то генетики установили, что он неаллелен с остальными тремя. Интересно, что в НЬО замещен аминокислотный остаток, соседний с тем, который замещается в гемоглобинах 5 и С. С помощью электрофореза, чувствительного в первую очередь к различиям в зарядах, был обнаружен также ряд других аномальных гемоглобинов. Детально описать ЭТИ различия можно будет лишь после того, как будет установлена последовательность аминокислот в каждом из исследуемых гемоглобинов. Замещение одной аминокислоты на другую может и не привести к изменению функции гемоглобина, т. е. иметь лишь генетическое, а не физиологическое значение. По-видимому, в случае НЬО дело обстоит именно так. [c.224]

Расположение, или последовательность, аминокислот вдоль белковой цепи определяет первичную структуру белка. Первичная структура ответственна за неповторимую индивидуальность белка. Замена хотя бы одной аминокислоты может привести к изменению биохимических свойств белка. Например, серповидноклеточная анемия представляет собой генетическое (наследственное) заболевание, вызываемое единственной ошибкой в построении белковой цепи гемоглобина. Эта белковая цепь содержит 146 аминокислот. Первые семь аминокислот в нормальной цепи-валин, гистидин, лейцин, треонин, пролин, глутаминовая кислота и снова глутаминовая кислота. У человека, страдающего серповидноклеточной анемией, шестая аминокислота в этой цепи-валин, а не глутаминовая кислота. Замещение всего одной аминокислоты с кислотной функциональной группой в боковой цепи на аминокислоту с углеводородной боковой цепью настолько изменяет растворимость гемоглобина, что в конечном итоге приводит к нарушению нормального кровообращения (см. также разд. 12.8, ч. 1). [c.448]

Так, например, была определена структура НЬ S, имеющего большую электрофоретическую подвижность, чем НЬ А, и отличающегося от НЬ А тем, что у него в положении 6 р-цепи глутаминовая мислота заменена валином формула этого гемоглобина а р . В НЬ G (afP ) глутаминовая кислота в положении 7 заменена глицином в НЬ Е глутаминовая кислота в положении 26 — лизином в НЬ Цюрих (а Р ) гистидин в положении 63 — аргинином. Возможны замещения аминокислот и в а-цепи. [c.132]

Метод изоморфного замещения. Впервые метод изоморфного замещения — еще более эффективный, чем метод тяжелого атома, — был применен Перутцем в 1954 г. при исследовании гемоглобина. В течение четырех последующих лет с помощью этого метода удалось установить контуры полипептидной цепи в мио-глобине, а еще через 6 лет были описаны многие детали строения этой молекулы, в частности установлена последовательность аминокислот на больших участках полипептидной цепи. Эти результаты рассмотрены в конце настоящей главы. [c.260]

Биохимические методы позволяют дать более точную оценку количества изменений некоторых частей фенотипа и генотипа данной группы. Так можно исследовать какой-нибудь гомологичный белок, например гемоглобин, в пределах данной разнообразной естественной группы, с тем чтобы выявить черты сходства и различия в последовательности аминокислот. При таком исследовании выявляется число замещений аминокислот, происходивших в процессе возникновения разнообразия в данной группе. И это в сочетании с другими данными, касающимися фактора времени, позволяет дать оценку скорости молекулярной эволюции в исследуемой группе (см. гл. 29). [c.269]

В гемоглобине Е остаток глутаминово кислоты в положении 9 этого пептида замещен на лизин. На основании состояния исследований на 1961 г. можно с уверенностью утверждать, что проблема установления последовательности аминокислот даже в сложных белках будет разрешена при помощи известных методов (см. также Рибонуклеаза , стр. 439). [c.433]

В дальнейшем было изучено большое число аномальных гемоглобинов и отмечено много случаев замещения какой-нибудь одной из аминокислот (фиг. 31). [c.96]

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]

Затем эта т-РНК, связанная с аланином, была помещена в систему, синтезирующую гемоглобин (система содержала и-РНК, специфичную для гемоглобина). После анализа образовавшихся полипептидных цепей гемоглобина было найдено, что цистеин в них замещен на аланин. Следовательно, рибосомальная РНК в определении последовательности аминокислот в белке ие участвовала. [c.689]

Мутации в организмах могут часто приводить к изменения в строении определенных белков, не влияющим на активный центр молекулы. Напомним мутантные формы гемоглобина у человека, отличающиеся от нормального гемоглобина 1—2 замещениями аминокислот в цепях. При этом многие важные свойства мутантных гемоглобинов могут сильно изменяться по сравнению с нормальным (например, растворимость, электрохимические свойства), но константа связывания молекулярногб кислорода гемоглобином при этом остается точно такой же, как у нормального гемоглобина. У изученных бактериальных ферментов известно множество мутантных форм, отличающихся, как правило, заменой одпого аминокислотного звена в цепи. Многие из белков-мутантов не отличаются по ферментативной активности от белка дикого типа. С другой стороны, наблюдаются и такие мутанты, которые вовсе лишен активности, и такие, у которых каталитические свойства существенно изменены. [c.153]

Перутц и др. [32] показали, что гемоглобин 5 из красных кровяных телец больных так называемой серповидно-клеточной анемией является жидкокристаллическим. Эти молекулы отличаются от нормального гемоглобина А замещением лишь одной аминокислоты в последовательности 3-цепи белка. При деоксигенацип этого небольшого отличия оказывается достаточным, чтобы осуществилась самоорганизация молекул гемоглобина в микроскопические трубочки, тогда как молекулы нормального гемоглобина имеют глобулярное строение. Мезогенное поведение микротрубочек приводит к холестерической геометрии [4]. С помощью электронного микроскопа обнаружены ряды параллельных дуг [33], которые, как мы покажем ниже, соответствуют холестерической организа ции. [c.279]

Гемоглобин 8 (появляющийся при болезни, называемой сиклемией) отличается от гемоглобина А тем, что остаток глутамина в положении 6 цепи р замещен на валин. В гемоглобине С, возникающем нри другой болезни, тот же аминокислотный остаток замещен на лизин. В гемоглобине Сг остаток глутаминовой кислоты в положении 7 той же цепи замещен на гликоколь. Гемоглобин Е отличается от гемоглобина А тем, что оп содержит другой аминокислотный остаток в более удаленном положении, а именно в одном из пептидов, образующихся при гидролизе гемоглобина А трипсином, наблюдается следующая последовательность аминокислот [c.433]

Кендрью и его коллеги применили метод изоморфного замещения для изучения структуры миоглобина, гораздо более простого аналога молекулы гемоглобина. В миоглобин входит 153 аминокислоты и I гем, а его молекулярный вес составляет примерно 17 ООО. Применяя метод подбора, Кендрью с сотрудниками получил несколько годных для изучения изоморфных производных мио-глобина. Некоторые из них включали производные -хлормеркур-бензолсульфоната, хлористого золота и диаминртути, а также комплекса с иодистой ртутью. Вначале анализ пространственной структуры миоглобина был проведен при разрешении 6 А. [c.238]

Особенно хорошо изучен в настоящее время патологический HbS, входящий в состав эритроцитов при так называемой серповидноклеточной анемии — заболевании, распространенном в малярийном поясе тропических стран. HbS благодаря своей плохой растворимости легко вьшадает в осадок в содержимом эритроцита и, деформируя красную кровяную клетку, придает ей характерную серповидную форму. HbS обладает меньшим сродством к кислороду, чем и объясняется при замещении им большого количества НЬА возникновение у людей анемии. В то же время следует заметить, что люди, в крови которых содержится HbS, невосприимчивы к малярии. HbS отличается от обычного НЬА (А — adultus, взрослый) по своей электрофоретической подвижности и по аминокислотному составу, причем изменение аминокислотного состава касается только двух остатков глютаминовой кислоты примерно из 600 аминокислот, входящих в состав молекулы гемоглобина. В HbS в двух полипептидных цепочках Р (стр. 64—65) вместо остатка глютаминовой кислоты находится валин. Ниже приводится строение фрагмента полипептидной цепочки гемоглобина А и соответствующего фрагмента этой же цепочки гемоглобина S [c.474]

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]

Порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидных цепях (называемый первичной структурой) впервые был установлен для белка инсулина. Молекула инсулина имеет молекулярный вес около 12 ООО. Она состоит из двух полипептидных цепей, причем одна цепь содержит 21 аминокислотный остаток, а другая 30. Последовательность аминокислотных остатков в короткой и длинной цепях была установлена в период 1945—1952 гг. английским биохимиком Ф. Сейджером (1918) и его сотрудниками. Две цепи в молекуле инсулина соединены между собой связями сера — сера, расположенными между половинами цистиновых остатков (табл. 24.1). В настоящее время последовательность аминокислотных остатков установлена методом Сейджера для альфа- и бета-цепей нормального гемоглобина взрослого человека и для многих других белков. Последовательность чередования аминокислот в бета-цепи гемоглобина А человека (146 аминокислотных остатков) можно записать следующим образом (концевая аминогруппа, или N-тepминaльнaя группа) Вал-Гис-Лей-Тре--Про-Глу- Гл у-Лиз-Сер-Ал а-В а л-Тре-Ал а -Л ей-Три -Гли- Л из -Вал - Асн-В ал--Асп-Глу-Вал-Гли-Гли-Глу-Ала-Лей-Гли-Арг-Лей-Лей-Вал-Вал-Тир-Про--Три-Тре-Глн- Арг-Фен-Фен -Глу-Сер-Фен -Гли-Асп -Лей-Сер-Тре-Про- Асп--Ал а-В ал -Мет-Гли -Асн-Про-Лиз-В ал - Лиз-Ал а-Гис-Гли-Лиз-Лиз-В ал-Лей--Гли-Ал а -Фен-Сер-Асп -Гли -Л ей-Ал а -Гис-Л ей-Асп -Асп -Л ей-Лиз-Гли-Тре--Фен-Ала-Тре-Лей-Сер-Глу-Лей-Гис-Цис-Асп-Лиз-Лей-Гис-Вал-Асп-Про--Глу-Асн-Фен -Арг-Л е й-Л ей-Гли-Асн -В ал -Лей-В ал-Цис-Вал-Л ей-Ал а-Гис--Гис-Фен-Гли-Лиз-Глу-Фен-Тре-Про-Про-Вал-Глн-Ала-Ала-Тир-Глн-Лиз--Вал-Вал-Ала-Гли-Вал-Ала-Асн-Ала-Лей-Ала-Гис-Лиз-Тир-Гис (концевая карбоксильная группа, или С-терминальная группа). Такая последовательность для альфа-цепи (141 остаток) в известной мере аналогична чередованию аминокислот в бета-цепи примерно 75 аминокислотных остатков занимают по существу те же места в цепях. Альфа-цепь гемоглобина гориллы отличается от аналогичной цепи гемоглобина человека тем, что в двух случаях аминокислотные остатки оказываются взаимозамещенными, а бета-цепи этих белков отличаются лишь одним замещением. Различие между гемоглобином лошади и гемоглобином человека заключается приблизительно в 18 замещениях в каждой цепи. Эти наблюдения и множество других такого рода данных для различных белков служат очень веским независимым доказательством теории эволюционного развития. [c.681]

Гемоглобинопатии. Структурные аномалии гемоглобина, приводящие к клиническим признакам болезни, называют гемоглобинопатиями. При этом изменяется одно из трех свойств гемоглобина растворимость сродство к кислороду устойчивость к денатурации. Изменение растворимости наблюдается при серповидноклеточной анемии эритроциты содержат НЬ8, у которого в Р-цепи в 6-м положении вместо глутаминовой кислоты находится валин. Такое замещение полярного радикала на неполярный приводит к резкому снижению растворимости дезоксигемоглобина 8. В результате образуется волокнистый осадок, который деформирует эритроцит, придавая ему форму серпа (полумесяца). Такие эритроциты быстро разрушаются, возникает гемолитическая анемия. Последняя бывает только у гомозигот, у гетерозигот течение бессимптомное. Эта мутация имела приспособительное значение в регионах распространения малярии. Люди оказались более устойчивыми к заболеванию, так как в быстро разрушающихся эритроцитах нет условий для развития малярийного плазмодия. Мутации, приводящие к замене аминокислот вблизи гема, вызывают нарушение связывания кислорода. [c.434]

Серповидноклеточная анемия представляет собой генетическое заболевание человека, при котором нарушается способность р-цепи гемоглобина к переносу кислорода. Оно обусловлено единичной мутацией, вызывающей замену в нормальной молекуле гемоглобина глутаминовой кислоты в положении 6 аминокислотой ва-лином. Глутаминовая кислота кодируется триплетами ГАА и ГАГ (Г —гуанин. А —аденин, см. гл. 4), а валин — триплетами ГУА и ГУГ (У — урацил) таким образом, изменение лишь в одной молекуле, т. е. замещение аденина тимином в молекуле ДНК, вызывает такие изменения в процессах роста и развития, что человек, унаследовавший эту молекулу от обоих родителей, умирает в раннем возрасте от серповидноклеточной анемии. [c.244]

Варианты гемоглобинов. Варианты гемоглобина возникают вследствие различных мутационных событий в конкретном глоби-новом гене. Чаще всего разные варианты гемоглобина отличаются друг от друга одной аминокислотой в глобиновой цепи. Описано около 350 таких единичных замен [119]. Эти аминокислотные замены вызываются замещением всего одного нуклеотида в триплете. Например, при замене GUA и GAA смысл кодона меняется и место валина в глобиновой цепи занимает глутаминовая кислота (рис. 4.45). Если новая аминокислота отличается от исходной по заряду, измененный гемоглобин будет аномальным по электрофоретическим свойствам. Мутации, которые не влияют на заряд полипептида, обычно удается обнаружить [c.80]

Аминокислотные последовательности белков [51, 81]. Одним из основных достижений биохимии явилось определение аминокислотных последовательностей белков. Гомологичность аминокислотных последовательностей родственных белков стала очевидной вскоре после того, как в конце 1950-х и начале 1960-х гг. были разработаны методы секвенирования. С помощью этих методов была выявлена гомологичность разных, но функционально родственных белков одного и того же вида. По некоторым позициям эти последовательности, как правило, демонстрировали идентичность, а по другим различались. Из результатов изучения ряда вариантов гемоглобина человека в то время бьшо уже известно, что точковые мутации обычно приводят к замещению одной отдельной аминокислоты в полипептидной цепи. В ходе расшифровки генетического кода было показано, что такие замены вызываются замещением одного-единственного основания, происходапцим при транскрибировании цепи ДНК. Это открытие стимулировало выяснение эволюционных взаимосвязей между видами путем сравнения числа различий в аминокислотных последовательностях их гомологичных белков. В таких работах строились филогенетические деревья, которые могли сопоставляться с соответствующими схемами, полученными на основе классических палеонтологических и морфологических данных. Методы построения этих деревьев описаны многими авторами [51 1919 1921 1954]. [c.17]

Неоклассическую гипотезу нельзя опровергнуть, низвергая нейтралистское пугало, которое мы сами воздвигли. Так, например, демонстрация того, что замещения отдельных аминокислот приводят в некоторых случаях к резким физиологическим различиям, ни о чем еще не говорит. Диапазон влияний таких замещений можно проиллюстрировать на примере гемоглобина человека. Из 59 вариантов а- и р-цепей, перечисленных Харрисом (1970), для 43 не обнаружено никакого физиологического действия на организм, по крайней мере в гетерозиготном состоянии 5 вызывают метгемоглобинемии, так как замещения происходят вблизи участка, где находится железо гема, и 11 вызывают нестабильность гемоглобина, в результате которой возникает гемолитическая анемия различной степени тяжести. Хотя большая часть вариантов последней группы образуется в результате замещения незаряженных аминокислот внутри трехмерной структуры также незаряженными, два из них вызваны изменением заряда в положении 6 на поверхности молекулы. В одном случае замещение глутаминовой кислоты (—) лизином ( + ) приводит к появлению гемоглобина С, а в другом— замещение ее валином (0) приводит к образованию знаменитого гемоглобина 5, обусловливающего серповидноклеточную анемию (Перутц и Леман, 1968). [c.203]

Замещение дистального His-63 на аргинин в р субъединице гемоглобина в отличии от вышеприведенного случая увеличивает его сродство к кислороду [Winterhalter, 1969] вследствие того, что аргинин больше по объему, чем тирозин, и не может расположиться в лигандном кармане [Perutz, Lehmann, 1968]. Это тоже является важным обстоятельством, поскольку расстояние между функциональными группами в области активного центра белка определяется геометрией расположения всех аминокислотных остатков полипептидной цепи, и поэтому замена даже одной аминокислоты приводит к резкому нарушению расположения функционально важных остатков относительно друг друга. Это, в свою очередь, нарушает конформацию активного центра белка и из- [c.12]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология