Классификация сложных белков. Гемоглобин и миоглобин Миоглобин содержит железо как и гемоглобин

Миоглобин содержит небелковую часть (гем) и белковую часть (апомиоглобин).

Гем - молекула, имеющая структуру циклического тетрапиррола, где 4 пиррольных кольца соединены метиленовыми мостиками и содержат 4 метальные, 2 винильные и 2 пропионатные боковые цепи. Эта органическая часть тема называется протопорфирином. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX. В теме 4 атома азота пиррольных колец протопорфирина IX связаны четырьмя координационными связями с Fe 2+ , находящимся в центре молекулы (рис. 1-29).

Апомиоглобин - белковая часть миоглобина; первичная структура представлена последовательностью из 153 аминокислот, которые во вторичной структуре уложены в 8 ?-спиралей. ?-Спирали обозначают латинскими буквами от А до Н, начиная с N-конца полипептидной цепи, и содержат от 7 до 23 аминокислот. Для обозначения индивидуальных аминокислот в первичной структуре апомиоглобина используют либо написание их порядкового номера от N-конца (например, Гис 64 , Фен 138), либо букву?-спирали и порядковый номер данной аминокислоты в этой спирали, начиная с N-конца (например, Гис F 8).

Третичная структура имеет вид компактной глобулы (внутри практически нет свободного места), образованной за счёт петель и поворотов в области неспирализованных участков белка. Внутренняя часть молекулы почти целиком состоит из гидрофобных радикалов, за исключением двух остатков Гис, располагающихся в активном центре.

3.Связывание гема с апомиоглобтом

Гем - специфический лиганд апомиоглобина, присоединяющийся к белковой части в углублении

между двумя?-спиралями F и Е. Центр связывания с гемом образован преимущественно гидрофобными остатками аминокислот, окружающими гидрофобные пиррольные кольца тема. Две боковые группы пропионовых кислот, ионизированные при физиологических значениях рН, выступают на поверхности молекулы.

В активный центр апомиоглобина кроме гидрофобных аминокислот входят также 2 остатка Гис (Гис 64 и Гис 93 или Гис Е 7 и Гис F 8), играющие важную роль в функционировании белка. Они расположены по разные стороны от плоскости тема и входят в состав спиралей F и Е, между которыми располагается гем. Атом железа в теме может образовывать 6 координационных связей, 4 из которых удерживают Fe 2+ в центре протопорфирина IX (соединяя его с атомами азота пиррольных колец), а 5-я связь возникает между Fe 2+ и атомом азота имидазольного кольца Гис F 8 (рис. 1-30).

Гис Е 7 хотя и не связан с гемом, но необходим для правильной ориентации и присоединения другого лиганда - О 2 к миоглобину.

Аминокислотное окружение тема создаёт условия для довольно прочного, но обратимого связывания О 2 с Fe 2+ миоглобина. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие гем, препятствуют проникновению в центр связывания миоглобина воды и окислению Fe 2+ в Fe 3+ . Трёхвалентное железо в составе тема не способно присоединять О 2 .

Структура и функции гемоглобина

Гемоглобины - родственные белки, находящиеся в эритроцитах человека и позвоночных животных. Эти белки выполняют 2 важные функции:

перенос О 2 из лёгких к периферическим тканям;

участие в переносе СО 2 и протонов из периферических тканей в лёгкие для последующего выведения из организма.

Кровь ежедневно должна переносить из лёгких в ткани около 600 л,О 2 . Так как О 2 плохо растворим в воде, то практически весь кислород в крови связан с гемоглобином эритроцитов. От способности гемоглобина насыщаться О 2 в лёгких и относительно легко отдавать его в капиллярах тканей зависят количество получаемого тканями О 2 и интенсивность метаболизма. С другой стороны, О 2 - сильный окислитель, избыток поступления О 2 в ткани может привести к повреждению молекул и нарушению структуры и функций клеток. Поэтому важнейшая характеристика гемоглобина - его способность регулировать сродство к О 2 в зависимости от тканевых условий.

Гемоглобины, так же как миоглобин, относят к гемопротеинам, но они имеют четвертичную структуру (состоят из 4 полипептидных цепей), благодаря которой возникает возможность регуляции их функций.

Четвертичная структура гемоглобина

Четыре полипептидные цепи, соединённые вместе, образуют почти правильную форму шара, где каждая?-цепь контактирует с двумя?-цепями (рис. 1-32).

Так как в области контакта между? 1 - и? 1 -, а также между? 2 - и? 2 -цепями находится много гидрофобных радикалов, то между этими полипептидными цепями формируется сильное соединение за счёт возникновения в первую очередь гидрофобных, а также ионных и водородных связей. В результате образуются димеры? 1 ? 1 , и? 2 ? 2 . Между этими димерами в тетрамерной молекуле гемоглобина возникают в основном полярные (ионные и водородные) связи, поэтому при изменении рН среды в кислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. Кроме того, димеры способны легко перемещаться относительно друг друга. Так как поверхность протомеров неровная, полипептидные цепи в центральной области не могут плотно прилегать друг к другу, в результате в центре формируется "центральная полость", проходящая сквозь всю молекулу гемоглобина.

Кривые диссоциации О 2 для миоглобина и гемоглобина

Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации О 2 для миоглобина и гемоглобина (рис. 1-35).

Отношение занятых О 2 участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные белки О 2 при различных значениях парциального давления кислорода.

Кривая диссоциации О 2 для миоглобина имеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие опсторонние факторы (схема ниже).

.

Процессы образования и распада оксимиоглобина находятся в равновесии, и это равновесие смещается влево или вправо в зависимости от того, добавляется или удаляется кислород из системы. Миоглобин связывает кислород, который в капиллярах тканей высвобождает гемоглобин, и сам миоглобин может освобождать О 2 в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании О 2 в результате физической нагрузки.

Миоглобин имеет очень высокое сродство к О 2 . Даже при парциальном давлении О 2 , равном 1-2 мм рт. ст., миоглобин остаётся связанным с О 2 на 50%.

Кривая диссоциации О 2 для гемоглобина. видно, что гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О 2 ; полунасыщение гемоглобина О 2 наступает при более высоком давлении О 2 (около 26 мм рт. ст.). Кривая диссоциации для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О 2 отдают протомеры, тем легче идёт отщепление последующих молекул О 2 .

В капиллярах покоящихся мышц, где давление О 2 составляет около 40 мм рт. ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе давление О 2 в капиллярах мышц падает до 10-20 мм рт. ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт. ст.) располагается "крутая часть" S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

Следовательно, благодаря уникальной структуре каждый из рассмотренных белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин - присоединять О 2 , высвобождаемый гемоглобином, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин - присоединять О 2 в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать О 2 в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления О 2 .

3.4.2. К гемопротеинам относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидаза, каталаза. Эти белки содержат в качестве простетической группой гем .

По своему химическому строению гем представляет собой протопорфирин IX , связанный с двухвалентным железом. Протопорфирин IX - органическое соединение, относящееся к классу порфиринов. Протопорфирин IX содержит четыре замещённых пиррольных кольца, соединённых метиновыми мостиками =СН— . Заместителями в пиррольных кольцах являются: четыре метильные группы СН3 — , две винильные группы СН2 =СН— и два остатка пропионовой кислоты — СН2 —СН2 —СООН . Гем соединяется с белковой частью следующим образом. Неполярные группы. протопорфирина IX взаимодействуют с гидрофобными участками аминокислот при помощи гидрофобных связей. Кроме того, имеется координационная связь между атомом железа и имидазольным радикалом гистидина в белковой цепи. Ещё одна координационная связь атома железа может использоваться для связывания кислорода и других лигандов.

Присутствие в биологическом материале гемсодержащих белков обнаруживается при помощи бензидиновой пробы (при добавлении бензидина и пероксида водорода исследуемый раствор окрашивается в сине-зелёный цвет).

3.4.3. Сравните структуру и функцию миоглобина и гемоглобина, запомните характерные особенности каждого из этих белков.

Миоглобин - хромопротеин, присутствующий в мышечной ткани и обладающий большим сродством к кислороду. Молекулярная масса этого белка около 16000 Да, Молекула миоглобина имеет третичную структуру и представляет собой одну полипептидную цепь, соединённую с гемом. Миоглобин не обладает аллостерическими свойствами (см. 2.4.), кривая насыщения его кислородом имеет вид гиперболы (рисунок 4). Функция миоглобина заключается в создании в мышцах кислородного резерва, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку кислорода.

Гемоглобин (Hb) - хромопротеин, присутствующий в эритроцитах и участвующий в транспорте кислорода к тканям. Гемоглобин взрослых людей называется гемоглобином А (Hb A). Молекулярная масса его составляет около 65000 Да. Молекула Hb А имеет четвертичную структуру и включает четыре субъединицы - полипептидные цепи (обозначаемые α1 , α2 , β1 и β2 , каждая из которых связана с гемом.

Запомните, что гемоглобин относится к аллостерическим белкам, его молекулы могут обратимо переходить из одной конформации в другую. При этом изменяется сродство белка к лигандам. Конформация, обладающая наименьшим сродством к лиганду, называется напряжённой, или Т-конформацией. Конформация, обладающая наибольшим сродством к лиганду, называется релаксированной, или R-конформацией.

R- и Т-конформации молекулы гемоглобина находятся в состоянии динамического равновесия:

Различные факторы среды могут сдвигать это равновесие в ту или иную сторону. Аллостерическими регуляторами, влияющими на сродство Hb к O2 , являются: 1) кислород; 2) концентрация Н+ (рН среды); 3) углекислота (СO2 ) ; 4) 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) . Присоединение молекулы кислорода к одной из субъединиц гемоглобина способствует переходу напряжённой конформации в релаксированную и повышает сродство к кислороду других субъединиц той же молекулы гемоглобина. Это явление получило название кооперативного эффекта. Сложный характер связывания гемоглобина с кислородом отражает кривая насыщения гемоглобина O2 , имеющая S-образную форму (рисунок 3.1).

Миоглобин содержится в красных мышцах и участвует в запасании кислорода. В условиях кислородного голодания (например, при сильной физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТР (окислительное фосфорилирование; см. гл. 13).

Первичная структура и распределение аминокислот

Миоглобин состоит из единичной полипептидной цепи с мол. массой 17000; никаких особенностей в характере составляющих его 153 аминокислотных остатков не обнаруживается. При анализе же их пространственного распределения четко выявляется одна особенность: на поверхности молекулы находятся полярные остатки, а внутри структуры - неполярные; это свойство характерно для глобулярных белков. Остатки, содержащие одновременно и полярные, и неполярные группы (например, Thr, Тrр, расположены так, что неполярные группы ориентируются внутрь глобулы. Если не считать двух остатков гистидина, принимающих участие в связывании кислорода, то внутренние области миоглобина содержат только неполярные остатки (например, Leu, Val, Phe, Met).

Вторичная и третичная структура миоглобина

Как показывает рентгеноструктурный анализ, миоглобин представляет собой компактную, примерно сферическую молекулу размером 4,5 х 3,5 х 2,5 нм (рис. 6.3). Примерно 75% остатков образуют восемь правых а-спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Начиная с N-конца, спирали обозначают буквами от А до Н. Участки, соединяющие спирали, обозначают двумя буквами, указывающими соответствующие спирали. Индивидуальным остаткам присваивают букву, указывающую спираль, в которой они находятся, и порядковый номер, отсчитываемый от -конца спирали. Например, восьмой остаток в спирали F, им является гистидин. Остатки, далеко отстоящие друг от друга вдоль цепи (например, принадлежащие разным спиралям), могут быть пространственно сближены; например, довольно близко находятся остатки гистидина (проксимальный) и (дистальный) (рис. 6.3).

Ряд данных свидетельствует о том, что в растворе вторичная и третичная структуры миоглобина

Рис. 6.3. Модель молекулы миоглобина. Контуры - это очертания, наблюдаемые при низком разрешении. Изображены в основном только атомы а-углерода и гем. (Из статьи Dickerson R. Е. In: The Proteins, 2nd ed., Vol. 2. Neurath H. (editor). Academic Press, 1964, с любезного разрешения.)

близки к структуре кристаллического миоглобина. В обоих случаях наблюдаются практически идентичные спектры поглощения; кристаллический миоглобин связывает кислород; содержание а-спиралей в растворе, оцениваемое по дисперсии оптического вращения и круговому дихроизму, сходно с данными, полученными методом рентгеноструктурного анализа.

Влияние гема на конформацию миоглобина

При понижении pH до 3,5 образуется апомиоглобин (миоглобин, не содержащий гема), и содержание а-спиралей резко падает, а последующее добавление мочевины к апомиоглобину при нейтральном pH приводит к почти полному их исчезновению. Последующее удаление мочевины диализом и добавление гема полностью восстанавливает число а-спиралей, а добавление приводит к полному восстановлению биологической (кислородсвязываю-щей) активности. Таким образом, информация, содержащаяся в первичной структуре апомиоглобина, в присутствии гема однозначно детерминирует свертывание молекулы белка с образованием нативной, биологически активной конформации. Это важное положение распространяется и на другие белки: первичная структура белка определяет его вторичную и третичную структуру.

Пространственная ориентация атома железа, проксимального и дистального остатков гистидина в молекуле миоглобина

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 Пятое координационное положение атома железа занято атомом азота гетероциклического кольца проксимального гистидина Дистальный гистидин расположен по другую сторону гемового кольца, почти напротив но шестое координационное положение атома железа остается свободным (рис. 6.4).

Расположение атома железа

В неоксигенированном миоглобине атом железа на 0,03 нм выступает из плоскости кольца в направлении . В оксигенированном миоглобине атом кислорода занимает шестое координационное положение атома железа, а сам атом железа выступает из плоскости гема только на 0,01 нм. Таким образом, оксигенирование миоглобина сопровождается смещением атома железа и, следовательно, и ковалентно связанных с ним остатков в направлении плоскости кольца; в результате эта область белковой глобулы принимает новую конформацию.

Рис. 6.4. Положение молекулы кислорода в теме после ок-сигснирования. Изображены также имидазольные кольца двух важных остатков гистидина в глобиновой цепи, которые располагаются рядом с атомом железа. (Из работы Harper Н. A. et al., Physioldgische Chemie. Springer-Vcrlag, 1975, с любезного разрешения.)

Лиганды

Связь, образующаяся между атомом кислорода и атомом 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. 6.5).

Рис. 6.5. Предпочтительные ориентации молекул кислорода и окиси углерода, связанных с атомом железа изолированного гема (темные полоски).

Окись углерода (СО) связывается с изолированным гемом примерно в 25 000 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 02? Связано это со стерическими ограничениями, возникающими в миоглобине. Молекула СО, связываясь с гемом, стремится принять такую ориентацию, при которой все три атома (Fe, 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-02. Тем не менее небольшая часть молекул миоглобина (около 1%) в нормальных условиях связывает СО.

Кинетика оксигеиирования миоглобина

Почему миоглобин неспособен транспортировать кислород, но зато эффективно его запасает? Количество кислорода, связывающегося с миоглобином («процент насыщения»), зависит от концентрации кислорода в среде, непосредственно окружающей молекулу белка (эту концентрацию выражают как PQ - парциальное давление кислорода). Зависимость между количеством связанного кислорода и PQ можно представить графически в виде кривой насыщения миоглобина кислородом (кривой диссоциации кислорода). Для миоглобина изотерма адсорбции кислорода имеет форму гиперболы (рис. 6.7) в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом.

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

Рис. 6.7. Кривая насыщения миоглобина кислородом.

В венозной крови PQ равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце-около 20 мм рт. ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительной, и поэтому миоглобин не может служить средством его доставки от легких к периферическим тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, PQ в мышечной ткани может понизиться и до 5 мм рт. ст.; при столь низком давлении миоглобин легко отдает связанный кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТР в митохондриях мышечных клеток.

К дыхательным белкам относятся гемоглобин (Нb) – красный пигмент крови и миоглобин (Мgb) – красный пигмент мышц. Гемоглобин состоит из простого белка типа гистонов – глобина и 4-х гемов (простетическая группа). Глобин состоит из 2-х п/п альфа цепей и 2-х бета-цепей. Видовая специфичность гемоглобина обусловлена особенностями аминокислотного состава глобина. Например, в глобине человека нет иле. Глобин, соединяясь с гемом, превращает малорастворимую и инертную структуру в хорошо растворимую и активную форму, способную связывать кислород. В свою очередь гемы придают устойчивость большим молекулам глобина. Гем – производное порфирина, состоит из 4-х пиррольных колец, связанных в циклическую структуру метиновыми мостиками. Порфин с заместителями у бета- углерода называется порфирином. Различные порфирины различаются друг отдруга характером заместителей. Гемы гемоглобина у 1,3,5,8 атомов углерода содержат СН3 группу (метил), у 2,4 – винильные радикалы, у 6,7 – остатки пропионовых кислот. Соединяясь с ионом железа, порфирин образует гем. железо присоединяется к атомам азота II и IV колец ковалентными и к III и I колец нековалентными (координационными связями). Строение всех 4-х гемов идентичное – показать на табл или пленке и дать списать. Каждый гем соединен с одной п/п цепью (альфа или бета) двумя координационными связями иона железа с имидазольными кольцами гистидинов. Одна из этих связей постоянна, а другая разрывается, когда к гемоглобину присоединяется кислород. В 1957 году биохимики Д.Кендрью и М.Перутц получили Нобелевскую премию за расшифровку строения молекулы гемоглобина. Во время развития организма гемоглобин претерпевает определенные изменения: на ранних стадиях у эмбриона содержится эмбриональный гемоглобин Е, который после 3-4 месяцев развития заменяется фетальным F, содержащим 2 альфа и 2 гамма цепи. Кровь новорожденного содержит 80% фетального гемоглобина, но к концу первого года жизни он почти полностью заменяется на гемоглобин А. В крови взрослого человека все же присутствует 1,5% фетального гемоглобина. Он имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослого организма – гемоглобин А и обеспечивает снабжение плода кислородом при меньшем его парциальном давлении. В дополнение к основному гемоглобину взрослого человека А1, имеется гемоглобин А2, молекула которого состоит из 2 альфа цепей и 2 сигма цепей. На долю гемоглобина А2 приходится 2,5% от всего гемоглобина. Роль гемоглобина. Гемоглобин – основной белок эритроцитов. В 1-ом эритроците содержится 340 млн молекул гемоглобина, каждая из которых состоит из 10 3 атомов С, Н, О, N, S и 4 атомов железа. Основная роль – перенос кислорода от легких к тканям (оксигенация – показать на доске) и углекислого газа от тканей к легким. Гемоглобин образует буферные системы, которые участвуют в поддержании КОС. При распаде гемоглобина образуются пигменты кала, мочи ижелчи. Гемоглобин участвует в обезвреживании оксида азота, который может присоединяться к нему и образовывать нитрозгемоглобин. Молекула миоглобина состоит из 1-го гема и 1-ой п/п цепи (из 153 аминокислот). Гем миоглобина такой же как у гемоглобина. Роль миоглобина – транспорт кислорода от оксигемоглобина к ферментам дыхательной цепи в клетке – показать на доске реакцию. Содержится, в основном, в цитоплазме мышечных клеток. Также служит в качестве депо кислорода. Миоглобина больше в натренированных мышцах – у диких животных, особенно у ныряющих – кашалота, тюленей (например, у зайца больше, чем у кролика). Миоглобин специфический белок мышц, поэтому его появление вы сыворотке крови говорит о поражении мышечной ткани (заболевания мышц, инфаркт миокарда). Дыхательные ферменты. Это биологические катализаторы, ускоряющие ход ОВР в клетках и тканях. это сложные белки, среди них различают гемсодержащие (Цх, каталаза, пероксидазы) и негемовые (флавиновые ферменты). У первых простетической группой являются гемы различного строения, а у вторых – производные витамина В2 (рибофлавина). К группе ХП относятся также белки-пигменты, которые состоят из продукта окисления тирозина – меланина и простого белка. Это пигменты коричневого и черного цвета, содержатся в волосах, коже, сетчатке глаз. От их количества зависит окраска этих органов.

Особые свойства молекулы гемоглобина, которые делают его столь эффективным переносчиком кислорода в крови, легче всего уяснить из сравнения миоглобина и гемоглобина в отношении их сродства к кислороду. На рис. 8-16 показаны кривые насыщения кислородом для гемоглобина и миоглобина, характеризующие степень насыщения этих белков кислородом (т.е. отношение числа участков молекулы, связывающих кислород, к общему числу участков, способных к такому связыванию) в зависимости от парциального давления газообразного кислорода, находящегося в равновесии с раствором белка.

Рис. 8-15. Фоток рафия нормальных эритроцитов человека, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Прежде всего из графика ясно, что миоглобин имеет очень высокое сродство к кислороду: при парциальном давлении кислорода, равном всего лишь 1-2 мм рт. ст., он уже на 50% насыщен кислородом. Кроме того, мы видим, что кривая насыщения миоглобина кислородом имеет вид простой гиперболы, как и следует ожидать из закона действующих масс применительно к равновесной реакции:

При парциальном давлении кислорода, равном 20 мм рт. ст., миоглобин оказывается насыщенным кислородом более чем на 95%. В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду; кроме того, кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сигмоидную, т.е. S-образную, форму (рис. 8-16). Это означает, что при связывании первой молекулы кислорода (нижняя часть S-образной кривой, соответствующая парциальным давлениям кислорода ниже 10 мм рт. ст.), гемоглобин имеет очень низкое сродство к кислороду, тогда как при связывании следующих молекул кислорода его сродство к ним становится намного выше, о чем свидетельствует крутая часть -образной кривой.

Рис. 8-16. Кривые насыщения кислородом для миог лобина и гемоглобина. Миоглобин обладает намного более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин. 50%-ное насыщение миоглобина кислородом достигается уже тогда, когда парциальное давление О, составляет всего 1 -2 мм рт. ст., тогда как для гемоглобина такое насыщение кислородом наступает лишь при парциальном давлении кислорода около 26 мм рт. ст. Обратите внимание, что в артериальной крови, вытекающей из легких (при парциальном давлении кислорода около 100 мм рт. ст.) оба белка - и миоглобин и гемоглобин - насыщены кислородом более чем на 95 %„ тогда как в покоящейся мыщце, где парциальное давление кислорода равно 40 мм рт. ст., гемоглобин насыщен кислородом лишь на 75%, а в работающей мышце при парциальном давлении кислорода всего около 10 мм рт. ст. только на 10%. Таким образом, гемоглобин очень эффективно отдает свой кислород в мышцах и других периферических тканях. Что же касается миоглобина, то при парциальном давлении кислорода, равном всего 10 мм рт. ст„ он все еще остается насыщенным кислородом почти на 90% и поэтому даже при столь низких парциальных давлениях кислорода отдает очень малую часть связанного с ним кислорода. Таким образом, сигмоидная кривая насыщения гемоглобина кислородом является результатом молекулярной адаптации гемоглобина к выполнению им транспортной функции в составе эритроцитов.

Фактически после связывания первой молекулы кислорода сродство повышается почти в 500 раз. Таким образом, четыре гемсодержащие полипептидные субъединицы гемоглобина различаются по степени их сродства к кислороду и зависят друг от друга в процессе его связывания.

Как только первая гемсодержащая полипептидная субъединица свяжет молекулу кислорода, она передает информацию об этом остальным субъединицам, у которых сразу же резко повышается сродство к кислороду. Такой обмен информацией между четырьмя гемсодержащими полипептидными субъединицами гемоглобина обусловлен кооперативным взаимодействием между субъединицами. Поскольку связывание первой молекулы кислорода одной из субъединиц гемоглобина увеличивает вероятность связывания следующих молекул кислорода остальными субъединицами, мы говорим, что гемоглобин имеет положительную кооперативностъ. Для положительной кооперативности характерны сигмоидные кривые связывания, подобные кривой насыщения гемоглобина кислородом. При связывании кислорода миоглобином, содержащим одну гемогруппу, молекула белка может присоединить только одну молекулу кислорода; в этом случае кооперативного связывания не наблюдается и кривая насыщения имеет вид простой гиперболы. Теперь мы понимаем. почему миоглобин и гемоглобин столь сильно различаются между собой по кислород-связывающей способности.

Мы будем использовать термин лиганд для обозначения специфической молекулы, связывающейся с белком; это может быть, например, молекула кислорода, если речь идет о гемоглобине (слово «лиганд» происходит от латинского слова, которое переводится как «связывать», «присоединять» и буквально означает «то, что присоединяется»). Многие другие олигомерные белки тоже имеют по нескольку лиганд-связывающих центров и, подобно гемоглобину, проявляют положительную кооперативность. Однако есть олигомерные белки, проявляющие отрицательную кооперативность: в этом случае связывание одной молекулы лиганда уменьшает вероятность связывания других молекул лиганда.