ГЕМОГЛОБИН ПРОТИВ МИОГЛОБИНА ИЛИ ЗАЧЕМ БЕЛКУ ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Гемоглобин и миоглобин –это кислород-связывающие белки, которые содержат молекулы гема и обладают различным сродством к кислороду и характером его связывания.

Гемоглобин включает в себя четыре субъединицы, состоящих из полипептидных бета-цепей и является основным белком эритроцитов. Основное отличие гемоглобина в том, что он способен переносить и связывать кислород в местах, богатых им (в легких) и терять сродство к нему в местах, бедных им (в тканях).

В свою очередь, миоглобин – это мономерный белок, который обеспечивает запасание кислорода в мышечной ткани. Он должен жадно связывать его и постепенно отдавать в метаболизм мышц.

Из графика видно, что у гемоглобина происходит быстрое насыщение кислородом в узком диапазоне его концентраций. Причиной этому является четвертичная структура белка.

Ион железа в молекуле гемоглобина скоординирован не только атомами азота гема, но и атомами азота гистидина субъединиц белка. При связывании кислорода с ионом железа, одной из четырех субъединиц гемоглобина происходит “всплывание” комплекса железа и кислорода на поверхность молекулы. Остаток гистидина, связанный с железом, смещается за ним, что ведет к изменению конформации полипептидной цепи. Разрушаются солевые мостики (связи между СООН и NH2 группами аминокислот) между остатками гистидина и аспартата бета-цепи субъединицы.

Таким образом молекула гема субъединиц по мере насыщения кислородом, переходит из своего напряженного Т-состояния в менее напряженное R-состояние.

По мере увеличения концентрации кислорода, все четыре центра связывания в субъединицах гемоглобина постепенно захватывают молекулу кислорода. Насыщение первого центра связывания происходит медленнее всего. Скорость насыщения постепенно увеличивается, из-за того, что нужно разорвать уже меньше водородных связей и солевых мостиков, во время связывания кислорода с последующими субъединицами.

Этот эффект называют кооперативным, когда за счет наличия четвертичной структуры белка и взаимодействия между собой субъединиц гемоглобина происходит быстрое связывание кислорода и отдача его тканям, где наблюдается его недостаток. Это является очень важным свойством гемоглобина и позволяет ему быть транспортирующей молекулой.

Еще одно важное значение наличия четырех субъединиц в структуре белка и взаимодействия между ними–возможность осуществлять регуляцию связывания кислорода в условиях недостаточного его содержания в атмосфере. Такой молекулой - регулятором является 2,3 -бисфосфоглицерат, который встраивается между субъединицами гемоглобина в Т-состоянии и провоцирует образование новых солевых мостиков между остатками гистидина и лизина субъединиц белка, что приводит к стабилизации T-состояния и уменьшению связывания кислорода с гемоглобином и увеличению его отдачи тканям.

Этот процесс наблюдается при подъеме в гору, когда парциальное давление кислорода снижается и уменьшается его растворимость, что приводит к дефициту кислорода в организме (гипоксии). Молекула 2,3-бисфосфоглицерата навязывает гемоглобину Т-состояние в котором белок способен лишь отдавать кислород, нуждающимся в нем тканям и спасать их от гипоксии.

Регулятор 2,3-бисфосфоглицерат является промежуточным продуктом гликолиза, выделяется тогда, когда ткани находятся в переизбытке кислорода и гликолиз не идет до конца. Поэтому при большой концентрации кислорода идет ингибирование его связывания с гемоглобином, а при недостатке кислорода увеличивается его отдача.

Регуляция активности гемоглобина также осуществляется градиентом pH в тканях, то есть в тканях с дефицитом кислорода среда закисляется (увеличивается концентрация СО2 и других метаболитов). Изменение pH меняет заряды определенных аминокислот субъединиц гемоглобина и способствует изменению эффективности кооперативного сигнала, что позволяет быстро снизить сродство к кислороду и отдать его закисленным тканям.

Интересно, что у матери и плода строение цепей гемоглобина различается. У плода молекула гемоглобина содержит в своем составе не только бета-цепи, но и гамма-цепи полипептидов, у которых сродство к кислороду значительно выше. Поэтому эритроциты плода забирают много кислорода у матери во время пренатального периода, но после рождения состав гемоглобина меняется и он состоит только из бета-цепей.

Миоглобин, как мы уже поняли, не имеет четвертичной структуры, а состоит всего лишь из одной полипептидной бета-цепи. Хотя его сродство к кислороду выше чем у гемоглобина, его чувствительность к изменению концентрации растворенного кислорода ниже. Это свойство делает молекулу способной акцептировать, запасать и отдавать кислород тканям при критическом его недостатке. Поэтому больше всего миоглобина содержится в мышцах глубоководных рыб, вторичноводных животных, ныряющих млекопитающих, а также высокоактивных быстро двигающихся животных.

Таким образом, можно сказать что наличие четвертичной структуры гемоглобина позволяет регулировать активность этой молекулы, что непосредственно влияет на роль этого белка в метаболизме организма и делает его уникальным транспортером кислорода и углекислого газа в организме. В результате взаимодействия субъединиц гемоглобина между собой возникает кооперативный сигнал, благодаря которому белок быстро приобретает и теряет сродство к кислороду и углекислому газу. Воздействие на силу связей между субъединицами белка дает возможность регулировать активность насыщения гемоглобина, что помогает организму адаптироваться к условиям недостатка или переизбытка кислорода.