Динамические свойства глобулярных белков

Миоглобин (Мв) и гемоглобин (Нв) - обратимо связывают молекулярный кислород. Мв служит депо кислорода, запасая его для последующего потребления. Большие количества Мв содержатся в организмах китообразных, проводящих длительное время под водой. Нв - функциональный белок эритроцитов - переносит кислород от легких ко всем органам и тканям и участвует в обратном транспорте СО2.

Связывание О₂ и других лигандов этими белками вполне сходно со связыванием субстрата ферментом. Молекулярный кислород проникает в полость молекулы Мв или Нв, но в отличие от субстрата не подвергается химическому превращению.

Молекула Нв состоит из четырех субъединиц - две α-цепи, две - β-цепи. Каждая из субъединиц подобна, но не тождественна, молекуле Мв. Гемы Нв имеют плоскую структуру и лежат в отдельных карманах, немного выступая на поверхности молекулы. Атомы, входящие в состав гема Мв, имеют — плоскую структуру и лежат, погруженные в складку белковой цепи (глобина), Нв обладает кооперативными свойствами, - определяемыми так называемым гем - гем взаимодействием, Мв этих свойств лишен.

Присоединение О₂ и других лигандов к Мв и Нв происходит в группе гема. Лиганды насыщают шестую координационную валентность атома железа в теме. Образование этой химической связи вызывает ряд изменений в молекуле белка.

Гем представляет собой ферропротопорфирин. Атом железа, находящийся в двухвалентном состоянии, координационно связан с четырьмя атомами азота пирольных групп плоского порфиринового кольца.

Двухвалентный ион железа приобретает способность удерживать молекулу кислорода, когда он входит в состав гема и глобина. Один гем не присоединяет О2. Только специфическое окружение белками - глобином делает такое обратимое присоединение возможным.

Процесс обратимого присоединения молекулы кислорода называется оксигенацией. Процесс освобождения молекулы кислорода Мв и Нв называется дезоксигенацией.

При оксигенации ион железа в гемоглобине переходит в нулевое спиновое состояние (все шесть электронов попарно спарены) и смещается в плоскость порфиринового кольца. При освобождении молекулы кислорода ион железа выступает из плоскости порфиринового кольца на 0,08 нм в направлении азота гистидина и увеличивает свой спин до двух. В этом состоянии спины двух d-электронов спарены, а спины остальных четырех d-электронов параллельны.

Нв в составе эритроцитов переносит кислород от легких ко всем тканям и частично участвует в переносе углекислого газа. Если бы не было носителя кислорода - гема - в крови, то литр артериальной крови мог бы растворить и перенести не более миллилитра кислорода. Присутствие гемов увеличивает это количество примерно в сто раз.

Присоединение молекулы кислорода происходит в каждом из четырех гемов. Реакция присоединения кислорода сопровождается изменением цвета крови. Нв содержащий кислород, называют оксигемоглобином. Он придает крови ярко-алый цвет. Нв без кислорода имеет более темный цвет.

При присоединении к гему молекула кислорода образует шестую координационную связь с ионом железа. Одновременно изменяется структура молекулы Нв.

Окисление начинается с присоединения молекулы кислорода к иону железа одной из α -цепей. В порфириновом кольце расстояние от центра до атома азота равно 0,201 нм. В геме без кислорода расстояние от иона Fe до атома азота равно 0,206 нм. Поэтому ион железа выступает на 0,08 нм из плоскости порфиринового кольца.

Присоединение второй молекулы кислорода ко второй α -цепи вызывает дальнейшее конформационное изменение молекулы Нв, сводящееся к расширению полостей, в которых находятся гемы β -цепей. Вследствие этого возникает возможность присоединения ими молекулы кислорода.

Изменение четвертичной структуры молекулы гемоглобина после присоединения трех молекул кислорода увеличивает вероятность присоединения четвертой молекулы в 70 раз по сравнению с вероятностью присоединения первой молекулы. Это свойство молекулы Нв отражает взаимосвязь четырех ее структурных единиц. В результате такой взаимосвязи физиологическая активность молекулы Нв носит положительный кооперативный характер.