Сложные белки содержат небелковые компоненты

Многие белки в своем составе, помимо аминокислот, могут содержать и небелковые компоненты. Такие небелковые соединения в составе белков получили название простетических групп. В зависимости от химического состава простетической группы сложные белки можно разделить на несколько классов:

1. Хромопротеины. Это белки, простетическая группа которых имеет окраску. К ним относятся многие белки, содержащие металлы. Например, церулоплазмин - белок, содержащий медь, имеет синюю окраску. Белок, переносящий витамин B₁₂, имеет розовый цвет (этот витамин содержит кобальт в своем составе). Хорошо изучены белки, содержащие железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Они имеют красную окраску. Присутствие витамина B₂ придает белкам желтый цвет (флавопротеины).

2. Гликопротеины. Это белки, простетическая группа которых содержит углеводы. Гликопротеины - это небольшая часть белково-углеводных комплексов, к которым относятся также протеогликаны и мукопротеины. Этим белкам принадлежит важная роль в структурной организации клеток и тканей, они выполняют защитные функции. Основная часть внеклеточных белков - это гликопротеины.

3. Липопротеины. Это белки, простетическая группа которых содержит липиды. Они обеспечивают транспорт липидов в крови, являются компонентами биологических мембран.

4. Металлопротеины. Это белки, частично перекрывающиеся с хромопротеинами. Простетичская группа у них представлена металлами. Они транспортируют или участвуют в депонировании металлов (ферритин, трансферрин).

5. Нуклеопротеины. Простетическая группа у таких белков - нуклеиновая кислота. Различают дезоксирибонуклеопротеины (простетическая группа - ДНК) и рибонуклеопротеины (простетичесая группа - РНК). Им принадлежит важная роль в сохранении, передаче и реализации генетической информации.

6. Фосфопротеины. Белки, которые содержат в своем составе фосфорную кислоту, популярны в клетке потому, что процесс фосфорилирования является способом влияния на конформацию белка и поэтому используется в системах регуляции процессов жизнедеятельности.

Простетические группы соединяются разными типами связей. Так для нуклеопротеинов характерной является ионная связь, у гликопротеинов и фосфопротеинов преобладает ковалентная связь, у липопротеинов - силы гидрофобного взаимодействия, металлопротеинов - донорно-акцепторные связи.

В качестве примера особенности роли структуры в биологических функциях можно привести данные по двум белкам - миоглобине и гемоглобине. Они имеют некоторое структурное и функциональное сходство. Миоглобин и гемоглобин обладают простетичесой групой - гемом. Он, по химической структуре, является циклическим тетрапирролом и придает белкам красный цвет (рис.1.33). Тетрапирол состоит из 4-х пиррольных колец, соединенных в плоскую молекулу метиленовыми мостиками. Атом железа занимает центральное положение

Рис.1.33. Пространственное строение миоглобина человека

в этой плоской молекуле. Существуют и другие белки с тетрапиррольными структурами (цитохромы, каталаза и т.д). Железо в составе гема цитохромов способно менять свою валентность. Напротив, в гемоглобине и миоглобине изменение валентности нарушает их функцию. Главная функция этих белков - связывание кислорода.

Миоглобин - это сферическая молекула 4.5х3.5х2.5 нм, состоит из 153 аминокислот с общей молекулярной массой 17000. На уровне вторичной структуры он образует 8 a-спиральных участков, захватывающих почти 75% всех аминокислот молекулы. Атом железа в геме миоглобина, не связанном с кислородом, выступает из плоскости молекулы на 0.03 нм. В оксигенированной форме атом железа как бы погружается в плоскость молекулы гема.

Рис.1.34. Изменение ориентации гема в результате связывания кислорода (слева - дезоксигенированное состояние)

Образуя связь с одной из молекул гистидина глобиновой части, железо при соединении с кислородом изменяет и конформацию белковой части. Чем можно объяснить тот факт, что миоглобин удобен для хранения кислорода, но не удобен для транспорта его по крови? Ответ на этот вопрос можно получить, если познакомиться с графическим выражением процесса насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом в зависимости от парциального давления кислорода.

Рис. 1.35. Различия в насыщении кислородом миоглобина и гемоглобина в зависимости от его парциального давления

Кривая насыщения миоглобина кислородом представлена гиперболой (рис.1.35). В сосудах легких, где парциальное давление кислорода 100 мм Hg, миоглобин бы хорошо насыщался кислородом. Однако в венозной крови это давление составляет 40 мм Hg а в мыщцах - 20. В таких условиях миоглобин отдает довольно мало кислорода, поэтому он был бы недостаточно эффективен в транспорте кислорода от легких к тканям. Эту функцию успешно осуществляет гемоглобин.

В отличие от миоглобина гемоглобин - это белок с четвертичной структурой. Он состоит из 4-х попарно одинаковых полипептидных цепей. Эти цепи обозначаются буквами греческого алфавита a -, b -, g - и т. д. Тетрамеры пептидных цепей формируют молекулы,

обозначаемые буквами латинского алфавита. Основной гемоглобин взрослого здорового человека обозначается Hb A и состоит из двух a (141 аминокислота) и двух b (146 аминокислот) цепей.

Гемоглобин связывает 4 молекулы кислорода. Кривая насыщения гемоглобина кислородом в отличие от миоглобина имеет S-образный характер (рис.1.35, слева). Такой тип кривой показыает, что присоединение одной молекулы кислорода ускоряет присоединение последующих, что свидетельствует о кинетике кооперативного связывания. Сравнение зависимости насыщения от парциального давления кислорода показывает, что при парциальных давлениях кислорода, характерных для тканей, гемоглобин отдает значительные количества кислорода. Это позволяет придти к заключению о том, что гемоглобин - хорошее транспортное средство для переноса кислорода и обеспечении им тканей.

Подобно изменениям, отмеченным выше при описании механизма насыщения кислородом миоглобина, в гемоглобине также происходит перемещение атома железа в плоскость гема с одновременным изменением конформации полипептидной цепи. Однако гемоглобин - белок с четвертичной структурой, и отдельные его цепи связаны между собой. В результате изменения конформации передаются на область связи между полипептидными цепями, а это, в свою очередь, изменяет положение в пространстве всей молекулы и облегчает доступ кислорода к остальным гемам молекулы гемоглобина. Одновременно это изменение

Рис.1.36. Изменения конформации гемоглобина в результате связывания с кислородом

конформации сопровождается появлением на поверхности групп, которые, диссоциируя, отдают протоны в окружающую среду.

При понижении парциального давления кислорода события повторяются, но уже в обратном направлении: отдача кислорода идет по мере снижения парциального давления, гемоглобин переходит в другое конформационное состояние, при этом из окружающей среды (ткани), где высока концентрация протонов, последние присоединяются к гемоглобину.

Такие изменения конформации позволяют гемоглобину не только регулировать обеспечение кислородом тканей (подробней см. главу "Ферменты"), но и участвовать в поддержании кислотно-щелочного равновесия в организме.

Типы гемоглобинов человека. Ниже представлены основные типы гемоглобина, которые встречаются у человека в различные периоды его развития.

Таблица 1.2.

Структурные признаки гемоглобинов человека

Белок	Состав глобиновой цепи	Распространение
Гемоглобин А (Hb A)	a2b2	Основной тип гемоглобина у взрослых (95-98%)
Гемоглобин А2 (Hb A2)	a2d2	Минорный тип гемоглобина у взрослых (1,5-3,5%)
Гемоглобин F (Hb F)	a2g2	Основной тип гемоглобина у плода; у взрослых - 0,5-1%
Hb Гувер-1	z2e2	Эмбриональный гемоглобин
Hb Гувер-2	a2e2	Эмбриональный гемоглобин
Hb Портланд	z2g2	Эмбриональный гемоглобин

Во время внутриутробного развития плод получает кислород из крови матери через плаценту. Для обеспечения бесперебойного поступления кислорода таким путем кровь плода должна иметь большее сродство к кислороду, чем кровь матери. За счет чего это достигается?

У плода образуется Hb F, молекула которого также состоит из четырех субъединиц, двух - a и двух - g. Наиболее значительным отличием g-глобиновой субъединицы от b-глобиновой субъединицы является замещение остатка полярной заряженной аминокислоты Гис¹⁴³ в b-субъединице незаряженной аминокислотой Сер в g-субъединице. Это приводит к тому, что Hb F имеет более низкое сродство для аллостерического регулятора 2,3-бис-фосфоглицерата (см. главу "Обмен углеводов"), чем Hb A. Тем самым он обладает гораздо большим сродством к кислороду.

С другой стороны, изменения аминокислотного состава глобиновых субъединиц, возникающие в результате мутаций соответствующих генов, приводят к образованию патологических форм гемоглобина и развитию заболеваний - гемоглобинопатий.

Таблица 1.3.

Виды гемоглобинопатий

Эффект	Гемоглобин	Мутация	Последствия
Сниженное сродство к кислороду	Hb Канзас	Асн102b®Тре	Небольшой цианоз
Увеличенное сродство к кислороду	Hb Шеферда - Буша	Гли74b®Асп	Сниженное связывание бис-фосфоглице-рата; полицитемия
Окисленный гем	Hb М	Гис87a®Тир	Метгемоглобин; цианоз
Потеря (в результате нарушения связывания) гема	Hb Хаммерсмита	Фен42b®Сер	Нестабильная b-субъединица
Серповидные клетки	Hb S	Глю6b®Вал	Гемолитическая анемия
Диссоциация на димеры	Hb Бибба	Лей136a®Про	Нестабильный тетрамер
Нарушенный синтез	Hb Агнана	Вставка ТГ в 94 кодоне - образование b-субъединицы со 156 аминокислотами	Доминантная талассемия, анемия

Талассемические синдромы развиваются вследствие нефункционирующих глобиновых генов. При этом недостаточный синтез любой из субъединиц гемоглобина приводит к гемолитической анемии. Тяжесть этого состояния зависит от количества генов в аллельной паре, подвергшихся мутации. Различают b-талассемию, при которой снижен уровень b-глобина. В этом случае в качестве компенсаторной реакции в организме продолжается образование Hb F (a₂g₂). a-талассемия характеризуется сниженным уровнем образования a-глобина. Обычно это более тяжелое состояние, чем b-талассемия. Клинически проявления могут варьировать от средней и тяжелой анемии до мертворождения. Компенсаторно при a-талассемии образуется Hb H (b₄) и гемоглобин Барта (g₄). Надо отметить, что ни один из этих гемоглобинов не подвержен аллостерической регуляции и эффекту Бора; они оба остаются в R-конформационном состоянии (рис.1.36).

Серповидно-клеточная анемия возникает в результате точечной мутации гена b-глобина, которая приводит при его экспрессии к замене в шестом положении b-глобиновой полипептидной цепи Глю на Вал. Следовательно, у индивидуумов с HbS заменена полярная группа боковых цепей на внешней поверхности молекулы неполярной гидрофобной группой боковых цепей (неконсервативная мутация). За счет гидрофобного взаимодействия между этими неполярными радикалами валина HbS в его дезоксиконформации полимеризуется с другими молекулами дезокси HbS, приводя к осаждению гемоглобина в эритроцитах. Осаждение гемоглобина придает эритроциту форму серпа и неустойчивость, что приводит к ускорению гемолиза и изменению эластических свойств мембраны, необходимых во время кровообращения через маленькие капилляры. Такие эритроциты вызывают закупоривание капилляров.

Серповидно-клеточная анемия является наследуемым мультисистемным заболеванием, для которого характерны как физиологические, так и психосоциальные проявления. Различают три генотипа с различной клинической картиной проявления этого расстройства:

- У гомозигот (Hb SS) - тяжелая серповидно-клеточная анемия

- У гетерозигот (Hb AS) - слабо выражена клиническая симптоматика

- Смешаная форма серповидно-клеточного заболевания и b₄-талассемии. При ней наследуются два патологических типа гемоглобина. Для неё характерна благоприятная клиническая симптоматика. Гематологически тяжесть его обратно пропорциональна количеству Hb А. Последнее может колебаться от 3 до 25%.

Основные симптомами этого заболевания являются гемолитическая анемия и периодически проявляющийся болевой синдром. Интересно, что индивидуумы, гетерозиготные по HbS, устойчивы к паразиту малярии, который проводит часть своего жизненного цикла в эритроцитах. Это является фактором отбора гена HbS в малярийных регионах мира.

HbS открывается гель электрофорезом. Отсутствие Глу делает его менее кислым, чем гемоглобин А, поэтому он мигрирует не так быстро при электрофорезе. Возможна диагностика и генрекомбинантым методом.