иогенных системах [Trost, Wallace, 1994]. Поэтому выявление общих закономерностей в строении активных центров и механизмов действия гемсодержащих белков поможет понять специфику их действия и, в частности, механизм действия пероксидазы и других гембелков в составе антиоксидантной системы.

1.2. ТОПОГРАФИЯ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ГЕМСОДЕРЖАЩИХ БЕЛКОВ

Строение активных центров гемсодержащих белков предопределяется уникальным расположением аминокислотных остатков в области активного центра, что обеспечивает возможность выполнять присущие им функции [Пратт, 1978]. Гемоглобин, миогло-бин, каталазу, пероксидазу и цитохром с пероксидазой объединяет то, что каталитически активной группой у них является протопор-фирин IX, содержащий Fe2+ или Fe3+, а также схожее лигандное окружение вблизи гема. Гемоглобин (Нв) и миоглобин (Мв) не яв-

9

Глава!

ляются ферментами, а осуществляют транспорт кислорода и обратный транспорт СОг Связывание 02 и СО этими белками сходно со связыванием этих субстратов ферропероксидазой [Yamada, Yamazaki, 1975], т.е. с фермент-субстратным связыванием, а фер-ригемоглобин образует комплекс с цианидом, спектрально сходный с комплексом феррипероксидазы с цианидом [Ком, 1978]. Отличительной особенностью Мв и Нв является то, что эти гем-белки связывают кислород, не подвергая его химическому превращению, а образуют устойчивый комплекс, в котором 02 занимает шестое координационное положение. Миоглобин отличается от гемоглобина тем, что первый является мономерным белком [Padlan, Love, 1971], тогда как Нв состоит из четырех субъединиц (двух а и двух Р). Субъединицы Нв имеют сходную с Мв третичную структуру, но различаются по сродству к кислороду, что, вероятно, связано с различием в строении белковой части активных центров этих гембелков. Миоглобин и каждая субъединица гемоглобина содержат один гем. Атом железа в оксигемогло-бине расположен в плоскости порфиринового кольца, а в высокоспиновом дезоксигемоглобине — выступает на 0,8 А в направлении белкового лиганда, и координационное число его равно пяти. Гем расположен внутри складки или «кармана», образуемого белковой цепью [Kendrew, 1963; Gregoriou et al., 1995]. С проксимальной стороны, в цепи гемоглобина, с железом гема координирован His-92, а в дистальной области расположен His-63. Наличие Val-67 и Phe-42 вблизи His-63 придает активному центру этих гембелков гидрофобный характер [Perutz et al., 1968; Jayaraman et al., 1994; Abadan et al., 1994]. В гемоглобине связывание лигандов в области гема может происходить как с проксимальной, так и с дистальной стороны [Ком, 1978]. Однако каталитически активной является только дистальная область гема, где происходит связывание 02, СО, С02 и других лигандов небольшого размера. Связывание лигандов приводит к структурным изменениям пространственного расположения цепей гемоглобина [Muirhead et al., 1967], что подтверждено кристаллографически [Perutz et al., 1968].

Несмотря на сходство в строении активных центров, Нв и Мв выполняют несколько разные функции. Нв осуществляет перенос 02, Мв — запасает кислород. У них несколько отличается и редокс-потенциал (табл. 1), что, по-видимому, обуславливает специфичность выполняемых ими функций. Так как лигандное окружение гема у Мв и Нв одинаково, то различие в редокс-по-

ю

Таблица 1

Аминокислотные остатки бежа, входящие в состав координационной сферы железа гема и редокс-потенциал гембелков

Белок Проксимальный лиганд Дистальная область Р, В Валентное состояние железа Наличие годы в координационной сфере железа Координационное число железа гема Литература

Гемоглобин Гистидин Гистидин, валин +0,2 +2 Есть 5 Ком, 1978; Ре-rutzetal., 1968

Миоглобин Гистидин Гистидин, валин +0,05 +2 Есть 5 Ком, 1978

Пероксидаза хрена Гистидин Гистидин, аспа-рагиновая кислота -2,5 +3 Нет 5 Угарова и др., 1981; Пратт, 1978; Yamadaet al., 1975

Цитохром с пероксидаза Гистидин Гистидин, триптофан, аргинин -0,194 +3 Есть 6 Conroy et al., 1978; Pouluset al., 1980

Каталаза Тирозин Гистидин - +3 Нет 5 Murthy et al., 1981

Глава!

тенциалах может быть связано с изменением длины связи и валентного угла между железом гема и проксимальным гистиди-ном, вызванным различными взаимодействиями между близко расположенными аминокислотными остатками полипептидной цепи апобелка.

На примере мутантных форм гемоглобина видно сколь существенные изменения происходят в структуре белка и его сродстве к 02 при замене только одного остатка аминокислоты в полипептидной цепи. Так, замена His-87 ее цепи, являющегося пятым ли-гандом гема в Мв и в каждой субъединице Нв, на менее основный остаток тирозина приводит к тому, что аномальные субъединицы утрачивают способность обратимо связывать кислород и вместо этого окисляются [Hayashi et al., 1966]. Это обусловлено изменением положения гема по отношению к плоскости порфиринового кольца и, следовательно, свидетельствует об участии пятого лиганда в этом искажении. Замещение дистальных His-58, 63 на тирозин в а цепи или в р цепи Нв приводит к тому, что кислород не связывается субъединицами, а окисляет Fe2+ до Fe3+ [Gelad, Efron, 1961]. Окисленное состояние железа в гемоглобине, как было показано [Perutz, Lehmann, 1968], может стабилизироваться ионной связью между Fe3+ и введенным тирозином. Это один из важных фактов, с помощью которого можно объяснить образование стабильного Fe3+ в каталазе, у которой проксимальным лигандом тоже является тирозин [Murthy et al, 1981]. Однако для пероксидазы эту аналогию провести нельзя, т.к. у нее проксимальным лигандом железа (III) гема является гйстидин [Ishimaru, 1980]. По-видимому, стабилизация Fe3+ состояния пероксидазы обусловлена другими причинами.

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-

12

Гемсодержащие белки, катализирующие пероксидазные реакции

меняет его субстратную специфичность. Замещение Val-67 в дис-тальной области Р субъединицы Нв на глутаминовую или аспара-гиновую кислоту [Gerald, Efron, 1961] приводит к тому, что карбоксильные группы этих аминокислот образуют солевые мостики и с железом гема, и с дистальным His-63 [Perutz, Lehmann, 1968]. Солевой мостик с железом гема может стабилизировать атом металла в окисленном состоянии и таким образом предотвращает его связывание с кислородом. Солевой мостик с гистидином стягивает г