я

Удлинение

Сдвиг рамки

Вставки Слияние

HbLelden HbToclHgl

HbG

гееп HIM

Hbcoventry HbconsUnt Spring

НЬтак

НЬкоуа Dora НЬ Wayne

HbGrady

НЬьероге Baltimore

HbNllotlo Hb Kenya

?6 или ?7—>-0; нестабильность ?56-59 (Gly-Asn-Pro-Lys)—>-0; нестабильность

?91-95 (Leu-His-Cys-Asp-Lys)—>-0; нестабильность; сродство к 02 | ? 141 Leu—??

?141 Arg не является С-коицевым; цепь удлинена на 31 остаток ? 146 His не является С-коицевым; цепь удлинена на 10 остатков; сродство к 02 f

?141 Arg не является С-концевым; цепь удлинена на 16—17 остатков

? 139-141; сдвиг рамки в кодон ах, приводящий на С-конце к последовательности Thr-Ser-Asn-Thr-Val-Lys-Leu-Glu-Pro-Arg-COOH

?? 18-119; 3 остатка вставлены между ? 118 Thr и ?119 Pro

Первая треть последовательности идентична б-цепи, а остальная —?-це-пи

Первая четверть последовательности идентична ?-цепи, остальная — б-цепи Первая треть последовательности идентична у-цепн, остальная — ?-цепи

a j увеличивается; | уменьшается.

Известны аномальные гемоглобины, у которых имеются и делеции (пропуски) и (или) вставки аминокислот; некоторые гемоглобины являются продуктом экспрессии генов, в которых произошло «смещение рамки» (гл. 26); обнаружены цепи гемоглобинов с «удлиненными» в области С-конца последовательностями аминокислот, а также цепи, которые включают фрагменты ?-цепи и либо ?-, либо ?-цепи. Эти гибридные цепи являются продуктом генов, образовавшихся в результате дупликации и слияния генов (разд. 27.2.1.4) либо ?- и ?-, либо ?- и у-цепей. Примеры такого типа аномальных гемоглобинов приведены в табл. 31.4.

6*

.1236

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

31.3. Реакции гемоглобина с кислородом,

диоксидом углерода, протонами и 2,3-дифосфоглицератом

31.3.1. Связывание с кислородом

Уникальной особенностью связывания гемоглобином 02 является кооперативное взаимодействие между гемсвязывающими участками, часто называемое гем-гем-взаимодействием. Хотя прямых физических контактов между четырьмя группами гема нет, кооперативность связывания 02 проявляется в том, что по мере протекания оксигенирования гемоглобина облегчается связывание последующих молекул кислорода.

Целесообразно вначале рассмотреть связывание 02 с миоглоби-ном. Зависимость между р0г и образованием МЬ02 приведена на рис. 31.5; кривая является прямоугольной гиперболой, как и можно было ожидать на основе закона действующих масс для диссоциации оксимиоглобина, которая протекает по уравнению МЬ02**МЬ + 02. В противоположность этому кривая диссоциации НЬ02 нормальной крови человека и крови многих других видов имеет сигмоидную форму (рис. 31.6). Сигмоидная форма кривой указывает на то, что связывание 02 одной из гемовых групп НЬ влияет на константы диссоциации других групп гема этой же молекулы; это влияние (судя по форме кривой) должно быть наиболее выраженным на четвертой стадии диссоциации. Рассматри-

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6

р0,,мм pm.cnj p0j.,WM ргп.ип.

Рис. 31.5. а — зависимость степени оксигенирования миоглобина от парциального давления кислорода; б — влияние температуры на связывание кислорода миогло-бииом. [Courtesy of Dr. ?. Antonini.]

31. ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ

1237

юс

140

Ро2 ·?? Pm-cm-

Рис. 31.6. Влияние парциального давления С02 на диссоциацию оксигемоглобина в крови человека. 1 — рсо2=61,3 мм рт. ст., рН 7,2; 2 — рсо2 =39,7 мм рт. ст., рН 7,4; 3— Рсо2=25,5 мм рт. ст., рН 7,6.

ваемые соотношения описываются уравнением Хилла

(P/Pl/2)"

Г=10°1+(Р/Р1/2Г

где ? —· процент гемоглобина, связанного с 02 при давлении р; Pi/2 — давление кислорода, при котором 50% Hb находится в виде Hb02, ? — константа для данного вида гемоглобина. Если п=1, кривая диссоциации 02 имеет вид гиперболы, как на рис. 31.5; чем больше значение п, тем более выражена сигмоидная форма кривой. Для нормального Hb человека п=2,7±?,2; эта константа не имеет физического смысла, так как уравнение Хилла является эмпирическим, однако она чрезвычайно полезна для характеристики гемоглобинов разных видов и для выяснения влияния различных воздействий на свойства изучаемого гемоглобина. При физиологических условиях сродство к 02 у Hb и у полностью оксигени-рованного Hb02 отличается в 500 раз; это показывает, что после присоединения первых молекул 02 сродство частично насыщенного гемоглобина к кислороду увеличивается.

Сигмоидный характер кривой диссоциации НЬ02 имеет большое физиологическое значение; это видно из рис. 31.6; парциальное давление 02 влияет на насыщение гемоглобина в пределах от 20 до 80 мм рт. ст., и артериальный гемоглобин практически насыщается кислородом при ро2. равном 80 мм рт. ст.

Сигмоидные кривые характерны только для ряда мультимерных .дыхательных белков. Миоглобин и другие мономерные белки обыч-

1238

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

но имеют низкое значение риг при связывании 02. Тетрамерная форма НЬ человека («2?2) имеет, следовательно, две характерные черты: сигмоидную кривую диссоциации НЬ02 и высокое значение Pi/2 при связывании 02.

31.3.2. Вещества, влияющие на соединение гемоглобина с кислородом

Связывание гемоглобином 02 зависит не только от pot, но и от рН, концентрации С02, 2,3-дифосфоглицерата (DPG) и некоторых анионов, таких, как С1~. Как показано на рис. 31.7, увеличение [С02] или [DPG] понижает сродство НЬ к 02 при постоянном рН. Процессы связывания 02, Н+, С02 и DPG с НЬ взаимозависимы; изменение концентрации одного из этих веществ влияет на связывание НЬ с другими. Взаимозависимость действия этих веществ на НЬ иногда называют кооперативным эффектом гемоглобина. Связывание гемоглобином 02, его транспорт и доставка к тканям тонко регулируются; Н+, С02 и DPG функционируют аналогично эффекторам ферментов, а форма кривых насыщения гемоглобина 02 аналогична сигмоидным кривым зависимости скорости реакции от концентрации субстрата для аллостерических ферментов (гл. 8).

20 40 Род, мм рт. ст.

Рис. 31.7. Кривые связывания кислорода гемоглобином: 1 — чистый НЬ, т. е. в отсутствие DPG н СОг; 2 — НЬ при рсог=40 мм рт. ст.; 3—-НЬ в присутствии 1,2 моля DPG на 1 моль НЬ (тетрамера афг)', 4 — НЬ в присутствии DPG и С02 в тех же концентрациях, что н в случаях кривых 2 и 3 соответственно; 5 — кровь при ^соа=40 мм рт. ст. Растворы гемоглобина: рН 7,22 при 50% насыщения; кровь: рН 7,4, что соответствует рН 7,22 внутри клеток. [Kilmartin J. V., Br. Med. Bui., 32. 209 (1976).]

31. ГЕМОГЛОБИН И ХИМИЯ ДЫХАНИЯ

1239

31.3.2.1. Влияние диоксида углерода и протонов: эффект Бора

Из рис. 31.6 и 31.7 видно, что при изменении рСо2 в среде, окружающей эритроцит, меняется равновесие системы Hb — 02; феномен известен как эффект Бора. Этот эффект наблюдается также в растворах чистого Hb и обусловлен полностью сдвигом рН, связанным с изменением рсо2- Повышение [Н+] связано с быстрой гидратацией С02 в эритроцитах (разд. 31.6); образуется Н2С03, которая при рН крови диссоциирует на Н+ и НС03 :

С02 + Н20 -<—>-¦ Н2Ш3 =<=fc Н++НСО3

Оксигенирование Hb приводит к сдвигу кажущегося оКа ряда кислотных групп белка от 7,71 до 6,17; следовательно, НЬ02 является более сильной кислотой, чем Hb. Обратимую реакцию, которая характеризует эффект Бора, схематически можно представить следующим образом:

ННЬ+ + 02 <—> ньо2 + Н+

Процесс не является стехиометрическим. При связывании 1 экв. 02 освобождается приблизительно 0,7 моля Н+.

Эффект Бора имеет большое физиологическое значение. Когда артериальная кровь попадает в зону тканей, С02 диффундирует в эритроциты, понижая (потенциально) рН и (поскольку осуществляется реакция Н++НЬ02—>-02+ННЬ+) сродство Hb к 02. В легких потеря С02, в результате которой мог бы потенциально увеличиться рН, повышает сродство lib к 02 и, следовательно, способствует насыщению Hb кислородом в условиях относительно .низкого ро?.

С02 также связывается с Hb с образованием карбаминогемо-глобина; схематически эту реакцию можно представить следующим образом:

О !1

Hb—NH2 + C02 +—fc Hb—NH—С—СГ + H+

Реакция легко обратима, и количество образующегося карбами-ногемоглобина определяется рсо2- Оказалось, что С02 связывают только ?-концевые ?-аминогруппы. Это следует из данных о том, что карбамоилгемоглобин, образующийся в результате реакции цианата с четырьмя ?-аминогруппами Hb

О" О

I II

Hb-NH2 + C=N + Н+ <—? Hb—NH—С—NH2

?? связывает С02. Сродство к С02 ?-аминогруппы ?-цепей Hb приблизительно в три раза больше, чем сродство ?-аминогруппы чх-цепей. Далее, в идентичных условиях больше С02 связывается с Hb, чем с НЬ02.

2140

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

31.3.2.3. Влияние 2,3-дифосфоглицерата

Главной фракцией фосфатов в эритроцитах является DPQ (разд. 32.2.1), его внутриклеточная концентрация составляет приблизительно от 4 до 5 мМ, т. е. примерно такая же, как и концентрация Hb. DPG связывается с тетрамерным НЬ при нейтраль* ном рН, образуя комплекс с соотношением компонентов 1:1, константа связывания Kas равна приблизительно 10s М-1. Кав ДЛЯ связывания DPG с НЬ02 примерно в 10 раз меньше. Главным следствием различий KaS является снижение в присутствии DPG сродства НЬ к 02. Это схематично показано в следующем урав« нении:

НЬ02 + DPG -j—ъ НЬ ¦ DPG + Оа

Таким образом, при фиксированной [НЬ02] увеличение DPG повышает диссоциацию НЬ02, или, наоборот, увеличение ро4, приводящее к образованию НЬ02, способствует диссоциации комплекса Hb-DPG. DPG может служить чувствительным показателем адаптации к гипоксии, и его концентрация значительно возрастает на больших высотах (примерно на 20% при высоте 15000 футов над уровнем моря). Фитат, гексафосфат миоинозита (разд. 15.7.8), обладает еще более высоким, чем DPG, сродством к НЬ; он находится в эритроцитах птиц, которые (при данном ро2) освобождают даже больше 02, чем эритроциты человека.

t

31.4. Механизм действия гемоглобина

Сравнение четвертичных структур различных форм гемоглобинов, установленных с помощью реитгеноструктурного анализа высокого разрешения, показало, что между структурами дезоксигемо-глобина и гемоглобинов, связанных с лигандами, имеется ряд различий.