Гемопротеины. Миоглобин, его биологические функции и структурная организация. Кинетика оксигенирования

Российская Федерация

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное Государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тюменский государственный  университет

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ

Кафедра анатомии и физиологии человека и животных

Реферат на тему:

Гемопротеины. Миоглобин, его биологические функции и структурная организация. Кинетика оксигенирования.

                                                                                Выполнила: студентка 4 курса

                                                                       601 гр. Колыванова С.С.

                                                                             Проверила: к.б.н., доц. 1 ст.

                                                      Фролова О. В.

Тюмень, 2013

Содержание:

Гемопротеины – миоглобин  и гемоглобин………………………..……3-4

Миоглобин………………………………………………………………..4-5

Биологическая функция миоглобина…………………………….……..5-7

Первичная структура и  распределение аминокислот……………………7

Вторичная и третичная  структура миоглобина………………………...7-8

Влияние гема на конформацию  миоглобина……………………………..9

Пространственная ориентация атома железа, проксимального и дистального  остатков гистидина в молекуле миоглобина…………….……9-10

Расположение атома железа……………………………………………...10

Лиганды…………………………………………………………..…….10-12

Кинетика оксигенирования  миоглобина…………………………..…12-13

Анализ крови на миоглобин…………………………………..………13-14

Миоглобин и митохондрии………………... …………………..…….14-16

Список литературы…………………………………………………....17-18

Гемопротеины  – миоглобин и гемоглобин.

На примере миоглобина и гемоглобина очень чётко  прослеживается связь между структурой и функцией белков вообще и глобулярных  белков в особенности. Эти два  сложных белка содержат в качестве простетической группы  гем –  циклический тетрапиррол, присутствием которого объясняется и красный  цвет этих белков, и их способность  запасать кислород (миоглобин) и обеспечивать его транспорт (гемоглобин). Тетрапирролы состоят из четырёх молекул пиррола (рис. 1), связанных четырьмя α-метиленовыми мостиками с образованием плоской  кольцевой структуры. Что при  этом образуется – гемм или какое-то родственное соединение – зависит  от природы β-заместителей в пиррольных кольцах. Замещающими группами в  гемме являются метильная (М), винильная (V) и пропионатная (Pr) группы, расположенные в таком порядке: М, V, M, V, M, Pr, Pr, M (рис. 2). В центре плоского кольца находится один атом железа в ферро-состоянии (Fe²⁺). Тетрапиррольные простетические группы и связанные с ними ионы металлов содержат и другие белки: цитохромы (Fe²⁺ и Fe³⁺), некоторые ферменты, например каталаза, триптофанпирролаза и хлорофиллсодержащие белки (Mg²⁺). В цитохромах происходит попеременное окисление и восстановление атома железа, играющее определяющую роль в их функционирования (транспорт электронов). Напротив, в миоглобине и гемоглобине окисление Fe²⁺ приводит к потере их биологической активности[1].

Рис. 1. Пиррол. Атомы  α-углерода соединены метиленовыми мостиками с образованием тетрапиррола. При атомах β-углерода находятся  заместители, характерные для того или иного тетрапиррола, в частности  гема.

Рис. 2. Гем. Пиррольные кольца и атомы углерода, участвующие  в образовании метиленовых мостиков, находятся в одной плоскости; почти не выходит из этой плоскости и атом железа (Fe²⁺). Пятое и шестое координационные положения находятся выше и ниже плоскости гемового кольца на линии, перпендикулярной плоскости. Полярная часть гемма в молекуле миоглобина обращена в сторону её поверхности (на рисунке – слева внизу).

Миоглобин.

Глобулярный белок, осуществляющий в мышцах запасание (депонирование) молекулярного кислорода и передачу его окислительным системам клеток. Миоглобин — первый белок, структура которого выяснена методом рентгеноструктурного анализа (Дж. Кендрю и сотрудниками, 1957). Состоит из одной полипептидной цепи (около 70 % из 153 остатков аминокислот включено в спирализованные участки). Как и в гемоглобине, активным центром молекулы миоглобина, связывающим O₂, является гем. Молекулярная масса миоглобина 17 000. По пространственной структуре миоглобин сходен с β-цепью гемоглобина (схема). Обратимое связывание миоглобина с O₂ происходит уже при низких парциальных давлениях кислорода Pо₂. Это имеет большое физиологическое значение: при сокращении мышц Pо₂ резко падает в результате сжатия капилляров; именно в этот момент происходит высвобождение из миоглобина кислорода, необходимого работающей мышце[2,3].

Схема пространственной структуры миоглобина (справа) и  бета-цепи гемоглобина (слева). Чёрными  кружками указано положение каждого  десятого остатка аминокислоты, прямые тяжи — спирализованные участки; группа гема представлена в виде диска.

Биологическая функция  миоглобина.

Миоглобин содержится в красных  мышцах и участвует в запасании кислорода. В условиях кислородного голодания (например, при сильной физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТР (окислительное фосфорилирование).

Миоглобин имеет такую  же кислородную емкость, как и  гемоглобин крови, но обладает значительно  большим сродством к нему. Так, сродство миоглобина лошади к кислороду  в 6 раз превышает сродство гемоглобина. Миоглобин соединяется с кислородом в несколько раз быстрее по сравнению с гемоглобином. Его  полу насыщение достигается в 0,00004 секунды при напряжении кислорода 60 мм рт. ст. Функция миоглобина заключается  в особом депонирования кислорода  в мышцах. Миоглобин играет роль переносчика кислорода и внутриклеточного катализатора. Миоглобин несет функции  постоянного источника снабжения  кислородом мышц. При каждом их сокращении, когда сжимаются капилляры и  резко падает парциальное давление кислорода, освобождается кислород, связанный с миоглобином, чем и поддерживается необходимая интенсивность окислительных процессов в работающей мышце. Он содержится в мышцах в довольно значительных концентрациях и насыщается кислородом при более низком парциальном давлении, чем гемоглобин. При парциальном давлении кислорода, существующем в венозной части капилляров, 95% миоглобина насыщено кислородом, а гемоглобина в тех же условиях только 70%. При понижении парциального давления кислорода до 5 мм рт. ст. освобождается 40% кислорода, связанного с миоглобином. При мышечном сокращении миоглобин отдает связанный с ним кислород и вновь присоединяет его при расслаблении мышцы. При экспериментальном зажатии бедренной артерии и прекращении кровообращения мышц конечностей оксимиоглобин переходит в миоглобин. Сроки образования и диссоциации кислородного соединения с миоглобином вполне достаточны для накопления запасов кислорода во время диастолы и использования его миокардом во время систолы[1,4].

Функция миоглобина имеет  особое значение при первоначальных нарушениях кровоснабжения и аноксиях различного происхождения. Потребность  мышцы в кислороде появляется через 0,2 секунды после начала ее сокращения и к этому времени  миоглобин отдает свой кислород. Наряду с миоглобином особо важное значение имеют флавиновые ферменты, в том  числе и цитохромы. Это видно  из того, что под влиянием цитохрома  С (10 мг/кг) у крыс с экспериментальной  аноксией, вызванной параличом дыхания, все изменения наступали значительно  позднее по сравнению с контрольными. Отмеченное обстоятельство связано  с усилением ферментативной активности и более полного использования  внутриклеточного кислорода. У крыс, не получивших цитохрома С, наблюдали  расщепление зубца Р, смещение волны  Т, исчезновение желудочкового комплекса  и атрионентрпкулнрную блокаду. Цитохром С обладает длительным действием  на углеводный обмен как в эксперименте, так и у больных стенокардией. Он увеличивает артериовенозную разницу, содержание калия и магния. В зависимости от нарушения функционального состояния сердца миокард поглощает различное количество кислорода. Так, у собак и физиологических условиях работающее сердце потребляет 8,1 мл кислорода в минуту. При обескровливании сердца поглощение кислорода падает почти вдвое (3—4 мл), при мерцании желудочков оно равно 3,8 мл, у несокращающегося сердца лишь 2 мл на 100 г в минуту. После остановки сердца еще в течение 10 минут в нем сохраняется аэробный гликолиз. Это свидетельствует о значительных резервных запасах кислорода в различных соединениях миокарда (миоглобин, цитохром). Значительно уменьшается использование глюкозы и пировиноградной кислоты. При восстановлении сокращении сердца начинает значительно больше использоваться кислород[4-5].

Первичная структура  и распределение аминокислот.

Миоглобин состоит из единичной  полипептидной цепи с мол. Массой 17000; никаких особенностей в характере  составляющих его 153 аминокислотных остатков не обнаруживается. При анализе же их пространственного распределения  чётко выявляется одна особенность: на поверхности молекулы находятся  полярные остатки, а внутри структуры  – неполярные; это свойство характерно для глобулярных белков. Остатки, содержащие одновременно и полярныеи неполярные группы (например, Thr, Trp и Tyr), расположены так, что неполярные группы ориентируются внутрь глобулы. Если не считать двух остатков гистидина, принимающих участие в связывании кислорода, то внутренние области миоглобина содержат только неполярные остатки ( например, Leu, Val, Phe, Met)[1,4].

Вторичная и третичная  структура миоглобина.

Как показывает рентгеноструктурный  анализ, миоглобин представляет собой  компактную, примерно сферическую молекулу размером 4,5 × 3,5 × 2,5 нм (рис.3). Примерно 75% остатков образуют восемь правых α-спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Начиная с N-конца, спирали обозначают буквами от А до Н. Участки, соединяющие спирали, обозначают двумя буквами, указывающими соответствующие спирали. Индивидуальным остаткам присваивают букву, указывающую спираль, в которой они находятся, и порядковый номер, отсчитываемый от N-конца спирали. Например, His F8 – восьмой остаток в спирали F, им является гистидин. Остатки, далеко отстоящие друг от друга вдоль цепи ( например, принадлежащие разным спиралям), могут быть пространственно сближены; например, довольно близко находятся остатки гистидина F8 (проксимальный) и Е7 (дистальный) (рис. 4).

Рис.3. Модель молекулы миоглобина. Контуры – это очертания, наблюдаемые при низком разрешении. Изображены в основном только атомы  α-углерода и гем.

Ряд данных свидетельствует  о том, что в растворе вторичная  и третичная структуры миоглобина близки к структуре кристаллического миоглобина. В обоих случаях наблюдаются  практически идентичные спектры  поглощения; кристаллический миоглобин  связывает кислород; содержание α-спиралей в растворе, оцениваемое по дисперсии  оптического вращения и круговому дихроизму, сходно с данными, полученными методом рентгеноструктурного анализа[1,4-6].

Влияние гема на конформацию миоглобина.

При понижении рН до 3,5 образуется апомиоглобин (миоглобин, не содержащий гема), и содержание α-спиралей резко  падает, а последующее добавление мочевины к апомиоглобину при  нейтральном рН приводит к почти  полному их исчезновению. Последующее удаление мочевины диализом и добавление гема полностью восстанавливает число α-спиралей, а добавление Fe²⁺, приводит к полному восстановлению биологической (кислородсвязывающей) активности. Таким образом, информация, содержащаяся  в первичной структуре апомиоглобина, в присутствии гема однозначно детерминирует свёртывание молекулы белка с образованием нативной, биологически активной конформации. Это важное положение распростроняется и на другие белки: первичная структура белка определяет его вторичную и третичную структуру[7].

Пространственная  ориентация атома железа, проксимального и дистального остатков гистидина  в молекуле миоглобина.

Гем в молекуле миоглобина расположен в щели между спиралями  Е и F; его полярные пропионатные группы ориентированы к поверхности глобулы. А остальная часть находится внутри структуры и окружена неполярными остатками, за исключением His F8 и His F7. Пятое координационное положение атома железа занято атомом азота гетероциклического кольца проксимального гистидина His F8 (рис. 4). Дистальный гистидин (His E7) расположен по другую сторону гемового кольца, почти напротив His F8, но шестое координационное положение атома железа His E7 остаётся свободным (рис. 4)[1].

Рис. 4. Положение  молекулы кислорода в гемме после  оксигенирования. Изображены также  имидазольные кольца двух важных остатков гистидина в глобиновой цепи, которые  располагаются рядом с атомом железа.

Расположение  атома железа.

В неоксигенированном миоглобине атом железа на 0,03 нм выступает из плоскости  кольца в направлении His F8. В оксигенированном миоглобине атом кислорода занимает шестое координационное положение атома железа, а сам атом железа выступает из плоскости гема только на 0,01 нм. Таким образом, оксигенирование миоглобина сопровождается смещением атома железа и , следовательно, His F8 и ковалентно связанных с ним остатков в направлении плоскости кольца; в результате  эта область белковой глобулы принимает новую конформацию[7].

Лиганды.

Связь, образующаяся между  атомом кислорода и атомом Fe²⁺, при оксигенировании миоглобина направлена перпендикулярно плоскости кольца гема. Второй атом кислорода удалён от дистального гистидина, и связь между атомами кислорода образует относительно плоскости гема угол 121^º(рис. 5)[7,8].

Рис. 5. Предпочтительные ориентации молекул кислорода и  окиси углерода, связанных с атомом железа изолированного гема (тёмные полоски).

Окись углерода (СО) связывается  с изолированным гемом примерно в 25000 раз более прочно, чем кислород. Поскольку атмосферный воздух содержит следы СО и ещё небольшое количество СО образуется в ходе нормального катаболизма гема, возникает вопрос: почему же шестое координвционное положение железа в миоглобине занято не СО, а молекулой О₂? Связано это со стерическими ограничениями, возникающими в миоглобине. Молекула СО, связываясь с гемом, стремится принять такую ориентацию, при которой все три атома (Fe, C, O) находятся вдоль линии, перпендикулярной плоскости кольца гема ( рис. 6). Поэтому СО связывается в менее благоприятной конфигурации; что понижает прочность связи СО с гемом более чем на два порядка, так что она становится всего лишь в 200 раз прочнее, чем связь гем – О₂. Тем не менее небольшая часть молекул миоглобина ( около 1%) в нормальных условиях связывает СО[1,7,8].

Рис. 6. Ориентация молекул кислорода и окиси  углерода, связанных с атомом железа гема в составе миоглобина. Дистальный гистидинин Е7 препятствует связыванию СО в предпочтительной для этой молекулы ориентации – под углом 90^º к плоскости гемового кольца.

Кинетика оксигенирования  миоглобина.

Почему миоглобин неспособен транспортировать кислород, но зато эффективно его запасает? Количество кислорода, связывающегося с миоглобином («процент насыщения»), зависит от концентрации кислорода в среде, непосредственно  окружающей молекулу белка ( эту концентрацию выражают как Ро₂ – парциальное давление кислорода). Зависимость между количеством связанного кислорода и Ро₂ можно представить графически в виде кривой насыщения миоглобина кислородом (кривой диссоциации кислорода). Для миоглобина изотерма адсорбции кислорода имеет форму гиперболы (рис. 7).

Рис. 6. Кривая насыщения  миоглобина кислородом.

Ро₂ в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм рт. ст., поэтому миоглобин в лёгких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови Ро₂ равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце – около 20 мм рт. ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительной, и поэтому миоглобин не может служить средством его доставки от лёгких к периферическим тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжёлая физическая работа, Ро₂ в мышечной ткани может понизиться и до 5 мм рт. ст.; при столь низком давлении миоглобин легко отдаёт связанный кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТР в митохондриях мышечных клеток[1,9].

Анализ крови  на миоглобин

Основные функции миоглобина связаны с транспортировкой кислорода  в мышце сердца и в скелетных  мышцах, поэтому свидетельством того, что их работа нарушена, является повышенный уровень миоглобина в крови. В  связи с этим при подозрении на инфаркт миокарда у пациента проверяют  миоглобин крови: анализ помогает не только поставить верный диагноз, но и выявить уровень поражения  сердечной мышцы[10].

Повышенный миоглобин  крови, как правило, является свидетельством:

-инфаркта миокарда;

-почечной недостаточности;

-судорог;

-травм;

-ожогов.

Также повышение показателя миоглобина наблюдается при мышечном перенапряжении при электроимпульсной  терапии, а также при занятиях спортом.

Норма миоглобина выглядит следующим образом:

у мужчин — 19—92 мкг/л;

у женщин — 12—76 мкг/л[11].

Из организма этот белок  выводится с мочой, поэтому уровень  миоглобина в организме тесно  связан с деятельностью почек.

Пониженный уровень миоглобина также может свидетельствовать  о наличии проблем в организме. Как правило, это является следствием таких процессов, как аутоиммунные состояния, ревматоидный артрит, полимиозит, миастения и т. д[11-14].

Миоглобин и митохондрии.

Важнейшим условием функционирования организма является бесперебойное  снабжение тканей кислородом, доступ которого к метаболическим процессам  в клетках опосредован дыхательными белками – Hb крови и мышечным Mb. Скорость оксигенации Mb в зависимости от концентрации О₂ в растворе описывается гиперболической кривой (в отличие от сигмоидной зависимости для Hb) и в 6 раз превышает скорость оксигенации Hb, что и определяет физиологическую роль Mb. При парциональном давлении О₂ Pо₂ в венозной крови, равном 40 мм Hg, степень оксигенации Hb составляет всего 60%, тогда как Mb оксигенирован на 95%.

Высокое сродство Mb к кислороду и высокая концентрация его в мышках животных, особенно ныряющих на продолжительное время в поисках пищи, послужили основой для предположения о том, что миоглобин функционирует в качестве «депо кислорода». «Депо» функционирует в соответствии в соответствии с кривой оксигенации белка в растворе, т.е. кислород отщепляет от MbO₂, когда Pо₂ вклетке падает ниже некоторого критического уровня. Ещё Хилл, и Милликан в 40-х годах прошлого века рассчитали, что Mb сердечной мышцы может удерживать количество O₂, достаточное для полного цикла сокращений. Аналогично в скелетных мышцах может резервироваться количество O₂, достаточное для восьмисекундного сокращения при максимальном его потреблении[15].

В системах переноса и потребления  O₂ очень важны диффузионные процессы, поэтому большое влияние уделялось экпериментальному и теоретическому изучению феномена так называемой облегчённой диффузии O₂ с помощью дыхательных белков, HbO₂ или MbO₂. Так, скорость переноса меченого  ¹⁸О₂ через пористые мембраны, заполненные раствором MbO₂, ускоряется в 15 раз по сравнению с раствором, содержащим мет-Mb. Однако роль облегчённой миоглобином диффузии О₂ in vivo не ясна, поскольку очевидно, что белок не может эффективно конкурировать с диффузией свободного кислорода. Тем не менее авторы считают, что именно внутриклеточный перенос О₂ из сарколеммы к митохондриям, а не депонирование, - основная функция миоглобина в мышцах. Ключевыми моментами для теории этого феномена являются достаточно высокие коэффициенты латеральной диффузии Mb и концентрация его в клетке [15-16].

Следует отметить, что функционирование Mb в соответствии с механизмами «депо кислорода» и «облегчённой диффузии» эффективно лишь при малых значениях Pо₂ в клетке (2,5-5 мм Нg) и высоких градиентах концентрации MbO₂, зависящих от степени насыщения белка кислородом SMbO₂. Современные экпериментальные методы позволяют достаточно точно определять эти параметры. Показано, что значения Pо₂ в работающей сердечной мышце составляют по разным оценкам 11,4-25 мм Hg (а не 0,5 – 3.5 мм Hg, как считали ранее). При этом в работающем  с большой нагрузкой сердце SMbO₂ не опускается ниже 85%, составляя до 92% общего пула белка ( а не 10-30%, как находили ранее), т.е. внутри клетки не фиксируются ни экстремально малые значения Pо₂, ни высокие градиенты концентрации MbO₂ . Значения D_Mb в интактных скелетных мышцах также оказались в 5-10 раз ниже значений, использованных ранее в расчётах вклада «облегчённой диффузии» в снабжение клетки кислородом, что при Pо₂ ˃ 13 мм Hg этот вклад оказывается пренебрежимо малым, а при меньших значениях Pо₂ составляет всего 1,5-4%. Расчёты с использованием найденного недавно для сердца мыши значения D_Mb, которое примерно в 3 раза выше значения D_Mb для скелетных мышц, тем не менее показывают, что даже при Pо₂=1,8 мм Hg и 0,2 мМ концентрации MbO₂ вклады свободного кислорода и О₂, связанного с миоглобином, одинаковы.

Таким образом, эффективное  функционирование Mb по механизмам «депо кислорода» и «облегчённой диффузии» весьма проблематично. Оба механизма не предполагают  какого-либо взаимодействия белка с клеточными структурами или метаболитами (формулируются в рамках гомогенной термодинамики и кинетики), так что сродство миоглобина к О₂ во всех модельных расчётах принимается постоянным. Понимание же истинного механизма функционирования Mb в клетке и его роли в доставке О₂ к МХ не только важно для решения фундаментальной проблемы молекулярной биологии и биохимии, но весьма актуально и в прикладном аспекте[15,16].

Список литературы:

1. Марри Р. Биохимия человека: в 2-х томах: учебник / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл; ред. Л. М. Гинодман, В. Н. Кандор. – М.: Мир, 1993. – 414 с.

2. http://www.biochemistry.ru

3. http://edu.sernam.ru

4. Берёзов Т. Т. Биологическая химия: учебник / Т. Т. Берёзов, Б. Ф. Коровкин; под ред. акад. АМН СССР Дебова С. С. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1990. – 528 с., ил.

5. Ленинджер А. Основы  биохимии. – М.: Мир, 1985. – 367 с.

6. Овчинников Ю. А. Биоорганическая  химия. – М.: Просвещение, 1987. –  815 с., ил.

7. Филиппович Ю. Б. Основы  биохимии: Учеб. для хим. и биол. спец. пед. ун-тов и ин-тов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: изд-во «Агар», 1999. – 512 с., с ил.

8. Стайер Л. Биохимия / Пер. с англ. Т. 1 – М.: Мир, 1984 –  232 с., ил.

9. Биохимия: учебное пособие  / Ю. А. Митякина. – М.: РИОР, 2011. – 113 с.

10. Биохимия: учебное пособие  для студентов и магистрантов  высших учебных заведений по  биологическим и медицинским  специальностям / Чиркин А. А., Данченко  Е. О. – М.: Медицинская литература, 2010. - XVI, 605, [2] с.

11. Маршалл В. Дж. Клиническая биохимия. – М.: Бином, 1999. – 368 с.

12. Основы биохимии: Учебное  пособие / Т. Л. Ауэрман, Т.  Г. Генералова, Г. М. Суслянок. –  Инфра-М, 2013. – 400 с.

13. Комов В. П. Биохимия / Комов В. П., Шведова В. Н.  – М.: Дрофа, 2008. – 638 с.

14. Северина Е. С. Биохимия  для медицинских вузов. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 776 с.

15. Постникова Г. Б., Целикова  С. В., Шеховцова Е. А. Миоглобин  и митохондрии: оксимиоглобин  в процессе дезоксигенации взаимодействует  с митохондриальной мембраной  // Биохимия. – 2009. № 11. – С. 1488-1497.

16. Постникова Г. Б., Целикова  С. В. Миоглобин и митохондрии:  изучение кинетики отщепления  кислорода от оксимиоглобина  в суспензии митохондрий // Биохимия. – 2005. № 2. – С. 297-306.