Гемопротеины, Часть 2
Особенности атомной структуры активных центров гемопротеинов
Активные центры гемпротеинов содержат в своей основе макроциклические комплексы - гемы, но отличаются от множества других макроциклов наличием уникальной сопряженной p-системы. Именно ароматичность гемов и определяет их электронодонорные свойства за счет распределения локальных зарядов по ароматическим орбиталям [311], а это является ключевым моментом в функционировании большинства классов гемопротеинов. Не только ароматическая сопряженность, но и остальные особенности электронной структуры активных центров обусловлены, прежде всего, их геометрией, поэтому необходимо более подробно остановится на ее характеристике.
Гемоглобин и миоглобин - это два родственных белка. Гемоглобин состоит из 4-х субъединиц, каждая из которых содержит одну гем-группу. Миоглобин похож на одну из субъединиц гемоглобина, поскольку содержит в своем составе лишь один гем. Молекула гема как бы вставлена внутрь структуры миоглобина. При этом с водой контактирует только ребро гема, погруженной в белок, как в своего рода корзину, образованную двумя a-спиралями и выстланную гидрофобными боковыми цепями аминокислот. С обеих сторон плоскости гема, “над” и “под” атомами железа, располагаются имимдазольные кольца двух остатков гистидина (His). Один занимает восьмое положение в a-спирали и наиболее приближенный к атому железа, называют проксимальным. Атом азота его имидазольного кольца находится в контакте с атомом железа, так что можно думать об образовании между ними ковалентной связи. Другой остаток гистидина, занимающий седьмое положение в a-спирали, называют дистальным, так как он относительно удален от атома железа. Между ними имеется свободное пространство - карман, в котором и размещается молекула кислорода. При этом один из ее атомов непосредственно подходит к железу, другой - к имидазольному кольцу дистального гистидина. Таким образом, вокруг двухвалентного железа гема пять координационных мест заняты атомами азота, одно - приходящим в карман лигандом: молекулой воды в не окисленном состоянии или молекулой кислорода в окисленной форме (либо окисью углерода, азота, цианидом).
Принято следующее, весьма огрубленное, описание цепи событий, сопровождающих присоединение молекулы кислорода к какой либо из субъединиц гемоглобина [305]. Молекула кислорода проникает внутрь субъединицы и размещается между железом гема и имидазольной группой дистального His, которая, видимо, образует с одним из атомов кислорода водородную связь. Присоединение кислорода изменяет электронное состояние атома железа, который до этого находился как бы “над” плоскостью гема, а теперь смещается на 0,4 - 0,8 Å, приближаясь к кислороду и втягиваясь в плоскость порфиринового кольца. Это движение приводит к соответствующему смещению имидазола проксимального His, с которым связан атом железа и амплитуда этого движения составляет примерно 0,75Å. Роль 6-го лиганда в этом случае решающая, что мы объясняем в Главе V данной работы. Смещение затем передается другим частям белковой цепи, в которую входит His, в частности, происходит большой сдвиг фенольной боковой цепи, содержащей тирозин. А это, в свою очередь, вызывает различные смещенния атомов в соседних субъединицах, что и оказывает влияние на способность к связыванию кислорода гем-группами в них. Так, движение атома железа гем-группы в одной субъединице гемоглобина действует как “спусковой механизм”, который запускает в движение существенные структурные изменения в других субъединицах [305].
Окончательно не решен вопрос о геометрии связи Fe - O2. Возможны три варианта структуры: наименее реально линейное строение и такие структуры еще не обнаружены, боковое расположение должно быть таким же, как и в простых комплексах кислорода с другими металлами, но наиболее вероятным кажется расположение молекулы кислорода под углом к плоскости порфиринового кольца [188, 295].
Источник:
Романова Т. А. СРАВНИТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АТОМНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУР АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ГЕМОПРОТЕИНОВ С УЧЕТОМ ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Дисс. на соискание степени доктора биологических наук, СО РАН, Красноярск, 2004, 327 с.