Кооперативные изменения конформации протомеров. Возможность адаптивной регуляции диалогической функции олигомерных белков с помощью аллостерических лигандов

Кооперативными изменениями конформации протомеров называются изменения конформации всего олигомерного белка после присоединения лиганда к одному из протомеров, приводящее к изменению функциональных свойств белка в целом. Для гемоглобина это означает, что кооперативные изменения конформации его протомеров ускоряют присоединение кислорода в легких и облегчают отщепление кислорода в тканях: - присоединение кислорода через Fe²⁺ к одному протомеру (оксигенация гемоглобина) вызывает перемещение Fe²⁺ в плоскость гема; одновременно перемещается и остаток Гис F8, связанный с ним. Это влечет изменение конформации данного протомера, а также осталь­ных субъединиц гемоглобина и их активных центров, то есть вследствии конформационной лабильности изменяется конформация и свойства всего белка;

- измененная конформация белка облегчает связывание второй молекулы кислорода со следующим протомером, что вызывает дополнительные коопера­тивные изменения конформации протомеров и еще более облегчает связывание со следующей молекулой 0₂. Четвертая молекула кислорода присоединяется к оставшемуся протомеру в 300 раз легче, чем первая.

- последовательное отщепление кислорода (дезоксигенация) в тканях изме­няет на каждом этапе конформацию всех протомеров и облегчает диссоциацию последующих молекул 0₂.

Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет выраженный S-образный характер и отражает положительный кооперативный эффект взаимодействия протомеров (субъединиц) в тетрамер-ной молекуле гемоглобина при его оксигенации.

Гемоглобин имеет S-образную кривую насыщения, которая показывает, что субъединицы белка работают кооперативно, и чем больше кислорода они отда­ют, тем легче идет диссоциация остальных молекул 0₂; этот процесс зависит от изменения парциального давления 0₂ в тканях.

Кривая насыщения (диссоциации) миоглобина - простая гипербола, отра­жает функции миоглобина - обратимое связывание с кислородом, высвобождае­мым гемоглобином, депонирование его и освобождение в случае интенсивной физической нагрузки; не зависит от посторонних факторов

Возможность адаптивной регуляции биологической функции олигомерных белков с помощью аллостерических лигандов

Если белок при взаимодействии с лигандом повышает или понижает актив- ность вследствии конформационных изменений, то имеет место аллостериче-ская регуляция, а лиганд называется аллостерическим. Данное свойство про­является, как правило, у олигомерных белков, т.е. для проявления аллостериче-ского эффекта необходимо взаимодействие субъединиц. При воздействии алло­стерических лигандов белки адаптируют свою конформацию (в том числе и ак­тивного центра) и функцию к изменившимся условиям окружающей среды.

Для гемоглобина аллостерическими лигандами являются Н⁺, С0₂ и 2,3-бифосфоглицерат (БФГ). Эти лиганды присоединяются к участкам (аллостери­ческим центрам), пространственно удаленным друг от друга. Концентрация аллостерических лигандов влияет на сродство гемоглобина к кислороду (миог-лобин и разделенные субъединицы гемоглобина нечувствительны к изменениям концентрации Н⁺, СО₂ и БФГ, т. е. аллостерические свойства гемоглобина воз­никают только в результате взаимодействия субъединиц).

В центре молекулы гемоглобина аминокислотными остатками четырех субъединиц образована полость, величина ее увеличивается в дезоксигемогло-бине и уменьшается в оксигемоглобине. БФГ, синтезируемый в эритроцитах при гликолизе, может поместиться только в большой полости дезоксигемоглобина, избирательно связывается с дезоксигемоглобином, снижая его сродство к О₂ в 26 раз. В результате повышается высвобождение кислорода в капиллярах ткани при постоянном парциальном давлении О₂.

Исследование роли БФГ в транспорте крови прояснило адаптивные меха­низмы, включающиеся при гипоксии - нарушении снабжения тканей кисло­родом. У больных с тяжелой обструктивной энфиземой легких затруднено по­ступление воздуха в легкие, парциальное давление кислорода в артериальной крови (50 мм рт. ст.) вдвое ниже нормы (100 мм рт. ст.). При этом происходит усиление синтеза БФГ в эритроцитах (его концентрация повышается с 4,5 мМ/л до 8 мМ/л), что приводит к увеличению доставки кислорода в ткани. На рис. это отражается компенсаторным сдвигом кривой насыщения гемоглобина ки­слородом вправо.

Механизм адаптивной регуляции к высоте - также результат изменения концентрации БФГ в эритроцитах крови. На высоте 4,5 км над уровнем моря на­сыщение крови кислородом снижается из-за снижения парциального давления О₂, но уже через два дня возрастает концентрация БФГ в крови с 4,5 мМ/л до 7,0 мМ/л. Сродство к кислороду снижается, и количество высвобождаемого кисло­рода в капиллярах тканей возрастает. При спуске на уровень моря концентрация БФГ возвращается к исходному уровню.