Автор работы: Пользователь скрыл имя, 01 Апреля 2014 в 19:54, лекция
Содержат два компонента - простой белок и небелковое вещество - простетическую группу, как правило, прочно связанную с белковой молекулой.
ХРОМОПРОТЕИНЫ (от греч. chroma - краска) состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Различают гемопротеины и флавопротеины. Они участвуют в таких процессах, как дыхание, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстановительные реакции, свето- и цветовосприятие и др.
СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Содержат два компонента - простой белок и небелковое вещество - простетическую группу, как правило, прочно связанную с белковой молекулой.
ХРОМОПРОТЕИНЫ (от греч. chroma - краска) состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Различают гемопротеины и флавопротеины. Они участвуют в таких процессах, как дыхание, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстановительные реакции, свето- и цветовосприятие и др.
К группе гемопротеинов относятся гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза, пероксидаз. Все они содержат железопорфирины, но различные по составу и структуре белки, и выполняют разнообразные биологические функции. Видовые различия гемоглобина обусловлены глобином.
Рассмотрим строение гемоглобина – белка крови. Небелковым компонентом гемоглобина является гем - пигмент, придающий крови красный цвет. Основу его структуры составляет протопорфирин IX. В центре гема расположен атом железа, связанный с двумя атомами азота ковалентно и с двумя другими - координационными связями (слайд 2). Гем «обернут» одной полипептидной цепью. В молекуле гемоглобина взрослого человека НbА (от англ. adult- взрослый) содержатся четыре полипептидные цепи, которые вместе составляют белковую часть молекулы – глобин (слайд 3). Две α-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, две β-цепи - по 146. В гемоглобине железо соединяется с атомом азота имидазольной группы гистидина белковой молекулы пятой координационной связью. Шестая координационная связь железа предназначена для присоединения кислорода или других лигандов (слайд 4).
В крови взрослого человека присутствуют также гемоглобин НbА2 (2α, 2δ цепи, 2,5%) и НbA3 (менее 1%, отличается строением b-цепи).
Известен фетальный гемоглобин (гемоглобин новорожденных) HbF, состоящий из 2 α- и 2 γ-цепей. Он отличается аминокислотным составом и физико-химическими свойствами. Кровь новорожденного содержит до 80% HbF, к концу 1-го года жизни он почти целиком заменяется на НbА (в крови взрослого человека содержится до 1,5% HbF). Гемоглобин F обладает повышенным сродством к кислороду и позволяет сравнительно малому объёму крови плода выполнять кислородоснабжающие функции более эффективно (слайд 5).
Болезни гемоглобинов (более 200) называют гемоглобинозами:
1. Гемоглобинопатии, в основе развития которых лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина (часто их относят также к «молекулярным болезням»). В крови человека открыто около 150 различных типов мутантных гемоглобинов.
Классы мутаций:
1. Замена аминокислоты на поверхности молекулы гемоглобина. Обычно тяжелые патологии не развиваются, и болезнь протекает бессимптомно; исключение - серповидно-клеточная анемия.
2. Замена аминокислоты вблизи гема. Нарушается связывание кислорода, сопровождающееся развитием болезни.
3. Замена во внутреннем участке молекулы гемоглобина. Подобные мутации приводят к нарушению пространственной структуры гемоглобина и его функции.
Аномальные гемоглобины (слайд 6) различаются по физико-химическим свойствам (электрофоретическая подвижность, растворимость, изоэлектрическая точка, сродство к кислороду).
Классический пример гемоглобинопатии - серповидно-клеточная анемия, распространенная в странах Южной Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. Химический дефект сводится к замене глутаминовой кислоты в 6-м положении с N-конца на валин в β-цепях молекулы гемоглобина HbS. Это результат мутации в молекуле ДНК - единичная замена нуклеотида (А на Т). В результате триплет ГАГ, кодирующий глутамат, заменяется на ГТГ, кодирующий валин. У HbS снижены растворимость и сродство к кислороду. Эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа (слайд 7). Замена одной аминокислоты вызывает полимеризацию гемоглобина S и образование фибрилл. HbS после отдачи кислорода в тканях превращается в плохо растворимую дезоксиформу и выпадает в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов (тактоидов). Они деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу. Гетерозиготная форма аномалии протекает бессимптомно или сопровождается легкой гемолитической анемией. У гомозиготных особей уже с первых месяцев жизни развивается тяжелая форма серповидноклеточной анемии. Болезнь протекает остро, и дети, гомозиготные по мутантному гену, часто умирают в раннем возрасте.
Как же вредная мутация сохраняется в популяции? Гетерозиготные по данному аллелю особи имеют в эритроцитах и HbА, и HbS, они практически здоровы, или у них обнаруживаются слабые признаки болезни. Но в их эритроцитах хуже развивается малярийный плазмодий, и они не заболевают малярией, либо переносят ее легко. Т.о., популяция лучше приспособлена к среде, где важным фактором отбора является малярийный плазмодий.
Гемоглобин С (слайд 6). В b-цепи на шестом месте вместо глутаминовой кислоты находится лизин. Центр распространения гена С - северная часть Ганы. Наличие гена С в гомозиготном состоянии ведет к развитию выраженной спленомегалии (увеличение селезенки), умеренной микроцитарной анемии (дефицит железа, малый диаметр эритроцитов) с наличием эритроцитов мишеневидной формы.
Гемоглобин D. Обнаружен у 2 % берберов Марокко и у 0,4 % афроамериканцев США. У гомозиготов наблюдается микроцитоз (эритроциты аномально маленького размера), слабый анизоцитоз (вариаебльность размеров эритроцитов) и пойкилоцитоз (изменение формы эритроцитов) и мишеневидность эритроцитов (плоский бледны эритроцит с небольшим количеством гемоглобина, расположенного лишь в середине клетки).
2. Талассемии - группа заболеваний с наследственным нарушением синтеза одной из цепей глобина. Различают α- и β-талассемии. Гемоглобинопатия Н (слайд 6) - один из вариантов a-талассемии - проявляется гемолитической анемией, множественными включениями в эритроцитах (выпавший в осадок гемоглобин Н), увеличением селезенки, тяжелыми костными изменениями.
3. Железодефицитные анемии - нарушение синтеза гемоглобина вследствие дефицита железа. Основными причинами являются кровопотери и недостаток богатой гемом пищи - мяса и рыбы.
Медики из Университета Бонна (ФРГ) (2008) обнаружили ранее неизвестный тип гемоглобина - Haemoglobin Bonn. Он способен поглощать инфракрасный свет даже в отсутствии кислорода, кроме того измененная структура молекул гемоглобина в данном случае быстрее насыщается кислородом и потребность в большем количестве газа отсутствует.
Производные гемоглобина
Оксигемоглобин HbO2. Молекулярный кислород присоединяется к каждому гему Hb при помощи координационных связей железа. Присоединение каждой молекулы кислорода облегчает присоединение последующей. Кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сигмоидную форму. Это обеспечивает не только связывание максимального количества кислорода в легких, но и освобождение кислорода в периферических тканях; этому способствует также наличие Н+ и СО2 в тканях с интенсивным обменом. В свою очередь кислород ускоряет высвобождение СО2 и Н+ в легочной ткани. Эта аллостерическая зависимость между присоединением Н+, О2 и СО2 получила название эффекта Бора. Оксигемоглобин, попадая в ткани, теряет кислород, становясь дезоксигемоглобином.
Карбгемоглобин, HbCO2, соединение гемоглобина с углекислым газом :
Карбгемоглобин – соединение очень нестойкое и быстро диссоциирует в легочных капиллярах с отщеплением СО2.
В форме карбгемоглобина транспортируется около трети CO2, выделяемого через лёгкие (большая часть CO2 транспортируется в форме солей угольной кислоты, содержащихся в плазме и эритроцитах).
Карбоксигемоглобин HbCO - продукт присоединения оксида углерода CO (угарного газа) к гемоглобину. Гемоглобин имеет высокое сродство к СО и прочно с ним связывается. Уже при концентрации 0,1% CO в воздухе больше половины Hb крови превращается в HbCO. Гемоглобин теряет способность связывать кислород, и наступает смерть от удушья. Повышение содержания карбоксигемоглобина до 50% может быть смертельным. Высокое содержание карбоксигемоглобина (до 20%) может обнаруживаться у курильщиков.
Карбоксигемоглобин имеет вишнево-красный цвет, и его присутствие нельзя определить по цвету крови.
При быстром повышении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе можно добиться частичного вытеснения СО и предотвратить летальный исход. При тяжелых отравлениях показано переливание эритроцитарной массы.
Метгемоглобин MtHb - форма гемоглобина, в которой железо гема находится в трёхвалентном состоянии. Метгемоглобин имеет коричневый цвет, что позволяет определить его присутствие по цвету крови. Не способен переносить кислород. Образуется из свободного гемоглобина под действием различных окислителей, а в организме - при некоторых отравлениях.
Методом качественного определения различных производных гемоглобина является исследование их спектров поглощения.
Миоглобин - глобулярный белок, осуществляющий в мышцах запасание молекулярного кислорода и передачу его окислительным системам клеток (слайд 8). Состоит из одной полипептидной цепи, по пространственной структуре сходной с b-цепью гемоглобина. Как и в гемоглобине, активным центром молекулы, связывающим O2, является гем. В мышцах позвоночных животных содержится около 2 % миоглобина. Миоглобин определяет цвет мышц.
Каталаза - фермент класса оксидоредуктаз, который разлагает образующийся в процессе биологического окисления пероксид водорода на воду и молекулярный кислород, а также окисляет в присутствии пероксида водорода низкомолекулярные спирты и нитриты. Участвует в тканевом дыхании.
Пероксидазы – ферменты класса оксидоредуктаз, катализируют окисление полифенолов, аминов, жирных с помощью пероксида водорода (H2O2) или органических перекисей. Различаются молярной массой и субстратной специфичностью.
Цитохромы – гемопротеины, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях и служащие переносчиками электронов.
Представителем магнийпорфиринов является хлорофилл (слайд 9) – зеленый пигмент, обусловливающий зеленую окраску растений. По химическому строению хлорофиллы - магниевые комплексы различных тетрапирролов, структурно близкие к гему. Связь между молекулами белка и хлорофиллом осуществляется путем нестойких комплексов, образующихся при взаимодействии кислотных групп белковых молекул и азота пиррольных колец. Чем выше содержание дикарбоновых аминокислот в белке, тем лучше идет комплексообразование. Хлорофилл вместе с белком обеспечивает фотосинтетическую активность растений, катализируя расщепление молекулы воды на водород и кислород при поглощении солнечной энергии.
Флавопротеины (слайд 10) – хромопротеины, простетические группы которых представлены изоаллоксазиновыми производными - окисленными флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Флавопротеины входят в состав оксидоредуктаз - ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в клетке. Некоторые флавопротеины содержат ионы металлов, например, альдегидоксидаза, сукцинатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа, транспортирующий электроны флавопротеин. Негемовое железо связывается с белковым компонентом через атом серы остатка цистеина. Флавопротеины могут участвовать в транспорте электронов благодаря способности переходить из окисленного в восстановленное состояние.
ЛИПОПРОТЕИНЫ состоят из белка и простетической группы, представленной каким-либо липидом (нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, холестериды). Липопротеины широко распространены и выполняют разнообразные биологические функции. Представители липопротеинов - белок ткани легких, липовителлин желтка куриного яйца и т.д. Липопротеины могут содержать до 5% углеводов (гексозы, гексозамины), поэтому некоторые из них являются и гликопротеинами.
Большинство липопротеинов синтезируется в печени или в слизистой оболочке кишечника.
Липопротеины присутствуют в свободном состоянии (главным образом в плазме крови). В их образовании участвуют нековалентные силы различной природы, Если в образовании липопротеина участвуют фосфолипиды, то между ними и белковой молекулой возникает ионный тип связи. Между неполярными группами липидного компонента существуют гидрофобные взаимодействия. Эти липопротеиновые комплексы (слайд 11) имеют переменные размеры и состав. Они содержат гидрофобное липидное ядро, окруженное полярными липидами и оболочкой из белков, получивших название апобелки. Различают 8 типов апобелков. Липопротеины сыворотки крови в зависимости от электрофоретической подвижности и от плотности при ультрацентрифугировании подразделяют на липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), низкой плотности (ЛПНП), высокой плотности (ЛПВП), очень высокой плотности (ЛПОВП) и ЛП промежуточной плотности (ЛППП). В плазме крови они обеспечивают транспорт водонерастворимых липидов. Функции и значение отдельных классов ЛП подробно рассмотрим при изучении метаболизма липидов.
Липиды, ковалентно связанные с белком, служат якорем, с помощью которого белки прикрепляются к мембране. Это т.н. структурированные липопротеины (липиды мембран клетки, миелиновой оболочки нервных волокон, хлоропластов растений).
ФОСФОПРОТЕИНЫ - сложные белки, в состав которых в качестве небелкового компонента входит фосфорная кислота, присоединенная к полипептидной цепи сложноэфирной связью через остатки серина или треонина (слайд 12). В митохондриях животных тканей обнаружены фосфопротеины, в которых фосфат присоединен к белку через имидазольное кольцо гистидина. На одну молекулу белка обычно приходится 2 – 4 остатка фосфата. Возможен также ионный тип связи (слайд 13).