Молекула гемоглобина

ГемоглобинНа протяжении более ста лет биохимики многих стран мира посвящали свои уси­лия выяснению природы белков. Много сделали в этой области и русские ученые, среди которых почетное место занимают такие исследователи, как И. М. Сеченов, М. В. Ненцкий и другие.

В настоящее время в результате применения точнейших методов исследования, и в первую очередь — рентгеноструктурного анализа, стало возможным определить пространственное расположение атомов в молекуле гемоглобина — важнейшего пиг­мента, ведающего снабжением организма кислородом. Американский биохимик лау­реат Нобелевской премии М. Ф. Перутц — один из пионеров изучения пространствен­ной структуры этого белка. Благодаря исследованиям М. Ф. Перутца и группы его со­трудников стала известна структура молекулы гемоглобина, прояснились многие про­цессы, происходящие в кровеносных сосудах живого организма.

О том, насколько была сложна и трудна эта работа, можно составить впечатле­ние по высказыванию английского физика У.-Л. Брэгга: «При изучении кристалличе­ского гемоглобина лошади исследователям пришлось замерить 28 тысяч рефлексов, а при их обработке, для построения полного трехмерного патерсоновского синтеза, число слагаемых во всех трех суммах составило 1.21 X 1010. Несмотря на большое ко­личество вычислительных и механических усовершенствований, сокращающих эту работу, промер 28 тысяч рефлексов и вычисление всех тройных сумм для одного кристалла гемоглобина потребовали четырех лет. Когда эта работа планировалась, не было никаких гарантий, что ее результаты оправдают вложенные усилия, — но, к счастью, эти опасения не оправдались».

Описанию этих работ и посвящена предлагаемая статья из журнала «Stientific Ame­rican».

Доктор биологических наук П. А. КОРЖУЕВ

В 1937 году я избрал темой своего исследования рентгеногра­фический анализ гемоглобина — белка крови, переносящего кисло­род. К счастью, рецензенты моей докторской диссертации (я был тогда аспирантом Кембриджского университета) не требовали опре­деления его структуры, 1иначе я рисковал бы оставаться аспиран­том в течение… двадцати трех лет. Проблема определения места каждого атома в этой гигантской молекуле и до сих пор еще не решена окончательно, но струк­тура ее уже расшифрована до­статочно детально, чтобы дать представление о запутанном трех­мерном строении каждой из че­тырех составляющих ее амино­кислотных цепей и расположении четырех пигментных групп — пунктов присоединения кислоро­да.

Каждая из четырех цепей гемоглобина напоминает по фор­ме цепочку миоглобина — мышеч­ного белка, переносчика кисло­рода. Сопоставление структур этих двух белков позволяет С по­мощью физических методов до­статочно точно определить, где располагается каждый аминокис­лотный остаток в гемоглобине по отношению к изгибам и поворо­там его цепей. Однако с помощью одних лишь физических методов нельзя установить, какая из двад­цати различных аминокислот за­нимает данное место. Это дости­гается химическим анализом.

Суммарные результаты этих двух различных методов исследо­вания позволяют представить себе общую четкую картину строения молекулы гемоглобина.

По своей функции гемогло­бин не является кислородным ре­зервуаром типа молекулярного легкого. Две из четырех цепочек в молекуле меняют свое положе­ние в пространстве, так что про­свет между ними сужается с при­соединением к гемоглобину кис­лорода и расширяется после его отщепления. Данные о том, что химическая активность гемоглоби­на и других белков связана с из­менениями в их структуре, были известны и раньше, но нами впер­вые продемонстрирована природа этих изменений. Они позволили считать молекулу гемоглобина как бы дышащей. Но казалось пара­доксальным, что расширение мо­лекулы происходит при отсутст­вии кислорода, а не тогда, когда он связан с гемоглобином.

За два года до моего посту­пления в аспирантуру профессор Джон Бернал и Дороти Кроуфут- Хотчкин получили первые рентге­нодифракционные картины кри­сталлов белка и установили, что белковые молекулы, <несмотря на большие размеры, имеют высоко­организованную структуру. В то время это открытие вызвало сен­сацию, так как к белкам еще всюду относились как к коллои­дам с неопределенной структу­рой. В конце тридцатых годов значение нуклеиновых кислот еще предстояло открыть; в соответ­ствии с тем, чему я учился, «се­крет жизни» казался мне заклю­ченным в структуре белков. Из всех методов, доступных физике и химии, лишь рентгенокристаллография давала единственный шанс, правда, довольно слабый, определить эту структуру…

ГемоглобинМодель молекулы гемоглобина, сконструи­рованная в результате рентгенодифракционных исследований. Вид сверху (верх­ний рисунок) и сбоку (нижний рисунок). Рисунки сделаны с модели, построенной М. Ф. Перутцом и его сотрудниками. Блоки неправильной формы показывают электронную плотность на различных уровнях молекулы гемоглобина. Молекула состоит из четырех субъединиц: двух иден­тичных альфа- (светлые блоки) и бета- цепей (темные блоки). Буквами N на верхнем рисунке обозначены концевые аминогруппы альфа-цепей; буквами С — концевые карбоксильные группы. В склад­ках каждой цепи «упрятан» цветной диск. Это — гем, железосодержащая структура, соединяющаяся с кислородом.

 

Когда я избрал темой диссер­тации рентгенографический ана­лиз гемоглобина, мои друзья-студенты смотрели на меня с со­чувственной улыбкой. Ведь наи­более сложным из органических веществ, структура которых определилась тогда рентгенографиче­ским методом( был краситель фталоцианин, молекула которого содержит SB атомов. Как же я мог надеяться определить поло­жение каждого из тысяч атомов в молекуле гемоглобина?

ФУНКЦИЯ ГЕМОГЛОБИНА

Гемоглобин — основной ком­понент красных кровяных шари­ков (эритроцитов), переносящих по артериям кислород от легких к тканям, способствующий пере­носу углекислого газа по венам обратно к легким. Один эритро­цит содержит около 280 миллио­нов молекул гемоглобина. Каж­дая молекула в 64 с половиной тысячи раз тяжелее атома водо­рода и состоит примерно из 10 тысяч атомов водорода, угле­рода, азота, кислорода и серы плюс четыре атома железа, кото­рые в данном случае более важ­ны, чем все остальные. Каждый атом железа расположен в цен­тре группы атомов, образующих пигмент, называемый гемом, ко­торый придает крови ее красный цвет и регулирует ее способность соединяться с кислородом. Каж­дый гем окружен одной из четы­рех аминокислотных цепей, кото­рые вместе составляют белковую часть молекулы — глобин. Четыре цепи глобина состоят из двух оди­наковых пар, так называемых альфа- и бета-цепей. Все четыре цели вместе содержат 574 амино­кислотных остатка.

В отсутствие переносчика кис­лорода 1 литр артериальной кро­ви может растворить и перенести не более 3 миллилитров кислоро­да. Гемоглобин повышает эту спо­собность в 70 раз. Без него боль­шие животные не смогли бы по­лучать достаточного для своего существования количества кисло­рода. Кроме того, более 90 про­центов транспортируемой углекис­лоты переносится по венам благо­даря гемоглобину.

Каждый из четырех атомов железа в молекуле гемоглобина может связать одну молекулу (то есть два атома) кислорода. Эта реакция обратима — в том смыс­ле, что кислород забирается там, где его много (в легких) и осво­бождается там, где в нем ощу­щается потребность (в тканях). Она сопровождается изменением цвета:          гемоглобин, содержащий

кислород| известный как окси- гемоглобин, окрашивает арте­риальную кровь в алый цвет; вос­становленный, или освобожден­ный от кислорода, гемоглобин придает венозной крови пурпур­ный оттенок. В данном случае термин «восстановленный» для бескислородной формы гемогло­бина неудачен, потому что слово «восстановленный» означает для химика, что атом или группа ато­мов присоединяют электроны. На самом же деле атомы железа как в восстановленном, так и в окисленном гемоглобине имеют одинаковое число электронов и находятся в виде двухвалентных или «ферро»-ионов.

Они окисляются до трехва­лентных, или «ферри»-ионов, при определенных болезнях крови и действии некоторых ядов. В этом случае гемоглобин приобретает бурую окраску и в такой форме известен как метгемоглобин, или ферригемоглобин.

ГемоглобинРентгенодифракционный снимок, полученный от одного кристалла гемоглобина который вращался во время съемки. Электроны, сгруппированные вокруг центров атомов в кристалле, рассеивают падающие на него рентгеновские лучи, образуя симметрично рас­положенные пятна. Пятна, находящиеся на равных расстояниях от центра и противоположные друг другу, имеют одинаковую плотность

 

«Ферро»-ионы железа обла­дают способностью связывать мо­лекулярный кислород только при условии, если гем соединен с глобином. Сам по себе гем не связывает кислорода; эта реакция становится возможной лишь в спе­цифической химической среде, создаваемой глобином. В сочета­нии же с другими белками, таки­ми как ферменты пероксидаза и каталаза, тот же гем может обнаруживать совершенно другие хи­мические свойства.

Однако функция глобина этим не ограничивается. Благодаря ему происходит физиологически вы­годное взаимодействие четырех атомов железа внутри каждой мо­лекулы. Соединение любых трех атомов железа с кислородом ускоряет присоединение кислоро­да к четвертому; точно так же освобождение кислорода тремя атомами заставляет четвертый атом быстрее освободиться от своего кислорода.

Я уже упоминал, что гемо­глобин играет также важную роль в переносе углекислого газа от тканей к легким. Этот газ не пере­носится атомами железа, и только часть его связывается непосред­ственно с глобином; наибольшее его количество поглощается эри­троцитами и жидкостью крови — в форме бикарбоната. Исчезнове­ние кислотной группы у каждой молекулы гемоглобина, отдающей кислород, облегчает перенос би­карбоната. Когда гемоглобин вновь захватывает кислород из легких, эти кислотные группы опять образуются, начиная ряд химических реакций, стимулирую­щих освобождение углекислого газа из тканей. Напротив, присут­ствие бикарбоната и молочной кислоты в тканях ускоряет осво­бождение кислорода.

Дыхание кажется нам таким простым; но, однако, это элемен­тарное проявление жизни осу­ществляется благодаря взаимо­действию многих видов атомов в гигантской молекуле колоссаль­ной сложности. Выяснение струк­туры молекулы открыло бы нам не только ее внешний вид, но и функцию.

ПРИНЦИП РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Рентгеноструктурный анализ белков иногда считается трудно­доступным разделом науки, по­нятным только специалистам, но идеи, лежащие в основе этой ра­боты, настолько просты, что мно­гие физики находят их просто скучными. Кристаллы гемоглоби­на и других белков содержат много воды и, подобно всем живым тканям, теряют регуляр­ность своей структуры при высу­шивании. Чтобы сохранить эту регулярность во время рентгено­графического анализа, кристаллы помещают в маленькие стеклян­ные капилляры, где они остаются влажными. На один кристалл на­правляют узкий пучок рентгено­вых лучей одной длины волны. Если кристалл неподвижен, то на фотопленке, находящейся сзади него, будут зафиксированы пята, ложащиеся эллипсами; если же кристалл вращать в определен­ном направлении, то эти пятна возникают в узлах правильной решетки, зависящей от расположе­ния молекул в кристалле. Каждое пятно имеет характерную интенсивность, зависящую от располо­жения атомов внутри молекулы. Пятна, расположенные симметрич­но, но по разные стороны от цен­тра рентгенограммы, имеют оди­наковую степень интенсивности.

Для расшифровки рентгено­грамм был изготовлен простой оп­тический прибор, имеющий экран с двумя отверстиями в точках, где находятся симметричные пятна. Интерференционные полосы, по­лученные при дифракции света через эти два отверстия, показа­ны ниже на рисунке.

 

ГемоглобинРентгенографическое изображение можно объяснить с помощью специаль­ного оптического устройства для получения интерференционных картин пя­тен на рентгенограмме (рисунок справа). Каждая пара симметрично распо­ложенных пятен дает характерные для них интерференционные полосы. Таким образом, пятна, обозначенные 2,2 и 2,2, дают полосы, обозначенные 2,2. Двухмерное изображение атомной структуры кристалла может быть полу­чено, если все интерференционные картины будут одновременно напечата­ны на одном и том же листе фотобумаги. Но для этого раньше нужно ре­шить фазовую проблему (см. ниже).

 

ФАЗОВАЯ ПРОБЛЕМА

Изображение атомной структуры кристалла получают двумя путями: поочередным печатанием всех интерференционных картин на один и тот же кадр или нало­жением всех интерференционных картин и получением общего от­печатка на одном кадре. При этом возникает неизбежная труд­ность. Для того чтобы изображе­ние не искажалось, каждая груп­па пятен на рентгенограмме должна быть расположена пра­вильно по отношению к некото­рой произвольно выбранной общей начальной точке. Расстоя­ние максимума волны от началь­ной точки называется фазой. Накладывая (интерференционные картины, можно получить поч­ти любую картину структуры при соответствующем произвольном выборе фаз. Сама по себе рент­генографическая картина дает нам только амплитуды, но не фазы волн, полученных от каждой пары пятен. Это значит, что половина информации для получения изо­бражения отсутствует.

Вследствие этой недостаточ­ности информации дифракцион­ная картина кристаллов уподоб­ляется шифру без ключа. Про­водя годы в попытках измерить интенсивность нескольких тысяч пятен в дифракционных рентгено­граммах гемоглобина, я испыты­вал танталовы муки, находясь в положении исследователя, окру­женного набором таблиц, испи­санных неизвестными письменами. В течение некоторого времени У.-Л. Брэгг и я без особого успе­ха пытались разработать метод расшифровки фаз. Окончательное решение пришло в 1953 году, когда я открыл, что метод, най­денный для более простых струк­тур, может быть также использо­ван для белков.

ГемоглобинФазовая проблема возникает вследствие того, что пятна на рентгенограмме не указывают, какие фазы должны иметь все интерференционные картины по отношению к произвольно выбранной общей начальной точке. На этом рисунке четыре идентичные интерференционные картины имеют разные фазы относительно начальной точки в левом верхнем углу. Фаза означает расстояние гребня волны от начальной точки, измеренное в градусах. Длина одной волны — 360 градусов

 

Суть этого метода в том, что молекулу вещества несколько ви­доизменяют путем введения в нее тяжелых атомов — таких как ато­мы ртути, — для определения их положения в структуре молекулы. Присутствие тяжелого атома вы­зывает заметные изменения в ди­фракционной картине и дает воз­можность получить большую ин­формацию о фазах. По разнице амплитуд волн, соответствующих отражению белка с тяжелым ато­мом и без него, для каждой груп­пы волн можно определить рас­стояние гребня волны от тяжелого атома для каждой интерференци­онной полосы. Таким образом, благодаря тяжелому атому, опре­деляющему общую начальную точку, представляется возможность измерить величину фазы, как по­казано на рисунке (стр. 85, слева), где тяжелый атом обозначен Н1. Но эксперимент еще не говорит нам, в каком направлении измеря­ется фаза….

На том же рисунке показано, что если тяжелый атом Н2 ввести в молекуле в другое положение, чем Н1, то он уменьшает амплиту­ду волны, рассеиваемой белком. Степень этого уменьшения по­зволяет измерить расстояние греб­ня волны от Н2. Можно видеть, что этот гребень должен быть впереди Н1; другими словами, расстояние его от Н1 не может совпадать с расстоянием от Н2. Окончательный ответ зависит от знания длины и направления ли­нии, соединяющей Н2 и Н1. Эти величины возможно рассчитать математически.

Метод тяжелых атомов мож­но применить для изучения гемо­глобина, .присоединяя атом ртути к атомам серы аминокислоты цистеина. Он оправдывает себя, однако, только в том случае, если такое присоединение не изме­няет структуру молекул гемогло­бина и порядок ее расположения в кристалле. Когда я впервые по­пытался применить фазовый ме­тод, то не был уверен, что мне удастся полностью удовлетворить этим строгим требованиям. И ког­да я проводил первую рентгено­графию меркурированного (свя­занного с атомом ртути) гемогло­бина, настроение у меня колеба­лось между надеждами на немед­ленный успех и мрачными предчув­ствиями провала. Когда же ди­фракционные пятна оказались точно в том положении, что и в немеркурированном белке, лишь с несколько иной интенсив­ностью — то есть именно так, как я надеялся, — я ворвался в ком­нату Брэгга в радостном возбуж­дении, уверенный, что скоро уже будет определена структура и гемоглобина, и многих других белков. Брэгг разделил мою ра­дость; ни один из нас тогда не предвидел тех огромных техниче­ских трудностей, которые вста­нут на нашем пути в последую­щие пять лет.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СТРУКТУРЫ

Решив, по крайней мере в принципе, фазовую проблему, мы задались целью построить струк­турное изображение молекулы гемоглобина на основе наших рентгенографических данных.

Количество пятен на рентге­нограммах белковых кристаллов доходит до десятков тысяч. Что­бы правильно определить фазу каждого пятна и его интенсив­ность, нужно было сделать не­сколько точных измерений. Затем в результаты надо внести поправ­ки на различные геометрические факторы и использовать их для построения изображения, накла­дывая десятки тысяч волн. В окон­чательном расчете приходилось складывать или вычитать десятки миллионов чисел. До появления счетно-вычислительных устройств такая работа была бы совершенно невозможной.

 

ГемоглобинМетод введения тяжелого атома дает сведения о фазах, изменяя интенсив­ности пятен на рентгенограмме а — рассеяние синусоидальной волны чрезвычайно упрощенным белком (тре­угольник из трех атомов) дает амплитуду и фазу одной группы пятен; b и с — после введения тяжелых атомов Н1 и Н2 в различные участки бел­ка амплитуда и фаза волны изменяются. Тяжелые атомы могут служить начальными точками для измерения величины фаз (Р1 и Р2) волн, рассеян­ных неизмененным белком. Расстояние между Н1 и Н2 должно быть точно известно

 

В то время как я сражала с разного рода техническими трудностями, Д. Кендрью успеш­но применил метод тяжелых ато­мов для изучения структуры миоглобина — белка, по строению близкого к гемоглобину, но имею­щего значительно более простую структуру. В 1957 году первая трехмерная модель миоглобина была построена.

ГемоглобинДля построения пространственного изобра­жения молекулы белка были использованы трехмерные дифракционные картины (ин­терференционные плоскости в простран­стве). Их строили для пар симметрично расположенных в пространстве пятен. Коор­динаты двух пятен обозначаются соответст­венно h, k, l и h‾, k‾, l‾,. Каждой паре пя­тен соответствует трехмерная интерферен­ционная картина, как это показано yа ри­сунке. Чтобы построить изображение мо­лекулы, необходимо наложить Друг на друга интерференционные плоскости в пространстве с учетом фаз для тысяч пар пятен…

 

Это был триумф, но одновре­менно с оттенком разочарования. Возможно ли, что поиски истины могли привести к такому безоб­разному предмету, более похо­жему на клубок каких-то вну­тренностей? Неужели, отыскивая золотой самородок, мы нашли свинцовую глыбу? Но чем внима­тельнее мы всматривались в изо­бражение миоглобина, тем целе­сообразнее, гармоничнее пред­ставлялся он нам. Когда в после­дующие годы Кендрью и его сотрудники увеличили разрешаю­щую способность рентгенострук­турного метода, они убедились, что некоторые внутренние причины странной формы этой моле­кулы выявляются сами собой. Форма не была случайной, она была фундаментальным продук­том природы, вероятно, общим для миоглобина и гемоглобина, во всяком случае у позвоночных.

Летом 1959 года, почти через 22 года после того, как я полу­чил первую рентгенограмму гемо­глобина, мы смогли, наконец, по­строить трехмерную карту элек­тронной плотности гемоглобина с разрешающей способностью 5,5 ангстрем, подобную той, ко­торая на два года раньше была получена для миоглобина. И как только цифры со счетчика были перенесены на контурную карту, мы убедились в том, что каждая из четырех цепей гемоглобина по форме очень напоминает един­ственную цепь миоглобина. Бета- цепь и миоглобин были вообще идентичны, а альфа-цепь отлича­лась от них лишь более коротким поперечником одной маленькой петли.

Миоглобин был экстрагирован Кендрью из мышц кашалота. Ге­моглобин был получен из крови лошадей. Позднейшие исследова­ния показали, что миоглобин тю­леня и лошади, гемоглобин чело­века и коровы имеют сходное строение.

На первый взгляд случайная, беспорядочная складчатость цепи оказалась целесообразной, удоб­ной для удержания гема в поло­жении, облегчающем ему пере­нос кислорода. Гем лежит в склад­ке цепи так, что только две его кислотные группы находятся на поверхности молекулы и могут вступать в контакт с окружающей молекулу водой. Атомы железа в геме связаны с атомами азота аминокислоты гистидина.

Через некоторое время я по­строил модели альфа- и бета-це­пей гемоглобина и убедился в том, что они соответствуют атом­ной картине, как и цепь миогло­бина. Если две белковые цепи по­хожи по внешнему виду, то мож­но надеяться, что и состав их окажется также сходным. На язы­ке химии белка это означает, что 20 различных видов аминокислот в миоглобине и гемоглобине всех позвоночных содержатся прибли­зительно в одинаковой пропорции и порядок их расположения тоже примерно одинаков. Чтобы уста­новить справедливость этого ут­верждения, мы проделали мно­жество химических анализов.

ГемоглобинМолекула миоглобина в том виде, в котором она впервые была сконструирована Д. Кендрью и его сотрудниками в 1957 г. Она имела этот весьма отталкивающий вид, напоминающий внутренности. Колбасовидные сплетения отражают ход аминокислотной цепи в молекуле. Темное, дисковидное образование (расположенное здесь не совсем правильно) представляет собой гем.

 

Но совершенно неожиданным оказалось то, что белки с почти одинаковой структурой и функ­цией резко различаются последо­вательностью своих аминокислот.

Какой же механизм застав­лял различные цепи складываться одним и тем же образом?

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ СКЛАДЫВАНИЯ

Что придает какой-то одной конфигурации большую стабиль­ность, чем всем другим? Един­ственное объяснение, к которому мы можем пока обратиться, ка­сается распределения так назы­ваемых полярных и неполярных аминокислот между поверхностью и глубокими слоями молекулы.

Некоторые аминокислоты, та­кие как глютаминовая кислота и лизин, имеют боковые группы атомов с положительным или отрицательным зарядом, которые активно взаимодействуют с окру­жающими молекулами воды. Бо­ковые группы таких аминокислот, как глютамин или тирозин, в ко­нечном счете электронейтральны, однако содержат атомы азота или кислорода, у которых разно­именные заряды достаточно ве­лики, чтобы образовать диполь. Они тоже притягивают воду, но не так активно, как заряженные группы. Это притяжение происхо­дит благодаря образованию раз­ноименных зарядов в самой мо­лекуле воды, что делает ее, в свою очередь, диполярной. Со­единяясь с электрически заряжен­ными группами или любыми дру­гими диполями, водные молекулы уменьшают до минимума напря­женность электрического поля вокруг этих групп и стабилизи­руют всю структуру в результате снижения количества так назы­ваемой свободной энергии.

Боковые группы Других ами­нокислот, таких как лейцин и фе­нилаланин, содержат только угле­родные и водородные атомы. Будучи электронейтральными и лишь слабо диполярными, эти группы отталкивают воду подоб­но воску. Причина этого отталки­вания странна и загадочна. Груп­пы, которые называются углево­дородными, имеют тенденцию приводить хаотичность молекул воды в строгий порядок, такой, как в кристалле льда. Это упоря­дочение уменьшает стабильность системы. Физики в таких случаях говорят об уменьшении энтропии, которая служит мерой беспоряд­ка в системе. Таким образом, сила, заставляющая боковые груп­пы «отворачиваться» от воды и соединяться друг с другом, — это анархическое сопротивление мо­лекул воды тому упорядочиваю­щему влиянию, которое оказы­вают на них эти группы.

ГемоглобинЦепи гемоглобина, альфа-цепь — слева и бета-цепь — справа, выведенные из модели, построенной автором и его сотрудниками. Прерывистые линии по­казывают ход центральной цепи. Ча­стично виден тем (цветной диск), прикрытый моделью

 

Наши модели показывают, что боковые группы, обладающие наибольшим зарядом или сте­пенью биполярности, распола­гаются на поверхности молекулы, взаимодействуя с водой. Непо­лярные группы либо заключены внутри молекулы, либо таким образом вклиниваются в ее углуб­ление, что не могут контактиро­вать с водой. Говоря физическим языком, боковые группы распре­деляются так, чтобы по возмож­ности уменьшить свободную энер­гию и увеличить энтропию в мо­лекулах белка и окружающей воды…

Сейчас еще преждевременно говорить о том, существует ли единственное объяснение той силы, которая из всех возможных конфигураций белковой цепи из­бирательно стабилизирует только одну Известно, что по крайней мере одна аминокислота вслед­ствие своей изломанной конфигу­рации, нарушает плавность цепи, заставляя ее образовывать угол в том месте, где она находится. Цепи в гемоглобине и миоглобине у всех видов имеют несколько углов, НО только в одном из них, а именно в 36 положении в бета- цепи гемоглобина и в 37 — в миоглобине, всегда присутствует пролин. Во всех других углах его присутствие необязательно и определяется видом живот­ного.

Так как последовательность аминокислот в белках определить легче, чем их пространственную структуру, то задача облегчилась бы, если бы мы могли вывести эту структуру, зная аминокислот­ную последовательность. В прин­ципе, вероятно, чтобы добиться этого, достаточно знать межатом­ные силы и путь, по которому эти атомы группируются. Не деле же проблема эта чрезвычайно услож­няется тем, что существует огромное количество путей, по которым может идти закручивание длин­ной белковой цепи.

СОЕДИНЕНИЕ ЧЕТЫРЕХ ЦЕПЕЙ

Если гемоглобин состоит из четырех одинаковых цепей, то кристаллограф может надеяться, что они лежат по углам правиль­ного тетраэдра.

В результате этого образует­ся почти сферическая молекула размером 64 X 55 X 50 ангстрем. Кажется удивительным, что четы­ре предмета такой неправильной формы могут так точно подходить один к другому. Но если меха­низм складывания белковой части молекулы удалось предсказать, то положение гемов в молекуле оксигемоглобина оказалось до­вольно неожиданным. Исходя из их химического взаимодействия, априорно можно было бы пред­полагать, что они расположены рядом. В действительности же оказалось, что каждый гем лежит на поверхности молекулы как бы в отдельном «пакете», «не подо­зревая» о существовании своих партнеров. Отсюда видно, что одно из наиболее важных физио­логических свойств гемоглобина не может быть объяснено только его структурой.

В 1937 году Ф. Гурвиц нашел ключ к молекулярному объясне­нию физиологического действия гемоглобина.

ГемоглобинБета-цепь (слева) и миоглобин (справа). Цветными кружками обозначены пролиновые остатки, на долю которых приходится 10% всех аминокислот; их положение часто совпадает с изломами цепи. Кружки обозначающие Hg, показывают места, где атомы ртути могут быть присоединены к атомам серы

ГемоглобинИзлом молекулы гемоглобина, наблюдающийся там, где остаток аминокислоты пролина (цветной) распо­ложен между двумя сегментами спирали в бета-цепи; изображен только скелет цепи. Все атомы водорода и боковые ветви аминокислот, за исключением пролина, удалены

 

Он поставил кри­сталлы оксигемоглобина, имеющие форму игл, в холодильник. Когда через несколько недель он достал эту взвесь, то увидел, что кислород был поглощен бакте­риями и вместо красных игл по­явились фиолетовые гексагональ­ные пластинки — кристаллы вос­становленного гемоглобина. Во время исследования этих кри­сталлов под микроскопом, между предметным и покровным стекла­ми проник кислород, вызывая на глазах распад фиолетовых пла­стинок и образование красных игл оксигемоглобина. Это превра­щение убедило Гурвица в том, что реакция гемоглобина с кисло­родом должна сопровождаться изменением структуры молекулы гемоглобина. Эти наблюдения и за­гадка структуры оксигемоглобина настолько заинтересовали меня, что я предложил аспирантке Хила­ри Мюрхед попробовать приме­нить метод рентгеноструктурного анализа с низкой разрешающей способностью для изучения струк­туры восстановленной формы ге­моглобина.

Мюрхед успешно решила эту сложную задачу. Сделанные ею карты электронной плотности по­казали нам два вида структурных изменений: изменение в складча­тости одной цепи и нарушение взаимного расположения цепей.

Группа ученых в Кембридж­ском университете доказала, что это изменение в окисленной фор­ме гемоглобина происходило после того, как три из четырех атомов железа соединялись с кис­лородом. Это в несколько сот раз ускоряло связывание четвертого, атома железа с кислородом…

Атомный механизм переме­щения бета-цепей пока еще не выяснен. Наш рентгеноструктур­ный анализ еще не достиг разре­шающей способности, необходи­мой для их рассмотрения, и мне кажется, что до тех пор, пока мы не получим структур восстанов­ленного гемоглобина и оксигемо­глобина на атомном уровне, мы не сможем до конца разобраться в этом загадочном явлении.

М. Ф. ПЕРУТЦ

Сокращенный перевод с английского М. КАНДРОРА

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>