Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Пиррол, порфин, гем, ферритин, миоглобин

Main page / Живомордность / Пиррол, порфин, гем, ферритин, миоглобин

Содержание

    В этой главе мы познакомимся сразу с целым выводком веществ для того, чтобы понять — как устроен один протеин, играющий огромную роль в нашей жизни — миоглобин, и попутно подготовимся к тому, чтобы понять и устройство другого не менее важного протеина — гемоглобина. Названия звучат настораживающе, но для того, чтобы получить самое общее представление, нам достаточно понять довольно простые вещи.

    40Pyrrole-1Pyrrole-2
    Начнем с молекулы, которая называется пиррол (pyrrole [pɪ’rəul]).
    Слева мы видим три способа, которыми ее можно изобразить. Четыре атома углерода и один атом азота объединены в кольцо. С боков к ним пристроились 5 атомов водорода. Эта молекула является строительным кирпичиком, из которого строятся более сложные молекулы, которые носят общее название порфириныporphyrines ).

    PorphinPorphin-2 copy

    Самой простой из порфиринов является молекула под названием порфин (porphin) — она приведена на рисунках справа. Как видим, порфин состоит из четырех молекул пиррола, соединенных в кольцо, так что в центре между ними остается свободное пространство. И это пространство в живых организмах используется очень необычным образом. Вообще порфирины обладают уникальным набором физических и химических свойств, поэтому они являются очень перспективным объектом исследования в самых разных науках: в химии, биологии, медицине, оптике, материаловедении. На основе порфиринов созданы катализаторы, сенсоры, лекарственные средства, органические полупроводники, жидкие кристаллы и материалы для нелинейной оптики. Некоторые производные порфирина используются в терапии онкологических заболеваний, и прочее и прочее. Но сейчас нас интересует то — как порфирины используются в живых клетках, а для этого введем еще один новый термин — гем (heme).

    Heme_bHeme_B_3D

    Гем — это химическое соединение, в котором в пространстве внутри порфирина размещен атом железа. На картинках слева изображен так называемый гем b (также известный как протогем IX), который важен для нас тем, что он является наиболее часто встречающимся, и кроме того именно он входит в состав миоглобина и гемоглобина.

    Мы уже знаем, что протеины состоят из аминокислот, которые входят в список из 20 аминокислот. Но в этом правиле бывает два важных исключения. Во-первых, в некоторых протеинах встречаются аминокислоты, не входящие в этот список 20, ведь всего нам сейчас известно более 300 аминокислот. Конечно, такие редкие протеины формируются не с помощью рибосомы, обрабатывающей матричную РНК, а с помощью совсем иного механизма. Второе исключение заключается в том, что в результате определенной обработки протеинов, выходящих из-под «пера» рибосомы, в их состав включаются составные части, не являющиеся совокупностью аминокислот. Такая не-аминокислотная составная часть протеинов (небелковая часть) называется простетической группой (не путать с простатитом и проститутками).

    Простетические группы могут быть органическими (например витамины, углеводы, липиды), а могут быть и неорганическими (например ионы металлов) или они могут быть смешанными. Гем b как раз является такой смешанной простетической группой в молекулах гемоглобина, миоглобина, цитохрома и других. Простетические группы часто являются очень важной составной частью ферментов. Но сейчас для нас важно то, что молекула миоглобина содержит в себе простетическую группу в виде гема b (который представляет собой молекулу порфирина с атомом железа внутри).

    Простетические группы не просто кое-как болтаются внутри протеинов. Они прочно связаны с протеинами, зачастую даже ковалентными связями, образуя, таким образом, единую прочную молекулу.

    Итак, еще раз. Пиррол. Четыре пиррола, соединенные в кольцо = порфирин. Порфирин с атомом железа внутри = гем. Гем является простетической группой некоторых сложных протеинов.

    Ferritin

    Интересно, откуда наш организм берет железо? Можно попутно ответить и на этот вопрос. Конечно, мы поедаем разную еду, в состав которой и входит железо, но где оно хранится? Равномерно распределено по телу или есть какие-то особые склады железа? Верно и то, и другое. В качестве такого склада выступает сложный протеин, который называется ферритинferritin [‘fɛrɪtɪn] ). Свободные атомы железа токсичны для организма, но помещенные в молекулу ферритина, они навредить не могут.

    Выглядит ферритин довольно красиво — см. на картинке сверху. Одна такая молекула ферритина может содержать до 4000 атомов железа! Железо требуется в нашем организме практически везде. Почему? Да потому, что оно захватывает кислород с целью его хранения (в молекулах миоглобина) и последующего использования в качестве источника энергии от процессов окисления, а также с целью транспортировки кислорода с кровью к разным клетках и тканям (в молекулах гемоглобина). И поэтому молекулы ферритина содержатся практически по всех органах и тканях, но все-таки есть и основные органы, где железо хранится в особенно значительных объемах: это основные кроветворные органы: селезёнка и костный мозг, а также печень (не путать с печеньем).

    Myoglobin

    Теперь, когда получена необходимая предварительная информация, можно наконец сказать несколько слов и о протеине под названием миоглобинmyoglobin [mʌɪə’gləʊbɪn] ). Миоглобин содержится в «красных мышцах» — в скелетных мышцах и в сердце. Он занимается запасанием кислорода, который так необходим мышцам для их работы. В условиях, когда возникает дефицит кислорода (например при активной физической нагрузке), кислород высвобождается из миоглобина и поступает в «энергетические станции» мышечных клеток — в митохондрии, где с помощью этого кислорода и осуществляется синтез универсальных «аккумуляторов» — АТФ.

    Миоглобин представляет собой компактную, почти сферическую молекулу размером 4,5 х 3,5 х 2,5 нанометра. В его состав входит 153 аминокислотных остатка. Вся эта цепочка аминокислотных остатков свернута в восемь спиралей, имеющих обозначение от латинской буквы A до буквы H. В зазоре между спиралями E и F расположен тот самый гем b, о котором мы теперь уже знаем. На рисунке он есть.

    Каждый конкретный аминокислотный остаток, входящий в состав миоглобина, имеет собственное обозначение: сначала идет буква, обозначающая спираль, а потом порядковый номер в этой спирали. Например His F8 обозначает восьмой остаток в спирали F, которым является гистидин. Внутри миоглобина гем не просто болтается в щели между спиралями E и F, но прочно связан химической связью с His F8 и His E7. Как гимнаст вцепляется двумя руками в кольца и висит между ними, так и гем хватается за имидазольные кольца [молекул гистидина], торчащие из спиралей E и F.

    464

    Когда к атому железа прицепляется молекула кислорода, то один из ее атомов прикрепляется к атому железа строго перпендикулярно плоскости гема. А второй атом молекулы кислорода расположен под углом 120 градусов — такое положение оказывается энергетически выгодным. Это видно на схеме. В таком расположении молекулы кислорода есть одна удивительная особенность. Дело в том, что в воздухе, которым мы дышим, есть не только кислород и азот, но и примеси других газов, в том числе и угарный газ, т.е. монооксид углерода ( carbon monoxide [‘kɑːbən mə’nɔksaɪd] ) — СО — бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха. Этот угарный газ тоже очень легко присоединяется к атому железа, и занимает место кислорода. Последствия понятны — миоглобин не сможет накапливать кислород, а гемоглобин не сможет кислород переносить, если атомы железа в них будут забиты угарным газом.

    Carbon_monoxide

    В медзвёздной среде монооксид углерода — вторая по распространенности молекула (после водорода), и этот газ играет важную роль в эволюции молекулярных газовых облаков, в которых происходит активное звездообразование. В нашей атмосфере его исчезающе мало, но в крупных грязных городах его концентрация резко вырастает, так как он образуется при неполном сгорании углерода в моторном топливе и при курении.

    Казалось бы, какое всё это имеет значение, если угарного газа все-таки исчезающе мало в атмосфере по сравнению с кислородом? Ну допустим, один из тысяч атомов железа присоединит к себе молекулу СО вместо кислорода, ну и что? Дело в том, что СО связывается с гемом в 25.000 раз сильнее, чем кислород! В двадцать пять тысяч раз! Таким образом, если какой-то гем забьется угарным газом, он от него уже просто не сможет освободиться до конца своих дней. Хуже того. Угарный газ поступает в наше тело не только из атмосферы. Существует еще и так называемый эндогенный монооксид углерода, который продуцируется непосредственно в нашем теле и выполняет там очень важные роли. При таких обстоятельствах мы имеем смертельную угрозу того, что наши гемы очень быстро прекратят работать. Но, мы живы и здоровы. И тому есть любопытное объяснение.

    525

    Дело в том, что наиболее выгодная энергетическая конфигурация при присоединении СО к атому железа — это перпендикуляр — см. на схеме справа. А мы помним, что гем сидит в узкой щели между спиралями Е и F. И эта щель настолько узкая, что там попросту нет места для того, чтобы молекула СО растопырилась вот таким вот образом! В итоге молекула СО тоже вынуждена цепляться к атому железа в наклонном состоянии, а в таком кривом положении ей и прицепиться сложнее, и если она и прицепилась, то ее связь с железом всего лишь в 200 раз крепче, чем у кислорода. Тоже много, конечно, но не фатально. В результате лишь около 1% гемов связывается с СО, что не играет в нашей жизни принципиальной роли.

    О миоглобине еще можно сказать, что его молекулы, содержащиеся в скелетных мышцах, и молекулы, содержащиеся в сердце, немного отличаются, и в медицине этот факт используется для выявления инфаркта миокарда по появлению специфического «сердечного» изотипа миоглобина в крови.

    В нормальных условиях, в отсутствие повреждения или воспаления мышечной ткани, миоглобин в кровь не попадает совсем. Подобно гемоглобину, миоглобин высокотоксичен при его нахождении в свободном состоянии в плазме крови: его крупные молекулы могут закупоривать канальцы почек и приводить к их некрозу. Кроме того, если миоглобин попадает в кровь, то он начинает конкурировать с гемоглобином, содержащимся в эритроцитах, и связывать кислород в лёгких, при этом не будучи способным выполнять функцию отдавания кислорода тканям. Таким образом свободный миоглобин в крови ухудшает кислородное снабжение тканей и приводит к развитию тканевой гипоксии. Самоотравление организма свободным миоглобином и как следствие острая почечная недостаточность и тканевая гипоксия — одна из главных причин смерти при синдроме длительного сдавления (краш-синдром), встречающемся при тяжелых травмах со сдавлением или размозжением значительных количеств мышечной ткани.

    В отличие от миоглобина, молекулы гемоглобина не выполняют функции накопления и удерживания кислорода про запас, зато они выполняют две другие важнейшие функции:
    1. переносят кислород из легких к периферическим тканям
    2. переносят углекислый газ и протоны с целью выведения их из организма — от периферических тканей к лёгким.
    Гемоглобин — существенно более сложная молекула, чем миоглобин, так что оставим это на потом.

    (Автор статьи: Бодх)