Структура молекулы гемоглобина
Гемоглобин (Нb) — аллостерический тетрамерный (α2β2) белок, обратимо связывающий молекулярный кислород. Гемоглобин является главным компонентом эритроцитов, он обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам, а также СO2 и Н+-ионов от тканей к легким.
Молекулярная масса гемоглобинов млекопитающих, определенная различными методами, колеблется в пределах 64,5-68,0 кДа. Гемоглобин — это сложный белок, относящийся к классу гемопротеидов, то есть включает в свой состав простетическую группу (гем) и белковую часть (глобин). На гемовую часть приходится 4%, а на апобелок — 96% общей массы молекулы.
Рис. 1. Гем – простетическая группа гемоглобина
Глобин человека— белок с молекулярной массой 61,9 кДа, состоит из двух α- и двух β-субъединиц, не связанных между собой ковалентно, но прочно удерживаемых за счет гидрофобных и ионных взаимодействий. В состав α-цепи входит 141 аминокислотный остаток, β-цепи — 146, из которых 65 идентичны. Всего в молекуле гемоглобина человека содержится 574 аминокислотных остатка (таблица 1).
Таблица 1 — Аминокислотный состав гемоглобина человека
| Аминокислота | Количество аминокислотных остатков в молекуле | Аминокислота | Количество аминокислотных остатков в молекуле |
| Алании | Пролин | ||
| Лейцин | Глутамат | ||
| Валин | Аспарагин | ||
| Лизин | Аргинин | ||
| Глицин | Тирозин | ||
| Гистидин | Глутамин | ||
| Серии | Метионин | ||
| Треонин | Триптофан | ||
| Аспартат | Цистеин | ||
| Фенилаланин | Изолейцин |
Отличительная особенность аминокислотного состава глобина — низкое содержание цистеина и изолейцина, а также необычно высокое содержание гистидина (7% от общего содержания аминокислот) — в большинстве белков гистидин содержится в незначительном количестве. Поскольку pK радикала гистидина находится в области значений рН от 6,0 до 6,7, высокое содержание этой аминокислоты обеспечивает высокую буферную емкость гемоглобина при физиологических значениях рН.
Несмотря на значительные различия в первичной структуре α-и β-субъединиц гемоглобина, пространственная укладка их полипептидных цепей (третичная структура) почти идентична и очень сходна с пространственной конфигурацией миоглобина – не имеющего субъединичного строения белка, осуществляющего транспорт кислорода к митохондриям (основным потребителям кислорода). В целом стабильность третичной структуры гемоглобина как глобулярного белка определяется суммой слабых взаимодействий: электростатических и дисперсионных сил, водородных связей, гидрофобного взаимодействия. Несмотря на то, что ионные связи обладают большей энергией, все же доминирующими в поддержании нативной конформации белковой глобулы являются гидрофобные взаимодействия, явно преобладающие в количественном отношении.
Четвертичная структура Нb представляет собой комплекс четырех полипептидных субъединиц, расположенных в пространстве в форме тетраэдра, образующий сфероид размером 6,4x5,5x5,0 нм, на поверхности которого (в углублениях гидрофобных карманов каждой субъединицы) расположены гемы, имеющие вид дисков диаметром 1,5 нм и высотой 0,37 нм.
Рис. 2. Четвертичная структура гемоглобина.
Дисками обозначены плоскости гема
Вся структура молекулы Нb чувствительна к изменению физико-химических параметров среды (температура, рН, ионная сила раствора). Структурные свойства молекулы гемоглобина изучены достаточно полно, что позволяет соотносить изменение регистрируемых физико-химических характеристик гемопротеина с определенными конформационными перестройками его макромолекулы.
Как и все водорастворимые белки в районе физиологических значений рН молекулы гемоглобина ведут себя как биполярные ионы. Величина рН, соответствующая изоэлектрической точке Нb, равна 6,8, а для НbО2 она равна 6,6.