Сегодня - 10.12.2019

Грузовик для кислорода

25 ноября 2011
 

Константин Северинов

В рамках Science-кафе «Эврика!» состоялась лекция заведующего лабораториями Института молекулярной генетики РАН и Института биологии гена РАН, профессора Университета Ратгерса ( США ), доктора биологических наук Константина Викторовича Северинова. Он рассказал, как природа решила проблему транспортировки кислорода из окружающей среды к тканям многоклеточного организма. 
 
Для начала Константин Северинов предложил всем представить себя Природой или Богом, кому как нравится, и попробовать решить такую задачу: чтобы в живом организме появилась энергия и тепло, должна произойти реакция окисления. Как можно вспомнить из курса химии, для этого нужен кислород. Если организм одноклеточный, то он получает этот кислород из окружающей среды, а если многоклеточный? Кислород по своей природе плохо проникает в ткани, а значит, такой организм будет испытывать постоянное кислородное голодание, если мы не придумаем, как доставлять кислород внутрь. 
 
Аудитория предлагает организовать систему вентиляции: например, сделать канальцы, как у насекомых. 
 
- Для сложного организма сеть канальцев должна быть достаточно частой, а это вызовет у нас другие проблемы – структурные. Такое существо будет нестабильно, – остужает пыл аудитории Константин Северинов. Идея организовать транспорт кислорода к тканям нравится лектору больше.
 

Гем

- Нужно иметь вещество, которое будет уметь связывать кислород в условиях высокого парциального давления во внешней окружающей среде, затем приносить его в ткани и отдавать. Кроме проблемы переноса, нужно решить проблему хранения и запасания кислорода, потому что скорость его циркуляции в тканях может быть недостаточной для количества работы, выполняемой в данный момент мышцами. Следовательно, нам нужно устройство, которое хранило бы кислород, но выдавало его по требованию, когда нужно что-то окислить. 
 
Лучше всего кислород связывают ионы металла, например, железо Fe2+ может связать кислород, но в этом случае оно очень быстро окислится и образуется Fe3+, которое уже ничего связать не может. Значит, если мы хотим использовать железо, нам нужно предотвратить его окисление. 
 
- Для этого нужно ограничить к нему доступ кислорода. Железо связывается в структуре, которая называется гем: атом железа и протопорфирин. При этом атомы азота из протопорфирина отдают свои электроны железу, от этого оно, конечно, меньше окисляется. Гем – плоская структура, то есть две валентности железа все равно «торчат из молекулы» и могут окисляться, если кислород подойдет с обеих сторон. Соответственно, нужно ограничить доступ еще с одной стороны, что собственно и произошло. Мы ограничиваем доступ проксимальным гистидином. Так появился белок – миоглобин. Он позволяет 

Миоглобин

кислороду подойти к железу только с одной стороны. Но здесь возникает еще одна проблема: молекула кислорода соединяется с этим комплексом под углом. А монооксид углерода, образующийся в организме, связывается прямой связью. Естественно, последнее соединение, которое называется карбоксигемоглобин, будет гораздо прочнее. Нужно отметить, что монооксид углерода образуется в нашем организме постоянно, и его количества хватит, чтобы связать все молекулы гемов. Нужна еще одна группа, которая заставит связываться монооксид углерода под углом, что сделает эту связь гораздо слабее. 
 
Таким образом, мы получили миоглобин для запасания и хранения. Но нам нужно придумать такую молекулу, которая бы связывала кислород, если его много, и выпускала, когда его мало, то есть она должна быть в двух состояниях.
 
- Природа взяла для этого миоглобин. Когда вы занимаетесь спортом, давление становится таким крохотным, что он вынужден отдавать кислород, но в нормальном состоянии он его цепко держит. Но если взять не одну такую молекулу, а четыре, и объединить их в комплекс (четвертичная структура), то получится гемоглобин. Он способен существовать в двух состояниях: низкая и высокая аффинность к кислороду (то есть он может хорошо его связывать и также хорошо отдавать). 
 
ГемоглобинЭто объясняется тем, что молекула может существовать в двух конформациях: T- и R- формах (одна хорошо отдает, другая – связывает). Мы помним, что у молекулы есть четыре субъединицы, если одна из них присоединяет кислород, то она меняет структуру, чтобы весь гемоглобин сохранил свое строение, то либо та первая должна отпустить кислород, либо остальные три должны также трансформироваться. У нас получился бифункциональный молекулярный сенсор, который чувствует концентрацию кислорода и в зависимости от первого события (присоединился или отделился кислород), усиливает сигнал за счет кооперативного перевода оставшихся трех частей этого комплекса. Как же это происходит?
 
- Проксимальный гистидин в молекуле гема (вспомним миоглобин) тянет за собой железо, оно сдвигается на 0, 1 ангстрема и выходит из плоскости порфиринового кольца, а сам порфирин принимает выгнутую (вогнутую) конформацию. Это исходное состояние молекулы в T-форме. Когда связывается кислород, он тянет железо на себя на 0, 12 ангстрема, оно возвращается обратно, но тащит за собой гистидин, и он тоже сдвигается. А раз он сдвинулся, то меняется и вся спираль белка. Это небольшое движение приводит к крупной перестановке во всей остальной молекуле. 
 
Состояние связывания (низкое или высокое) контролируется кислородом, то есть тем самым агентом, который мы и хотим транспортировать. Наш молекулярный грузовик чувствует концентрацию груза, который он перевозит, в зависимости от того, наполнен он этим грузом или нет, он имеет к нему большее или меньшее связывание. 
 
- Если вы это запомните или вдруг увидите в этом красоту, значит, я достиг какой-то цели, - заканчивает лекцию Константин Северинов.  
 
Подготовила Юлия Позднякова.
 
Фото: wikipedia.org, baby.ru, chem.kcn.ru
 

 

Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus