Железопорфирин

Cтраница 3

Структурная формула кофермента А ( КоА. [31]

Некоторые сложные белки, объединяемые под общим названием хромопротеиды, окрашены и включают в себя довольно разнообразные вещества небелковой природы, несущие окраску. Среди таких белков следует отметить прежде всего гемоглобин и миоглобин, у которых небелковые ( простетиче-ские) группы являются производными железопорфиринов. [32]

Для этери-фикацин порфиринкарбоновых кислот можно также использовать диазометан. Следует, однако, отметить, что этот реагент, по-видимому, непригоден для этерификации металлопорфири-нов: по крайней мере в случае железопорфиринов в результате реакции образуются окрашенные в зеленый цвет трудноотделимые побочные продукты. [33]

Возможно, с этим наблюдением связаны данные полярографических исследований [23] и исследований окислительно-восстановительных потенциалов [24], которые указывают на то, что в щелочных растворах существует димерный геми-новый продукт неопределенного строения. После того как были получены рентгеноструктурные данные о строении [ ( phtcMnbO ] ( рЫс фталоцианат) [25], было предположено [18], что указанные выше результаты магнитных измерений могли быть обусловлены оксомостиковыми димерами железопорфирина. [34]

Создание в результате эволюции белков, способных связывать кислород - хороший пример решения проблемы кооординацион-ной химии, причем природа отыскала несколько таких решений. Кофактором или простетической группой, которая связывает кислород, могут быть железопорфирин, негемовое железо, медь или, по-видимому, даже ванадий. Природа лигандов известна только в случае железопорфиринов ( разд. Кроме того, железопорфи-рин гемоглобина и миоглсбика можно заменить кобальтпсрфири-новым аналогом с образованием функционально активных аналогов гемоглобина и миоглобина, откуда следует, что природа ке исчерпала всех возможностей в использовании имеющихся в ее распоряжении металлов, акикокислот и лигандов ( разд. [35]

Необходимо подчеркнуть, однако, что изменения стереохимии железопорфирина в миоглобине значительно меньше, чем изменения, наблюдаемые в молекуле гемоглобина. Хотя невозможно сделать количественную оценку вкладов различных ошибок, например неточности нахождения фаз при определении стереохимии тема в миоглобине кашалота по сравнению с аналогичными эффектами в многочисленных исследованиях гемоглобина, данные рентгенострук-турного анализа свидетельствуют о том, что конфигурационные и стереохимические изменения тема ярче выражены в гемоглобине. Падлан [95] и Падлан и Лав [97] наблюдали изменения стереохимии железопорфирина при изменении спинового состояния, рассчитанные разностным методом Фурье только для центросиммет-ричной проекции с разрешением 300 пм - для мономерного гемоглобина glycera. При изучении проекций разностным методом Фурье в случае миоглобина кашалота с разрешением 280 пм [92] не наблюдалось практически никаких изменений. Кроме того, хотя изменений величин смещения атома железа из плоскости порфирина для метэритрокруорина и дезоксиэритрокруорина не ожидалось, тем не менее трехмерным разностным методом Фурье с разрешением 250 пм [96] были обнаружены изменения стереохимии железопорфирина и конфигурации порфирина при связывании окиси углерода дезоксипроизводным. Возможно, что более выраженная тенденция к меньшим изменениям стереохимии гемовой группы при изменении состояния окисления и лигандного окружения иона железа в миоглобине отражает фундаментальные свойства структуры, отличающие миоглобины от молекул типа гемоглобина. Тенденция к неизменности плоскостной структуры порфирина в миоглобине кашалота была недавно подтверждена спектроскопическими исследованиями. Более подробно результаты этих исследований будут обсуждены ниже ( разд. [36]

Важные стереохимические свойства железопорфирина в гемопротеинах были установлены на основе рентгеноструктурного анализа высокого разрешения модельных низкомолекулярных ме-таллопорфириновых комплексов. Эти данные были получены при подробном кристаллографическом исследовании комплексов пор-фиринов с ионами металлов, имеющими неодинаковые ионные радиусы, и железопорфириновых комплексов в различных спиновых состояниях. Для последующего обсуждения необходимо привести лишь те данные, которые относятся к стереохимии железопорфирина в гемопротеинах. Радиус центральной полости, ограниченной пиррольными атомами азота, определяется электронной структурой ядра порфина и остается практически постоянным. [37]

Строение железопорфирина цитохрома с приведено на фиг. Обнаружено, что химические и физические свойства белковой части цитохрома с, выделенного из ряда разных тканей, очень сходны. Определена также последовательность аминокислот в полученном из ряда тканей белке, соединенном с железопорфирином. Хотя в белках, выделенных из разных тканей, имеются небольшие различия, последовательность аминокислот у них в основном одна и та же. Предполагаемое строение цитохрома с схематически показано на фиг. [38]

Все константы скорости k35, приведенные в табл. 17 и относящиеся к ферментативным белкам, значительно превосходят таковые в случае денатурированных ферментов, неферментативного белка миоглобина и небелковых комплексов. Наличие белка приводит к увеличению / гзъ в 103 - 105 раз по сравнению с железодейтеро-порфирином. Если предположить, что аномалия в кинетике реакции каталазы при концентрации перекиси выше 0 4 М обусловлена тем же типом процесса установления равновесия в качестве первой стадии реакции, который влияет на кинетику гораздо более медленной реакции дейтеропорфиринового комплекса железа нри концентрации Н2О2 около 10 - 3 М, то можно заключить, что белок ускоряет эту предварительную стадию установления равновесия ( & а) примерно в 107 раз и что промежуточный продукт образован железопорфирином и Н2О2, но в его образовании не участвует белок. [39]

Кислород связывается в гемоглобине и миоглобине путем координации с высокоспиновым пентакоординационным железо ( П) пор-фириновым комплексом, содержащим в качестве лиганда гистидин. Такое обращение обычного соотношения между константами ( К Kz, по-видимому, связано с изменением спинового состояния. Следовательно, белок должен не только связывать железопорфирин с высокой константой связывания, но и обеспечить присоединение к атому железа одного и только одного аксиального лиганда. Для связывания железопорфиринов с апоНЬ и апоМЬ получены очень высокие константы ( 1010 М 1), однако-очень близкие величины сродства получены и для порфиринов, не содержащих металла. Таким образом, основной вклад в энергию связывания дают вандерваальсовы взаимодействия между порфи-риновым лигандом и неполярными остатками белка. Эти силы обеспечивают более высокое значение константы равновесия, чем. Кроме того, это позволяет белку регулировать число и природу аксиальных лигандов, связанных с железом, поскольку энергий взаимодействия между порфирином и белком гораздо выше, чем. В результате стереохимические факторы взаимодействия порфирина с белком доминируют над стереохимическими параметрами взаимодействия железа с его лигандами ( разд. [40]

Однако отсутствие кооперативного взаимодействия субьединиц в окислительно-восстановительной реакции при рН 6 не может быть обусловлено только различной ориентацией порфирина относительно ближайшего белкового окружения гемовых групп. Кооперативное взаимодействие является следствием передачи структурных изменений, берущих начало с изменения ионного радиуса железа и завершающихся при передаче структурных изменений через поверхностные области субъединиц. Как указывалось выше, ответственными за передачу эффекта изменения ионного радиуса оказываются несвязывающие взаимодействия каркаса порфирина с белковым окружением. Увеличение рН не только вызывает увеличение доли низкоспиновых окисленных производных предположительно с копланарной конфигурацией железопорфирина, но также может приводить к ионизации боковых цепей аминокислот, переводя их в форму, благоприятную для несвязывающих взаимодействий с порфириновым кольцом низкоспинового производного. Тем не менее эти малые изменения необходимы для полного проявления кооперативного взаимодействия субъединиц гемоглобина. [41]

У ряда белковых соединений несколько сложных полипептидных цепей белка могут агрегироваться вместе, создавая более сложный комплекс определенного строения, называемый четвертичной структурой белка. Каждая полипептидная цепь, образующая четвертичную структуру, называется субъединицей и сохраняет свойственные ей первичную, вторичную и третичную структуры, однако биологическая роль комплекса в целом отличается от биологической роли субъединиц вне комплекса. Фиксация четвертичной структуры обеспечивается водородными связями и гидрофобными взаимодействиями между субъединицами. Например, молекула гемоглобина - белка с четвертичной структурой - состоит из четырех субъединиц, окружающих гем ( простетическую железосодержащую группу - железопорфирин); между субъединицами нет кова-лентной связи, однако тетрамер представляет собой единое целое, в котором субъединицы тесно связаны и ведут себя в растворе как одна молекула. Наличие четвертичной структуры характерно также для других металлопротеинов и для иммуноглобулинов. При формировании четвертичной структуры белка образующийся комплекс может содержать, помимо субъединиц полипептидной структуры, и субъединицы иной полимерной природы, а также соединения других классов. [42]

Наличие такого равновесия спиновых состояний свидетельствует о том, что увеличение кооперативного взаимодействия субъединиц гемоглобина в окислительно-восстановительной реакции в щелочных условиях обусловлено восстановлением низкоспинового гидроксометгемоглобина в дезоксигемоглобин. Из зависимости изменения ориентации порфирина от спинового состояния, показанной на рис. 11, следует, что при переходе от высоко - к низкоспиновому состоянию ферригемопротеина происходит поворот порфиринового кольца приблизительно на 2, сопровождающийся размещением атома железа в плоскости пиррольных атомов азота. Это приведет к поступательному движению порфиринового кольца относительно атома железа на - 30 пм. Незначительное изменение ориентации порфиринового кольца, происходящее в результате его поступательного движения и поворота, подчеркивает важную роль малых конформационных изменений третичной структуры белка, сопровождающих изменение стереохимии железопорфирина. [43]

Железо может быть введено в протопорфирин IX без участия ферментов путем нагревания с солью железа ( II) в уксусной кислоте или в пиридине. При физиологических значениях рН, однако, неферментативное включение железа осуществляется довольно медленно. Железо вообще не включается в порфириногены, конформа-ция пиррольных колец которых не столь идеально соответствует образованию комплекса, как планарная сопряженная кольцевая система порфирина. В то же время цинк способен связываться с порфириногенами и порфиринами как ферментативным путем, так и без участия ферментов; нежелательное образование комплексных соединений с цинком затрудняет изучение железопорфиринов. [44]

Можно предположить, что изменение спинового состояния железа определяется стереохимическими факторами. Изменение спинового состояния при переносе электрона между уровнями eg и t2g сопровождается изменением ионного радиуса катиона железа и изменением длин связей металл - лиганд. Стереохимическое значение данного спинового состояния железопорфиринового комплекса, следовательно, заключается в том, что расположение катиона железа относительно плоскости координируемых атомов азота пиррольных колец порфирина зависит от длин связей железо - порфирин, изменяющихся по мере того, как меняется ионный радиус металла и взаимодействие металл - лиганд. Кроме того, поскольку связывание кислорода сопровождается изменением спинового состояния [105] и положение атома железа относительно плоскости порфирина должно коррелировать во времени и пространстве со связыванием молекулы кислорода, предполагается [103, 104], что изменение стереохимии железопорфирина вызывает конформационные изменения, ответственные за кооперативное связывание кислорода. В этом и заключается биологическая роль электронной конфигурации атома железа в физиологической функции гемоглобина. [45]

Страницы: 1 2 3 4