stringtranslate.com

Гемопротеин

Связывание кислорода с простетической группой гема, которая является частью гемопротеина.

Гемпротеин (или гемопротеин ; также гемопротеин или гемопротеин ), или гемовый белок, представляет собой белок , содержащий простетическую группу гема . [1] Они представляют собой очень большой класс металлопротеинов . Группа гема обеспечивает функциональность, которая может включать перенос кислорода , восстановление кислорода, перенос электронов и другие процессы. Гем связан с белком либо ковалентно , либо нековалентно, либо обоими способами. [2]

Гем состоит из катиона железа, связанного в центре сопряженного основания порфирина , а также других лигандов, прикрепленных к «аксиальным участкам» железа. Порфириновое кольцо представляет собой плоский дианионный тетрадентатный лиганд. Железо обычно представляет собой Fe2 + или Fe3 + . Один или два лиганда прикреплены к аксиальным участкам. Порфириновое кольцо имеет 4 атома азота, которые связываются с железом, оставляя два других координационных положения железа доступными для связывания с гистидином белка и двухвалентным атомом. [2]

Гемопротеины, вероятно, эволюционировали, чтобы включить атом железа, содержащийся в кольце протопорфирина IX гема, в белки. Поскольку это делает геммопротеины восприимчивыми к молекулам, которые могут связывать двухвалентное железо, эта стратегия поддерживалась на протяжении всей эволюции, поскольку она играет важнейшие физиологические функции. Резерв сывороточного железа поддерживает железо в растворимой форме, делая его более доступным для клеток. [3] Кислород (O2 ) , оксид азота (NO), оксид углерода (CO) и сероводород ( H2S ) связываются с атомом железа в геммопротеинах. После связывания с простетическими геммогруппами эти молекулы могут модулировать активность/функцию этих геммопротеинов, обеспечивая передачу сигнала. Поэтому, когда они производятся в биологических системах (клетках), эти газообразные молекулы называются газотрансмиттерами.

Модель субъединицы Fe- протопорфирина IX кофактора гема B.

Из-за их разнообразных биологических функций и широкого распространения гемпротеины являются одними из наиболее изученных биомолекул . [4] Данные о структуре и функции гемпротеинов были объединены в Базу данных гемпротеинов (HPD), вторичную базу данных по отношению к Банку данных белков . [5]

Роли

Гемопротеины выполняют разнообразные биологические функции, включая транспорт кислорода , который осуществляется с помощью гемопротеинов, включая гемоглобин , гемоцианин , [6] миоглобин , нейроглобин , цитоглобин и леггемоглобин . [7]

Некоторые гемопротеины — цитохромы P450 , цитохром с оксидаза , лигниназы , каталаза и пероксидазы — являются ферментами. Они часто активируют O 2 для окисления или гидроксилирования.

Гемопротеины также обеспечивают перенос электронов , поскольку они являются частью цепи переноса электронов . Цитохром a , цитохром b и цитохром c обладают такими функциями переноса электронов. Теперь известно, что цитохром a и цитохром a3 составляют один белок, и было принято название цитохром aa3. [8] Сенсорная система также полагается на некоторые геммопротеины, включая FixL, сенсор кислорода, CooA , сенсор оксида углерода, и растворимую гуанилатциклазу .

Гемоглобин и миоглобин

Гемоглобин и миоглобин являются примерами гемопротеинов, которые соответственно транспортируют и хранят кислород у млекопитающих и некоторых рыб. [9] Гемоглобин — это четвертичный белок , который встречается в эритроцитах, тогда как миоглобин — это третичный белок, который содержится в мышечных клетках млекопитающих. Хотя они могут отличаться по местоположению и размеру, их функции схожи. Будучи гемопротеинами, они оба содержат простетическую группу гема.

His-F8 миоглобина, также известный как проксимальный гистидин , ковалентно связан с 5-й координационной позицией железа. Кислород взаимодействует с дистальным His посредством водородной связи, а не ковалентной. Он связывается с 6-й координационной позицией железа, His-E7 миоглобина связывается с кислородом, который теперь ковалентно связан с железом. То же самое верно и для гемоглобина; однако, будучи белком с четырьмя субъединицами , гемоглобин содержит в общей сложности четыре гемовых единицы, что позволяет четырем молекулам кислорода связываться с белком.

Миоглобин и гемоглобин — это глобулярные белки , которые служат для связывания и доставки кислорода с помощью простетической группы. Эти глобины значительно повышают концентрацию молекулярного кислорода, который может переноситься в биологических жидкостях позвоночных и некоторых беспозвоночных.

Различия возникают в связывании лигандов и аллостерической регуляции .

Миоглобин

Миоглобин находится в мышечных клетках позвоночных и является водорастворимым глобулярным белком. [10] Мышечные клетки , когда они приводятся в действие, могут быстро потребовать большое количество кислорода для дыхания из-за их энергетических потребностей. Поэтому мышечные клетки используют миоглобин для ускорения диффузии кислорода и действуют как локализованные резервы кислорода для периодов интенсивного дыхания. Миоглобин также хранит необходимое количество кислорода и делает его доступным для митохондрий мышечных клеток.

Гемоглобин

У позвоночных гемоглобин находится в цитозоле эритроцитов. Гемоглобин иногда называют белком, транспортирующим кислород, чтобы противопоставить его миоглобину, который неподвижен.

У позвоночных кислород поступает в организм через ткани легких и передается эритроцитам в кровотоке, где он используется в аэробных метаболических путях. [10] Затем кислород распределяется по всем тканям организма и выгружается из эритроцитов в дышащие клетки. Затем гемоглобин забирает углекислый газ, чтобы вернуть его в легкие. Таким образом, гемоглобин связывает и выгружает как кислород, так и углекислый газ в соответствующих тканях, служа для доставки кислорода, необходимого для клеточного метаболизма, и удаления образующегося продукта жизнедеятельности, CO 2 .

Нейроглобин

Нейроглобин , обнаруженный в нейронах, отвечает за выработку оксида азота, способствующего выживанию нейронных клеток [11]. Считается, что нейроглобин увеличивает подачу кислорода к нейронам, поддерживая выработку АТФ, но он также функционирует как запасной белок. [12]

Пероксидазы и каталазы

Почти все пероксидазы человека являются гемопротеинами, за исключением глутатионпероксидазы. Они используют перекись водорода в качестве субстрата. Металлоферменты катализируют реакции, используя перекись в качестве окислителя. [13] Каталазы являются гемопротеинами, ответственными за катализ превращения перекиси водорода в воду и кислород. [14] Они состоят из 4 субъединиц, каждая из которых имеет гемовую группу Fe3+. Их средняя молекулярная масса составляет ~240 000 г/моль.

Галопероксидазы, участвующие в работе врожденной иммунной системы, также содержат простетическую группу гема.

Цепь переноса электронов и другие окислительно-восстановительные катализаторы

Цитохромы , цитохром с оксидаза и кофермент Q-цитохром с редуктаза представляют собой гемсодержащие белки или белковые субъединицы, встроенные во внутреннюю мембрану митохондрий, которые играют важную роль в клеточном дыхании .

Сульфитоксидаза , молибдензависимый цитохром, окисляет сульфит до сульфата.

Синтаза оксида азота

Разработанные гем-белки

Pincer-1: [15] Разработанный гем-связывающий пептид, принимающий полностью бета-вторичную структуру. ВЫШЕ: Топологическое представление Pincer-1, показывающее вторичную структуру и разработанные взаимодействующие остатки. НИЖЕ: Полностью атомная 3-мерная модель Pincer-1. Эта модель была частично подтверждена с помощью ЯМР .

Из-за разнообразных функций молекулы гема: как переносчика электронов, переносчика кислорода и как кофактора фермента, гем-связывающие белки постоянно привлекали внимание разработчиков белков. Первоначальные попытки проектирования были сосредоточены на α-спиральных гем-связывающих белках, отчасти из-за относительной простоты проектирования самоорганизующихся спиральных пучков. Участки связывания гема были разработаны внутри межспиральных гидрофобных канавок. Примеры таких разработок включают:

Более поздние попытки проектирования были сосредоточены на создании функциональных гем-связывающих спиральных пучков, таких как:

Методы проектирования достигли такой степени совершенства, что теперь стало возможным создавать целые библиотеки гем-связывающих спиральных белков. [31]

Недавние попытки дизайна были сосредоточены на создании полностью бета-гем-связывающих белков, чья новая топология очень редка в природе. Такие проекты включают:

Некоторые методологии пытаются включить кофакторы в гемопротеины, которые обычно выдерживают суровые условия. Для того, чтобы включить синтетический кофактор, сначала должно произойти денатурирование голопротеина для удаления гема. Затем апопротеин восстанавливается с кофактором. [35]

Ссылки

  1. ^ "Определение простетической группы гема". earth.callutheran.edu . Получено 2023-04-27 .
  2. ^ ab Nelson DL, Cox MN (2000). Lehninger, Principles of Biochemistry (3-е изд.). New Yorkm: Worth Publishing. ISBN 1-57259-153-6.
  3. ^ Фрейзер, Дэвид М.; Андерсон, Грегори Дж. (март 2014 г.). «Регулирование транспорта железа: Регулирование транспорта железа». BioFactors . 40 (2): 206–214. doi :10.1002/biof.1148. PMID  24132807. S2CID  2998785.
  4. ^ Reedy CJ, Elvekrog MM, Gibney BR (январь 2008 г.). «Разработка базы данных по структуре и электрохимическим функциям гем-белка». Nucleic Acids Research . 36 (выпуск базы данных): D307–D313. doi :10.1093/nar/gkm814. PMC 2238922. PMID  17933771 . 
  5. ^ Gibney BR. «База данных гемовых белков». Бруклин, Нью-Йорк: Бруклинский колледж.
  6. ^ "гемопротеины - Humpath.com - Патология человека". www.humpath.com . Архивировано из оригинала 2023-04-27 . Получено 2023-04-27 .
  7. ^ Липпард Дж., Берг Дж. М. (1994). Принципы бионеорганической химии . Mill Valley, CA: University Science Books. ISBN 0-935702-73-3.
  8. ^ Mahinthichaichan, Paween; Gennis, Robert B.; Tajkhorshid, Emad (2018-04-10). «Кислородредуктаза цитохрома aa 3 использует туннель, наблюдаемый в кристаллических структурах, для доставки O 2 для катализа». Биохимия . 57 (14): 2150–2161. doi :10.1021/acs.biochem.7b01194. ISSN  0006-2960. PMC 5936630 . PMID  29546752. 
  9. ^ Gerber, Lucie; Clow, Kathy A.; Driedzic, William R.; Gamperl, Anthony K. (июль 2021 г.). «Взаимосвязь между миоглобином, аэробной емкостью, активностью синтазы оксида азота и функцией митохондрий в сердцах рыб». Антиоксиданты . 10 (7): 1072. doi : 10.3390/antiox10071072 . ISSN  2076-3921. PMC 8301165. PMID 34356305  . 
  10. ^ ab "Гемоглобин и миоглобин | Экзамен по интегративной медицинской биохимии и рассмотрение советом | AccessPharmacy | McGraw Hill Medical". accesspharmacy.mhmedical.com . Получено 27.04.2023 .
  11. ^ ДеллаВалле, Брайан; Хемпель, Каспер; Курцхалс, Йорген АЛ; Пенкова, Милена (2010-08-01). «Экспрессия нейроглобина in vivo в реактивных астроцитах во время нейропатологии в мышиных моделях травматического повреждения мозга, церебральной малярии и аутоиммунного энцефалита: нейроглобин при реактивном астроглиозе». Glia . 58 (10): 1220–1227. doi :10.1002/glia.21002. PMID  20544857. S2CID  8563830.
  12. ^ Burmester, Thorsten; Hankeln, Thomas (июнь 2004 г.). «Нейроглобин: дыхательный белок нервной системы». Physiology . 19 (3): 110–113. doi :10.1152/nips.01513.2003. ISSN  1548-9213. PMID  15143204.
  13. ^ Winterbourn, Christine C. (2013-01-01), "Глава первая - Биологическая химия перекиси водорода", в Cadenas, Enrique; Packer, Lester (ред.), Перекись водорода и клеточная сигнализация, часть C, Методы в энзимологии, т. 528, Academic Press, стр. 3–25, doi :10.1016/B978-0-12-405881-1.00001-X, ISBN 978-0-12-405881-1, PMID  23849856 , получено 2023-04-27
  14. ^ Бжозовская, Ева; Базан, Юстина; Гамиан, Анджей (25 марта 2011 г.). «Функции бактериофагов». Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej . 65 : 167–176. дои : 10.5604/17322693.936090 . ISSN  1732-2693. ПМИД  21502693.
  15. ^ аб Нагараджан Д., Сукумаран С., Дека Г., Кришнамурти К., Атрея Х.С., Чандра Н. (июнь 2018 г.). «Дизайн мотива гем-связывающего пептида, принимающего конформацию β-шпильки». Журнал биологической химии . 293 (24): 9412–9422. дои : 10.1074/jbc.RA118.001768 . ПМК 6005436 . ПМИД  29695501. 
  16. ^ Sasaki T, Kaiser ET (1989-01-01). «Гелихром: синтез и ферментативная активность разработанного гемпротеина». Журнал Американского химического общества . 111 (1): 380–381. doi :10.1021/ja00183a065. ISSN  0002-7863.
  17. ^ Sasaki T, Kaiser ET (январь 1990). «Синтез и структурная стабильность гелихрома как искусственного гемпротеина». Биополимеры . 29 (1): 79–88. doi :10.1002/bip.360290112. PMID  2328295. S2CID  35536899.
  18. ^ Isogai Y, Ota M, Fujisawa T, Izuno H, Mukai M, Nakamura H, et al. (Июнь 1999). «Проектирование и синтез глобиновой складки». Биохимия . 38 (23): 7431–7443. doi :10.1021/bi983006y. PMID  10360940.
  19. ^ Rosenblatt MM, Wang J, Suslick KS (ноябрь 2003 г.). «De novo спроектированные циклические пептидные гемовые комплексы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (23): 13140–13145. Bibcode :2003PNAS..10013140R. doi : 10.1073/pnas.2231273100 . PMC 263730 . PMID  14595023. 
  20. ^ Robertson DE, Farid RS, Moser CC, Urbauer JL, Mulholland SE, Pidikiti R, et al. (март 1994). «Проектирование и синтез мультигемовых белков». Nature . 368 (6470): 425–432. Bibcode :1994Natur.368..425R. doi :10.1038/368425a0. PMID  8133888. S2CID  4360174.
  21. ^ Choma CT, Lear JD, Nelson MJ, Dutton PL, Robertson DE, DeGrado WF (1994-02-01). «Дизайн гем-связывающего четырехспирального пучка». Журнал Американского химического общества . 116 (3): 856–865. doi :10.1021/ja00082a005. ISSN  0002-7863.
  22. ^ Discher BM, Noy D, Strzalka J, Ye S, Moser CC, Lear JD и др. (сентябрь 2005 г.). «Дизайн амфифильных белковых макетов: контроль сборки, вставки в мембрану и взаимодействия кофакторов». Биохимия . 44 (37): 12329–12343. doi :10.1021/bi050695m. PMC 2574520. PMID  16156646 . 
  23. ^ Махаджан М, Бхаттачарджья С (июнь 2014 г.). «Спроектированный двухгемовый связывающий спиральный трансмембранный белок». ChemBioChem . 15 (9): 1257–1262. doi :10.1002/cbic.201402142. PMID  24829076. S2CID  20982919.
  24. ^ Корендович IV, Сенес A, Ким YH, Лир JD, Фрай HC, Териен MJ и др. (ноябрь 2010 г.). «De novo design and molecular assembly of a transmembrane diporphyrin-binding protein complex». Журнал Американского химического общества . 132 (44): 15516–15518. doi :10.1021/ja107487b. PMC 3016712. PMID  20945900 . 
  25. ^ ab Фарид Т.А., Кодали Г., Соломон Л.А., Лихтенштейн Б.Р., Шихан М.М., Фрай Б.А. и др. (декабрь 2013 г.). «Дизайн элементарного тетраспирального белка для разнообразных функций оксидоредуктазы». Химическая биология природы . 9 (12): 826–833. дои : 10.1038/nchembio.1362. ПМК 4034760 . ПМИД  24121554. 
  26. ^ Хуан СС, Кодер РЛ, Льюис М, Ванд АДЖ, Даттон ПЛ (апрель 2004 г.). «Макет HP-1: от структуры апопротеина до структурированного гемопротеина, предназначенного для содействия окислительно-восстановительному обмену протонов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (15): 5536–5541. doi : 10.1073/pnas.0306676101 . PMC 397418. PMID  15056758 . 
  27. ^ Faiella M, Maglio O, Nastri F, Lombardi A, Lista L, Hagen WR, Pavone V (декабрь 2012 г.). «De novo design, synthesis and characteristics of MP3, a new catalytic four-helix bundle hemeprotein». Chemistry: A European Journal . 18 (50): 15960–15971. doi :10.1002/chem.201201404. PMID  23150230.
  28. ^ Cherry JR, Lamsa MH, Schneider P, Vind J, Svendsen A, Jones A, Pedersen AH (апрель 1999 г.). «Направленная эволюция грибковой пероксидазы». Nature Biotechnology . 17 (4): 379–384. doi :10.1038/7939. PMID  10207888. S2CID  41233353.
  29. ^ Anderson JL, Armstrong CT, Kodali G, Lichtenstein BR, Watkins DW, Mancini JA и др. (февраль 2014 г.). «Построение искусственного макета цитохрома c-типа in vivo: перенос электронов, транспорт кислорода и преобразование в фотоактивный макет для сбора света». Chemical Science . 5 (2): 507–514. doi :10.1039/C3SC52019F. PMC 3952003 . PMID  24634717. 
  30. ^ Koder RL, Anderson JL, Solomon LA, Reddy KS, Moser CC, Dutton PL (март 2009). «Проектирование и разработка белка-переносчика O(2)». Nature . 458 (7236): 305–309. Bibcode :2009Natur.458..305K. doi :10.1038/nature07841. PMC 3539743 . PMID  19295603. 
  31. ^ Moffet DA, Foley J, Hecht MH (сентябрь 2003 г.). «Потенциалы восстановления средней точки и стехиометрии связывания гема для белков de novo из разработанных комбинаторных библиотек». Биофизическая химия . 85-летие Уолтера Каузмана. 105 (2–3): 231–239. doi : 10.1016/S0301-4622(03)00072-3 . PMID  14499895.
  32. ^ Махаджан М., Бхаттачарджья С. (июнь 2013 г.). «β-Шпилечные пептиды: связывание гема, катализ и структура в мицеллах детергентов». Angewandte Chemie . 52 (25): 6430–6434. doi :10.1002/anie.201300241. PMID  23640811.
  33. ^ Д'Суза А, Ву X, Йеоу ЕК, Бхаттачарджья С (май 2017 г.). «Разработанные минипротеины β-листа гем-клеток». Ангеванде Хеми . 56 (21): 5904–5908. дои : 10.1002/anie.201702472. ПМИД  28440962.
  34. ^ D'Souza A, Mahajan M, Bhattacharjya S (апрель 2016 г.). «Разработанные многоцепочечные гем-связывающие β-слоистые пептиды в мембране». Chemical Science . 7 (4): 2563–2571. doi :10.1039/C5SC04108B. PMC 5477022 . PMID  28660027. 
  35. ^ Лемон, Кристофер М.; Марлетта, Майкл А. (2021-12-21). «Дизайнерские гемовые белки: достижение новой функции с помощью абиологических аналогов гема». Accounts of Chemical Research . 54 (24): 4565–4575. doi :10.1021/acs.accounts.1c00588. ISSN  0001-4842. PMC 8754152. PMID 34890183  . 

Внешние ссылки