Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Рис. 9. Четвертичная структура гемоглобина. Черные диски обозначают молекулы гема

С каждым атомом железа соединяется одна кислородная молекула, т. е. одна частица гемоглобина может соединиться с четырьмя молекулами кислорода.

Существует какая-то таинственная связь между всеми атомами железа в гемоглобине. Так, если три атома железа соединились с молекулой кислорода О 2, то ускоряется связывание кислорода и четвертым атомом железа. Гидрокарбонаты, молочная кислота — продукты жизнедеятельности — ускоряют отщепление кислорода.

Каким образом кислород соединяется с железом? На этот счет нет единого мнения, но несомненно, что кислород попадает на шестое координационное место в гемоглобине. Протопорфирин — плоская молекула. Ион железа окружен четырьмя атомами азота пиррольных ядер. Пятое место в его координационной сфере занято той аминокислотой, которая связывает весь комплекс с белком (по-видимому, это гистидин). Шестое место свободно — это реакционное пространство комплекса, та зона, в которой происходят реакции. Вот в эту зону и попадает молекула кислорода (рис. 8).

Заметим, что синтетические производные порфирина, содержащие вместо железа ионы марганца(II и III), цинка, никеля(II), меди(II), не обладают способностью связывать кислород обратимо (т. е. и поглощать, и отдавать его при изменениях давления газа). Только кобальтовый комплекс (кобоглобин) обнаруживает эту способность, выраженную у него приблизительно в три раза слабее, чем у гема. Интересно, что если в гемоглобине окислить ион железа (II) до степени окисления +3, то способность связывать кислород исчезает. Полагают, что это объясняется неспособностью иона железа(III) легко передавать электроны с низших орбиталей иона на орбитали кислорода.

Огромное значение для правильного функционирования переносчика кислорода имеет строение белковой части — глобина. В результате ряда выдающихся исследований (особенно П. Перутца) было доказано, что каждая из α- и β-цепей свернута так, что ее углеводородная часть спрятана внутри клубка, а группы -ОН, NH 2, -СООН, способные образовывать связи с водой, расположены на его наружной стороне. Клубки размещены приблизительно по углам тетраэдра (не совсем правильного). Гемы лежат в особых углублениях на поверхности огромной молекулы и относительно далеко друг от друга. Но когда к гемам присоединяется кислород, происходит смещение β-цепей при неизменном характере свертывания α-цепей. β-цепи расходятся, по-видимому, в результате сдвига атомов железа после их связывания с кислородом; это в свою очередь может облегчить присоединение кислорода к последнему (четвертому) атому железа. Перутц, сравнивая гемоглобин с ферментами, заметил, что между этими веществами имеется сходство: "...это подвижные механизмы, а вовсе не какие-то статические поверхности, волшебно наделенные каталитическими свойствами". Эта мысль, в общем, получила подтверждение: детали биологических машин не абсолютно жестки, они способны приспособляться к контурам обрабатываемых изделий, достигая высокой эффективности и точности, невозможной при использовании жестких инструментов.

Миоглобин. Железопорфириновый комплекс входит и в состав миоглобина — белкового соединения, функция которого заключается в сохранении запаса кислорода в мышцах. Как и гемоглобин крови, миоглобин обратимо связывает кислород.

В отличие от гемоглобина, миоглобин содержит одну белковую полипептидную цепь и всего один гем на молекулу белка. Полученный из тканей кашалота миоглобин оказался состоящим из 153 аминокислотных остатков на молекулу. Полипептидная цепочка имеет спиральные участки. Чередование аминокислот в ней похоже, но не вполне совпадает с последовательностью аминокислотных остатков в белке гемоглобина. Как и в гемоглобине, железо миоглобина находится в степени окисления +2 и сравнительно легко окисляется до степени окисления +3 (полученный продукт называется метмиоглобином — он не способен обратимо связывать кислород).

Современные методы исследования показали, что те углубления на поверхности белковой части гемоглобина и миоглобина, в которых прячется ион железа, устроены так, что ион металла окружен главным образом углеводородными частями молекул аминокислот. Эти части слабо взаимодействуют с водой — обладают гидрофобными свойствами. Поэтому углубление, содержащее ион железа (гидрофобный карман, как его часто называют), не заполняется молекулами воды и вполне доступно для таких молекул, как кислород или оксид углерода(II). Это облегчает, конечно, работу по переносу кислорода, но создает опасность отравления, если организм находится в атмосфере, содержащей угарный газ (СО). Молекула СО тоже попадает в карман и застревает в нем. (Сродство СО к гемоглобину гораздо большее, чем к изолированному гему, т. е. комплексу, не связанному с глобином. То же относится и к миоглобину).

При первых же признаках отравления угарным газом пострадавшего надо вывести на свежий воздух. Кислород быстро вытеснит молекулы СО из соединения с гемоглобином (это соединение называется карбоксигемоглобином) и восстановит нормальный транспорт кислорода к дышащим клеткам.

Описанные комплексы железа с порфириновым циклом переносят кислород. Аналогичные соединения выполняют и множество других функций. Среди них большого внимания заслуживает процесс переноса электронов.

Цитохромы. Мы уже отмечали, что биологические машины работают так, что молекула пищевого вещества не сразу, а постепенно изменяет свой состав. Слишком быстрые реакции могли бы создать беспорядок в клеточных механизмах. Важным этапом обмена вещества (метаболизма) является отщепление от пищевых веществ водорода. Атомы водорода при этом переходят в ионное состояние, а отделенные от них электроны поступают в дыхательную цепь; в этой цепи, переходя от одного соединения к другому, они отдают свою энергию на образование богатых энергией молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), а сами, в конечном счете, попадают к молекуле кислорода и присоединяются к ней. Получившийся ион кислорода О 2образует с ионами водорода Н+ молекулы воды (рис. 10).

Рис. 10. Схема дыхательной (электронпереносящей) цепи: ФП — флавопротеид, FeS-белок — железосерусодержащий белок, KoQ — убихинон, цит b, s 1, S 2, а, а 3— система цитохромов

Мостиком, по которому бегут энергичные электроны, служат комплексные соединения железа с порфириновым ядром, очень похожие на те, которые входят в состав гемоглобина.