Транспорт и хранение кислорода

Живые системы используют металлопротеины на основе железа и меди, такие как гемоглобин и миоглобин, для обратимого связывания кислорода, его транспортировки по организму и хранения в тканях.

Definition

Транспорт и хранение кислорода — это раздел биоорганической химии, изучающий, как металлопротеины обратимо связывают молекулярный кислород в металлическом центре для его переноса в кровотоке и удержания в тканях для использования в дыхании.

Scope

Эта тема охватывает биоорганическую химию переносчиков дикислорода: гем-железные центры гемоглобина и миоглобина, кооперативное связывание кислорода гемоглобином и его аллостерический контроль, структурные изменения, сопровождающие оксигенацию, а также альтернативные переносчики кислорода — гемоцианин и гемеритрин. Она рассматривает обратимое связывание и хранение кислорода, оставляя катализ активации кислорода для темы металлоферментов.

Core questions

• Как гем-железный центр обратимо связывает кислород, не окисляясь?
• Почему связывание кислорода гемоглобином является кооперативным?
• Какие структурные изменения сопровождают оксигенацию?
• Как гемоцианин и гемеритрин переносят кислород с помощью меди или негемового железа?

Key concepts

• Гем и проксимальный гистидин
• Обратимое связывание дикислорода
• Кооперативность и сигмоидальная кривая
• Аллостерическая регуляция
• Гемоцианин (димедь)
• Гемеритрин (дижелезо)

Key theories

Обратимое связывание дикислорода с гем-железом

Центр железа(II) гема, удерживаемый в белковом кармане с проксимальным гистидином, связывает дикислород «в торец», в то время как белок предотвращает необратимое окисление, что позволяет осуществлять многократные циклы поглощения и высвобождения.

Кооперативность и аллостерия в гемоглобине

Связывание кислорода с одной субъединицей вызывает третичные и четвертичные структурные изменения, которые повышают сродство других субъединиц, что приводит к сигмоидальной кривой связывания, которую Перуц объяснил на основе стереохимии белка.

Альтернативные переносчики кислорода

Гемоцианин использует димедный центр, а гемеритрин — негемовый дижелезный центр для связывания дикислорода, показывая, что природа развила несколько различных металлических центров для обратимого транспорта кислорода.

Mechanisms

В гемоглобине связывание кислорода с железом одной субъединицы втягивает железо в плоскость гема и сдвигает присоединенный гистидин, вызывая четвертичное изменение, которое переводит белок из состояния с низким сродством в состояние с высоким сродством, что обеспечивает кооперативное связывание.

Clinical relevance

Химия переносчиков кислорода лежит в основе физиологии дыхания и нарушений доставки кислорода, токсичности монооксида углерода, конкурирующего за гем-центр, и молекулярных основ состояний, влияющих на гемоглобин; это справочный материал, а не клиническое руководство.

History

Молекулярная основа транспорта кислорода стала ясна с появлением первых кристаллических структур белков: Кендрю расшифровал миоглобин, а Перуц — гемоглобин, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1962 году. Затем Перуц объяснил кооперативность на основе структурных различий между оксигенированной и дезоксигенированной формами.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

Почему железо в гемоглобине не ржавеет при связывании кислорода?

Белковый карман изолирует каждый гем и располагает проксимальный гистидин и дистальные остатки таким образом, что кислород связывается обратимо без встречи двух железных центров для образования необратимо окисленного мостикового соединения, сохраняя железо доступным для многократных циклов.

Какое физиологическое значение имеет кооперативное связывание?

Кооперативность придает гемоглобину крутую, сигмоидальную кривую связывания кислорода, поэтому он эффективно загружает кислород там, где парциальное давление высокое, в легких, и эффективно высвобождает его там, где давление низкое, в тканях.