Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

>>> Перейти на полный размер сайта >>>

       

В. Наследственные нарушения первичной структуры и функций гемоглобина А — наследственные гемоглобинопатии

Важность первичной структуры белков для формирования их конформации и функции можно проследить на примерах наследственных заболеваний, связанных с изменением первичной структуры гемоглобина. В настоящее время известно около 300 вариантов НbА, имеющих в первичной структуре а- или β -цепей лишь небольшие изменения. Некоторые из них почти не влияют на функцию белка и здоровье человека, другие снижают функцию белка и особенно в экстремальных ситуациях снижают возможность адаптации человека, третьи — вызывают значительные нарушения функций НbА и развитие анемии, что приводит к тяжёлым клиническим последствиям.

В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

  • находящиеся на поверхности белка;
  • участвующие в формировании активного центра;
  • замена которых нарушает общую трёхмерную конформацию молекулы;
  • изменяющие четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.

1. Замена аминокислоты на поверхности гемоглобина А

Ещё в 1904 г. чикагский врач Джеймс Херрик описал у студента тяжёлую анемию с обнаружением в его крови множества удлинённых, похожих на полумесяц, эритроцитов. Заболевание получило название «серповидно-клеточной анемии», и только в 1949 г. Лайнус Полинг и его сотрудники доказали, что оно вызвано изменением первичной структуры НbА.

В молекуле гемоглобина S (так назван аномальный гемоглобин) мутантными оказались 2 β-цепи, в которых глутамат, высокополярная отрицательно заряженная аминокислота в положении 6 была заменена валином, содержащим гидрофобный радикал.

В дезоксигемоглобине S имеется участок, комплементарный другому участку таких же молекул, содержащему изменённую аминокислоту. В результате молекулы дезоксигемоглобина начинают «слипаться», образуя удлинённые фибриллярные агрегаты, деформирующие эритроцит и приводящие к образованию аномальных эритроцитов в виде серпа (рис. 1-40).

Рис. 1-40. Ассоциация молекул дезоксигемоглобина S

В оксигемоглобине S комплементарный участок «замаскирован» в результате изменения конформации белка. Недоступность участка препятствует соединению молекул оксигемог-лобина S друг с другом. Следовательно, образованию агрегатов HbS способствуют условия, повышающие концентрацию дезоксигемоглобина в клетках (физическая работа, гипоксия, уменьшение pH, условия высокогорья, полёт на самолёте).

Так как «серповидные» эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, они часто закупоривают сосуды и создают тем самым локальную гипоксию. Это повышает концентрацию дезоксигемоглобина S в эритроцитах, скорость образования агрегатов гемоглобина S и ещё большую деформацию эритроцитов. Нарушение доставки O2 в ткани вызывает боли и даже некроз клеток в данной области.

Серповидно-клеточная анемия — гомозиготное рецессивное заболевание; проявляется только в том случае, когда от обоих родителей наследуются 2 мутантных гена β-цепей глобина. После рождения ребёнка болезнь не проявляется до тех пор, пока значительные количества HbF не заместятся на HbS. У больных выявляют клинические симптомы, характерные для анемии: головокружение и головные боли, одышка, учащённое сердцебиение, боли в конечностях, повышенную восприимчивость к инфекционным заболеваниям.

Гетерозиготные индивидуумы, имеющие один нормальный ген НbА, а другой ген HbS, в крови имеют лишь следовые количества серповидных клеток и нормальную продолжительность жизни; клинические симптомы болезни у них обычно не проявляются.

Для диагностики наличия HbS в эритроцитах человека используют метод электрофореза, основанного на движении заряженных белков в электрическом поле. Так как в HbS отрицательно заряженные группы глутамата в β-цепях заменены незаряженным валином, HbS в щелочной среде будет двигаться медленнее, чем НbА.

Высокая частота гена HbS среди жителей Африки (до 40% населения в некоторых районах) обусловлена тем, что гетерозиготы менее чувствительны к малярии, чем люди с нормальным гемоглобином A. Plasmodium falciparum — возбудитель малярии, облигатную часть своего жизненного цикла он проводит в эритроцитах. Так как эритроциты гетерозиготных по HbS людей имеют более короткий срок жизни, чем нормальные эритроциты, возбудитель малярии не успевает закончить необходимую стадию развития. Это создаёт избирательное преимущество для гетерозиготных по HbS людей в тех областях, где малярия вызывает гибель многих людей. Серповидно-клеточная анемия — первый описанный пример молекулярной болезни.

Почти все встречающиеся замены аминокислот на поверхности молекулы гемоглобина безвредны. Гемоглобин S — редкое исключение.

2. Изменения аминокислотного состава в области активного центра гемоглобина

Между гемом и белковой частью гемоглобина существует около 60 межатомных контактов. Большинство мутаций, нарушающих в той или иной мере эти контакты, приводят к развитию гемоглобинопатии и анемии.

Гемоглобин М — вариант гемоглобина А, где в результате мутации в гене α- или β-цепи происходит замена Гис Е7 или Гис F8 тирозином. В результате Fe2+ окисляется в Fe3+ и стабилизируется в этой форме. Гемоглобин, содержащий в геме Fe3+, называют метгемоглобином (отсюда и название — гемоглобин М). Вместо O2 к Fe3+ присоединяется Н2O. Обычно изменения затрагивают либо α-, либо β-цепи, в результате гемоглобин может переносить не более двух молекул O2. У гетерозиготных людей отмечают цианоз, связанный с нарушением транспорта O2, а гомозиготность по этому гену приводит к летальному исходу.

Гемоглобин Хаммерсмита — вариант гемоглобина А, где в положении D, вместо фенил-аланина (гидрофобной аминокислоты) находится серин (гидрофильная аминокислота). Фен D, входит в неполярное окружение гема. Замена его на гидрофильную аминокислоту приводит к нарушению прочности связывания гема с глобином; в «гидрофобный карман», где размещается гем, способна проникать вода, окисляющая Fe2+ до Fe3+, в результате чего развивается анемия.

3. Изменения аминокислотного состава, деформирующие третичную структуру гемоглобина

Во всех нормальных гемоглобинах и в миоглобине в месте пересечения двух α-спиралей В и Е находится аминокислота глицин. Так как глицин вместо радикала содержит атом водорода, в этом месте две спирали плотно прилегают друг к другу.

В гемоглобине Ривердейла—Бронкса (вариант гемоглобина А) вместо глицина в положении В6 находится аминокислота аргинин, имеющая объёмный радикал. В результате он не умещается в столь узком пространстве, молекула меняет конформацию и становится нестабильной.

4. Замены аминокислот в области контактов димеров α1β1 α22, нарушающие аллостерические регуляторные функции гемоглобина

Почти все варианты гемоглобина А, где происходит замена аминокислот в области контакта димеров α1β1, α22, проявляют пониженную кооперативность и нарушенное сродство гемоглобина к O2.

Так, гемоглобин Кемпси — вариант гемоглобина А, где в положении G, β-цепи аспарагиновая кислота заменена на аспарагин. В норме аспарагиновая кислота участвует в образовании водородной связи, стабилизирующей дезокси-гемоглобин. В результате замены эта связь не образуется, что нарушает стабильность конформации дезоксигемоглобина, и сродство гемоглобина к O2 повышается. У больных развивается анемия с выраженным цианозом.

Таким образом, первичная структура белка определяет особенности его конформации, строения активного центра и функций. Изменение одной аминокислоты только в одном белке может быть причиной нарушений функций данного белка и развития наследственной патологии.

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru