Введение

Гемопротеин (или гемопротеин; также гемопротеин или гемопротеин) – это белок, содержащий гемовую группу в качестве простетической группы. Они представляют собой очень обширный класс металлопротеинов. Гемовая группа обеспечивает функциональность, которая может включать перенос кислорода, восстановление кислорода, перенос электронов и другие процессы. Гем связывается с белком ковалентно, нековалентно или и тем, и другим способом. Гем состоит из иона железа, связанного в центре конъюгированного основания порфирина, а также других лигандов, присоединенных к "аксиальным позициям" железа. Порфириновое кольцо представляет собой плоский дианионный тетрадентатный лиганд. Железо обычно находится в форме Fe2+ или Fe3+. К аксиальным позициям присоединены один или два лиганда. Порфириновое кольцо содержит 4 атома азота, которые связываются с железом, оставляя две другие координационные позиции железа доступными для связывания с гистидином белка и двухвалентным атомом. Кислород (O2), оксид азота (NO), монооксид углерода (CO) и сероводород (H2S) связываются с атомом железа в гемопротеинах. После связывания с простетическими гемовыми группами эти молекулы могут модулировать активность/функцию этих гемопротеинов, обеспечивая передачу сигнала. Поэтому, когда они образуются в биологических системах (клетках), эти газообразные молекулы называют газотрансмиттерами. Благодаря своим разнообразным биологическим функциям и широкой распространенности гемопротеины являются одними из наиболее изученных биомолекул. Данные о структуре и функции гемопротеинов собраны в базе данных The Heme Protein Database (HPD) – вторичной базе данных Protein Data Bank.

Роли

Гемопротеины выполняют разнообразные биологические функции, включая транспорт кислорода, который осуществляется с помощью гемопротеинов, таких как гемоглобин, гемоцианин, миоглобин, нейроглобин, цитоглобин и легемоглобин. Некоторые гемопротеины – цитохромы P450, цитохром c оксидаза, лигниназы, каталазы и пероксидазы – являются ферментами. Они часто активируют O2 для окисления или гидроксилирования. Гемопротеины также обеспечивают перенос электронов, являясь частью цепи переноса электронов. Цитохром a, цитохром b и цитохром c обладают такими функциями переноса электронов. В настоящее время известно, что цитохром a и цитохром a3 составляют один белок, который получил название цитохром aa3. Сенсорная система также использует некоторые гемопротеины, включая FixL – датчик кислорода, CooA – датчик монооксида углерода и растворимую гуанилатциклазу.

Гемоглобин и миоглобин

Гемоглобин и миоглобин являются примерами гемопротеинов, которые соответственно переносят и запасают кислород у млекопитающих и некоторых рыб. Гемоглобин – это белок четвертичной структуры, содержащийся в красных кровяных клетках, в то время как миоглобин – белок третичной структуры, обнаруженный в мышечных клетках млекопитающих. Несмотря на различия в расположении и размере, их функции схожи. Будучи гемопротеинами, они оба содержат гемопротетическую группу. Гистидин F8 миоглобина, также известный как проксимальный гистидин, ковалентно связан с пятой координационной позицией железа. Кислород взаимодействует с дистальным гистидином посредством водородной связи, а не ковалентной. Он связывается с шестой координационной позицией железа, а гистидин E7 миоглобина связывается с кислородом, который теперь ковалентно связан с железом. То же самое справедливо и для гемоглобина; однако, будучи белком, состоящим из четырех субъединиц, гемоглобин содержит в общей сложности четыре гемовые группы, что позволяет в общей сложности четырем молекулам кислорода связываться с белком. Миоглобин и гемоглобин – это глобулярные белки, которые связывают и доставляют кислород с помощью протезной группы. Эти глобины значительно повышают концентрацию молекулярного кислорода, переносимого в биологических жидкостях позвоночных и некоторых беспозвоночных. Различия наблюдаются в связывании лигандов и аллостерической регуляции.

Миоглобин

Миоглобин содержится в мышечных клетках позвоночных и является водорастворимым глобулярным белком. Когда мышечные клетки активируются, им может потребоваться большое количество кислорода для дыхания из-за высоких энергетических потребностей. Поэтому мышечные клетки используют миоглобин для ускорения диффузии кислорода и служат локальными резервуарами кислорода в периоды интенсивного дыхания. Миоглобин также запасает необходимое количество кислорода и обеспечивает его доступность для митохондрий мышечных клеток.

Гемоглобин

У позвоночных гемоглобин содержится в цитозоле красных кровяных клеток. Гемоглобин иногда называют белком-переносчиком кислорода, чтобы отличить его от миоглобина, который неподвижен. У позвоночных кислород поступает в организм через ткани легких и передается красным кровяным клеткам в кровотоке, где он используется в аэробных метаболических путях. Считается, что нейроглобин увеличивает снабжение кислородом нейронов, поддерживая выработку АТФ, но он также выполняет функцию белков-хранилищ.

Пероксидазы и каталазы

Почти все пероксидазы человека являются гемопротеинами, за исключением глутатионпероксидазы. Они используют перекись водорода в качестве субстрата. Металлоферменты катализируют реакции, используя пероксид в качестве окислителя. Каталазы — гемопротеины, отвечающие за катализ превращения перекиси водорода в воду и кислород. Они состоят из 4 субъединиц, каждая из которых содержит гемовую группу Fe3+. Их средняя молекулярная масса составляет около 240 000 г/моль. Галопероксидазы, участвующие во врожденном иммунитете, также содержат гемопротетическую группу.

Электротранспортные цепи и другие катализаторы окислительно-восстановительных процессов

Цитохромы, цитохром c-оксидаза и кофермент Q – цитохром c-редуктаза – это гемосодержащие белки или белковые субъединицы, встроенные во внутреннюю мембрану митохондрий, играющие ключевую роль в клеточном дыхании. Сульфитоксидаза, молибденозависимый цитохром, окисляет сульфит до сульфата.