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.
A hemeprotein (or haemprotein; also hemoprotein or haemoprotein), or heme protein, is a protein that contains a heme prosthetic group. They are a very large class of metalloproteins. The heme group confers functionality, which can include oxygen carrying, oxygen reduction, electron transfer, and other processes. Heme is bound to the protein either covalently or noncovalently or both. The heme consists of iron cation bound at the center of the conjugate base of the porphyrin, as well as other ligands attached to the "axial sites" of the iron. The porphyrin ring is a planar dianionic, tetradentate ligand. The iron is typically Fe2+ or Fe3+. One or two ligands are attached at the axial sites. The porphyrin ring has 4 nitrogen atoms that bind to the iron, leaving two other coordination positions of the iron available for bonding to the histidine of the protein and a divalent atom. Oxygen (O2), nitric oxide (NO), carbon monoxide (CO) and hydrogen sulfide (H2S) bind to the iron atom in heme proteins. Once bound to the prosthetic heme groups, these molecules can modulate the activity/function of those hemeproteins, affording signal transduction. Therefore, when produced in biologic systems (cells), these gaseous molecules are referred to as gasotransmitters. Because of their diverse biological functions and widespread abundance, hemeproteins are among the most studied biomolecules. Data on heme protein structure and function has been aggregated into The Heme Protein Database (HPD), a secondary database to the 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.