Файл: Научноисследовательская работа студентки 4 курса Направления подготовки 06. 03. 01 Биология Профиль Биохимия.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.12.2023

Просмотров: 181

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Роль гемоглобина как переносчика кислорода Гемоглобин железосодержащий дыхательный пигмент крови позвоночных и многих беспозвоночных животных, осуществляющий перенос кислорода от органов дыхания к тканям организма. В крови позвоночных и некоторых беспозвоночных гемоглобин содержится внутри эритроцитов в растворенном состоянии.Молекула гемоглобина позвоночных животных состоит из белка глобина и железосодержащей группы гема. В состав гема входят четыре протопорфириновых кольца, каждое из которых содержит атом двухвалентного железа. Молекулярный вес гемоглобина 66 00068 000. Физиологическая функция гемоглобина как переносчика кислорода основана на его способности обратимо связывать кислород в зависимости от концентрации последнего в крови. В присутствии кислорода железо гема связывает одну молекулу кислорода, при этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин. При взаимодействии гемоглобина с окисью углерода (например, при отравлении этим газом) образуется более стабильный комплекс карбоксигемоглобин.Продуктами распада гемоглобина являются многочисленные железопорфириновые комплексы. При этом происходит полное отделение гема от белка (хромопротеида); это отделение протекает с превращением железа в трехвалентную форму. Получаемый железопротопорфирин называется гемином, а его соединения – геминодериватами (рисунок 3). Рисунок 3 Структура гема гемоглобинаМолекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α и двух β и соответственно содержит четыре полипептидные цепочки двух сортов. Каждая α-цепочка содержит 141, а β-цепочка 146 аминокислотных остатков. Таким образом, вся молекула гемоглобина включает 574 аминокислоты. Хотя аминокислотные последовательности αи β-цепочек различны, они имеют практически одинаковые третичные пространственные структуры. Собственно говоря, приведенные выше детали структуры относятся не к гемоглобину, а к его белковой компоненте глобину. Каждая субъединица гемоглобина содержит одну небелковую (так называемую простетическую) группу гем. Гем представляет собой комплекс Fe(II) с протопорфирином. Структура гемма представлена на рисунке 2.Группировка гема представляет собой сложную копланарную циклическую систему, состоящую из центрального атома, который образует координационные связи с четырьмя остатками пиррола, соединенными метановыми мостиками (= СН -). В гемоглобине железо обычно находится в состоянии окисления (2+).Четыре субъединицы две α и две β соединяются в единую структуру таким образом, что α -субъединицы контактируют только с β -субъединицами и наоборот, как показано на рисунке 4. Рисунок 4 Схематичное изображение четвертичной структуры гемоглобина: Fe гем гемоглобинаКак видно из рисунка 4, одна молекула гемоглобина способна переносить 4 молекулы кислорода. И связывание, и освобождение кислорода сопровождается конформационными изменениями структуры α иβ -субъединиц гемоглобина и их взаимного расположения в эпимолекуле. Этот факт свидетельствует о том, что четвертичная структура белка не является абсолютно жесткой.Атом железа может образовать шесть координационных связей. Четыре связи направлены к атомам азота пиррольных колец, оставшиеся две связи перпендикулярно к плоскости порфиринового кольца по обе его стороны. Гемы расположены вблизи поверхности белковой глобулы в специальных карманах, образованных складками полипептидных цепочек глобина. Гемоглобин при нормальном функционировании может находиться в одной из трех форм: феррогемоглобин (обычно называемый дезоксигемоглобином или просто гемоглобином), оксигемоглобин и ферригемоглобин (называемый также метгемоглобином). В феррогемоглобине железо находится в закисной форме Fe(II), одна из двух связей, перпендикулярных к плоскости порфиринового кольца, направлена к атому азота гистидинового остатка, а вторая связь свободна. Кроме этого гистидинового остатка, называемого проксимальным (соседним), по другую сторону порфиринового кольца и на большем расстоянии от него находится другой гистидиновый остаток дистальный гистидин, не связанный непосредственно с атомом железа. Взаимодействие молекулярного кислорода со свободным гемом приводит к необратимому окислению атома железа гемма [Fe(II) → Fe(III); гем → гемин]. В дезоксигемоглобине глобин предохраняет железо от окисления.Обратимое присоединение кислорода (оксигенация), позволяющее гемоглобину выполнять свою основную функцию переносчика, обеспечивается возможностью образовать прочные пятую и шестую координационные связи и перенести электрон на кислород не от железа (то есть окислить Fe2+), а от имидазольного кольца проксимального гистидина.Для связывания кислорода с гемоглобином характерна кооперативность: после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается. В этом проявляется так называемый аллостерический эффект [15].Стоит заметить, что лазерное излучение оказывает влияние на процесс оксигенации гемоглобина. Авторы работы [16] измеряли величину насыщения артериальной крови кислородом первой фаланги пальца с помощью высокочувствительного быстродействующего пульсоксиметра. Третью фалангу пальца подвергали облучению He-Ne лазера (20 мВт).На рисунке 5 представлено изменение величины насыщения артериальной крови кислородом при воздействии лазерного излучением. Рисунок 5 Влияние лазерного излучения на насыщение артериальной крови кислородомНа кривые насыщения регистрируются изменения от дыхательных циклов: 40 секунд начало воздействия, 170 секунд окончание. Снижение насыщения гемоглобина синхронное с воздействием, демонстрирует дополнительное освобождение кислорода в результате фотодиссоциации гемоглобина. Это не может быть связано с улучшением микроциркуляции. Все происходит слишком быстро и синхронно. Таким образом, это значит, что низкоинтенсивное лазерное облучение высвобождает кислород в месте облучения. Авторы говорят о лазерно-индуцированной оксигенации тканей. Речь идет о селективном повышении локальной концентрации кислорода в тканях. Авторы объясняют этот эффект сдвигом кривой диссоциации оксигемоглобина. И обосновывают это совпадением спектра поглощения гемоглобина и оксигемоглобина с длиной волны He-Ne лазера. То есть, по мнению авторов, оксигемоглобин является акцептором фотона.Большой интерес для исследователей представляют особенности поведения молекул газов (лигандов) в гемовом кармане гемоглобина и миоглобина. В работе [16] рассмотрены механизмы диффузии лигандов в миоглобине, строение которого очень сходно со строением β-субъединицы молекулы гемоглобина.Результат расчетов Д. Кейза и М. Карплюса в 1979 году оказался по тем временам несколько неожиданным. Выяснилось, что скорость диффузии лиганда в белке чрезвычайно чувствительна к виду межатомных потенциалов взаимодействия, определяющих конформационную подвижность. Конформационная подвижность обусловлена возможностью вращения молекулярных групп вокруг одинарных С-С-связей [17]. В вакууме при повороте на полный угол преодолеваются обычно три потенциальных барьера высотой 2-4 ккал/моль. В плотноупакованной белковой глобуле эти вращения сильно заторможены из-за стерических препятствий, и, казалось бы, ими можно пренебречь и рассматривать только небольшие колебания атомов около локальных положений равновесия. Расчет динамики связывания лиганда с миоглобином показал, что в этом случае энергия активации диффузии составляет 100т ккал/моль, что примерно в 10 раз больше экспериментальной величины, и процесс при комнатных температурах практически заморожен. Этот результат полностью опроверг представление о белковой глобуле как об апериодическом микрокристаллике. Оказалось, что включение в расчет конформационных степеней свободы совершенно принципиально для белков и снижает энергию активации диффузии лиганда до приемлемого значения

Уравнения кривой оксигенации гемоглобина

Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора)

Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине

ГЛАВА 2 МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ СВЯЗЫВАНИЯ ГЕМОГЛОБИНА С КИСЛОРОДОМ

2.1. Модельные представления, используемые для описания взаимодействия гемоглобина с кислородом

2.2. Свободная энергия системы гемоглобин – лиганды

2.3. Описание неравновесных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом

2.4. Эффективность связывания кислорода с гемоглобином

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



Предмет формы взаимодействия гемоглобина с кислородом.

Цель работы является проведение анализа и оценки механизмов регуляции связывания гемоглобина с кислородом.

Задачи курсовой работы:

  1. Рассмотреть общую характеристику гемоглобина и его кооперативное взаимодействие с кислородом;

  2. Изучить роль гемоглобина как переносчика кислорода;

  3. Показать уравнения кривой оксигенации гемоглобина;

  4. Выявить метод неопределенных множителей лагранжа и законы сохранения;

  5. Проанализировать параметры взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект бора);

  6. Рассмотреть определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине.


ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

    1. Гемоглобин. Общие сведения


Гемоглоби́н (от др.-греч. αἷμα — кровь и лат. globus — шар) — сложный железосодержащий белок кровосодержащих животных, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. У позвоночных животных содержится в эритроцитах, у большинства беспозвоночных растворён в плазме крови (эритрокруорин) и может присутствовать в других тканях.

Гемоглобин представляет собой одну из разновидностей довольно сложного железосодержащего белка в крови человека и животных. Гемоглобин принимает участие в процессе переноса кислорода в ткани человека.

Главная функция гемоглобина состоит в переносе дыхательных газов. У человека в капиллярах лёгких в условиях избытка кислорода последний соединяется с гемоглобином. Током крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом, доставляются к органам и тканям, где кислорода мало; здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается из связи с гемоглобином. Кроме того, гемоглобин способен связывать в тканях небольшое количество диоксида углерода (CO2) и освобождать его в лёгких. Монооксид углерода (CO) связывается с гемоглобином крови прочнее, чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в геме до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH) (metHb, от мета… и гемоглобин, иначе гемиглобин или ферригемоглобин, см. Метгемоглобинемия). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода. Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в легких.

Нормальным содержанием гемоглобина в крови человека считается: у мужчин 130—170 г/л (нижний предел −120, верхний предел −180 г/л), у женщин 120—150 г/л; у детей нормальный уровень гемоглобина зависит от возраста и подвержен значительным колебаниям. Так, у детей через 1—3 дня после рождения нормальный уровень гемоглобина максимальный и составляет 145—225 г/л, а к 3—6 месяцам снижается до минимального уровня 95—135 г/л, затем с 1 года до 18 лет отмечается постепенное увеличение нормального уровня гемоглобина в крови.

Метгемоглобин — производное гемоглобина, в котором железо окислено (трехвалентно). Метгемоглобин не способен переносить кислород. Образуется в организме при некоторых видах отравлений.


Основная задача гемоглобина заключается в транспортировке кислорода. В капиллярах легких при превышенной дозе кислорода последний объединяется с гемоглобином. Поток крови, содержащий гемоглобин, соединенный с кислородом, переносится к органам и тканям, где кислород содержится в меньших дозах, здесь, нужный для проведения окислительных процессов газ избавляется от соединения с гемоглобином. Помимо этого, гемоглобин способствует соединению малого количества диоксида углерода (углекислый газ) CO2 в тканях и его высвобождению в легких. Монооксид углерода (угарный газ) CO соединяется с гемоглобином сильнее, чем кислород, формируя карбоксигемоглобин(HbCO). Кое-какие патологические процессы способствуют окислению железа гема до Fe (III). В итоге формируется патологический тип гемоглобина метгемоглобин (HbOH), также известный как гемоглобин М либо ферригемоглобин. И в том и в другом случаях перечисленные формы гемоглобина лишены способности переносить кислород. Норма содержания гемоглобина в организме человека составляет: у мужчин -130—170 грамм на литр крови. у женщин -120—150 грамм на литр крови. удетей-120—140 грамм на литр крови.

    1. Кооперативное взаимодействие


Мoлекула гемoглoбина является тетрамерoм и сoстoит из четырех субъединиц: двух α и двух β – с мoлекулярными массами примернo 16 кДа. αи β-цепи oтличаются аминoкислoтнoй пoследoвательнoстью, нo имеют схoдную кoнфoрмацию. Примернo 80% аминoкислoтных oстаткoв глoбина (белкoвoй кoмпoненты мoлекулы) oбразуют α-спирали. Каждая α-цепoчка сoдержит 141, а β-цепoчка – 146 аминoкислoтных oстаткoв. Таким oбразoм, вся мoлекула гемoглoбина включает 574 аминoкислoты.

Каждая субъединица гемoглoбина сoдержит oдну небелкoвую (так называемую прoстетическую) группу – гем. Гем представляет сoбoй кoмплекс прoтoпoрфирина с иoнoм двухвалентнoгo железа в центре (рисунок 1).

Рисунок 1 Структура гемoглoбина
Атoм железа oбразует шесть кooрдинациoнных связей. Четыре связи направлены к атoмам азoта пиррoльных кoлец, oставшиеся две связи – перпендикулярнo к плoскoсти пoрфиринoвoгo кoльца пo oбе егo стoрoны. Гемы распoлoжены вблизи пoверхнoсти белкoвoй глoбулы в специальных карманах, oбразoванных складками пoлипептидных цепoчек глoбина. Гемoглoбин при нoрмальнoм функциoнирoвании мoжет нахoдиться в oднoй из трех фoрм: феррoгемoглoбин (oбычнo называемый дезoксигемoглoбинoм или прoстo гемoглoбинoм), oксигемoглoбин и ферригемoглoбин (называемый также метгемoглoбинoм). Oкисленная фoрма гемoглoбина, метгемoглoбин, не спoсoбна перенoсить O2. В феррoгемoглoбине железo нахoдится в закиснoй фoрме Fe(II), oдна из двух связей, перпендикулярных к плoскoсти пoрфиринoвoгo кoльца, направлена к атoму азoта гистидинoвoгo oстатка, а втoрая связь занята мoлекулoй кислoрoда в oксигемoглoбине и, сooтветственнo, Н 2O в дезoксигемoглoбине.


Гемоглобин является сложным белком класса хромопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает особая пигментная группа, содержащая химический элемент железо — гем. Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α1, α2, β1 и β2. Субъединицы соединены друг с другом по принципу изологического тетраэдра. Основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия. И α, и β-цепи относятся к α-спиральному структурному классу, так как содержат исключительно α-спирали. Каждая цепь содержит восемь спиральных участков, обозначаемых буквами A-H (От N-конца к C-концу).

Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа(II). Эта простетическая группа нековалентно связана с гидрофобной впадиной молекул гемоглобина и миоглобина. Железо(II) характеризуется октаэдрической координацией, то есть связывается с шестью лигандами. Четыре из них представлены атомами азота порфиринового кольца, лежащими в одной плоскости. Две других координационных позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93 положении полипептидной цепи (участок F). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу с обратной стороны и оказывается заключённой между атомом железа и азотом ещё одного остатка гистидина, располагающегося в 64 положении цепи (участок E). Всего в гемоглобине человека четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может связываться четыре молекулы. Гемоглобин в легких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гема на 6-ю координационную связь. На эту же связь присоединяется и моноксид углерода, вступая с кислородом в «конкурентную борьбу» за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин. Связь моноксида углерода с гемоглобином более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с моноксидом углерода, не участвует в транспорте кислорода. В норме у человека образуется 1,2 % карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.


Формы гемоглобина.

При прибавлении к белку гемоглобина (глобину) глюкозы формируется гликолизированный (гликированный) гемоглобин. Образование сахарного диабета способствует перенасыщению крови глюкозой, впоследствии чего происходит увеличение уровня гликолизированного гемоглобина. Анализ на гликозилированный гемоглобин – самый результативный и требуемый метод при обследовании сахарного диабета. Больные, страдающие сахарным диабетом должны проходить биохимический анализ крови на гликозилированный гемоглобин не реже одного раза в три месяца. Помимо гликолизированного гемоглобина доктора выявили еще одну форму–фетальный гемоглобин, характеризующийся иным строением и свойствами чем нормальный. Фетальный гемоглобин иначе называемый гемоглобином новорожденных, характеризуется высокими показателями, которые постепенно снижаются к концу третьего месяца жизни ребенка. Его содержание в крови ребенка доходит до восьмидесяти процентов. К первому году существования фетальный гемоглобин у детей начинает разрушаться и почти целиком переходит в гемоглобин взрослых. Фетальный гемоглобин встречается довольно часто у новорожденных, но для взрослых его содержание является симптомом опасного заболевания. Определение уровня гемоглобина у новорожденных детей применяется при обследовании заболеваний крови и онкологических заболеваний.

Большая часть знаний о физиологии человека и многие аспекты патологии берут свое начало от исследований гемоглобина. Его белки изучались путем кристаллографии структур, клонированием и секвенированием генов, изучением ДНК. Стала известна роль гемоглобина в транспорте оксидов азота и комплексный контроль альфа и бета глобиновых генов. Эти данные позволили начать использовать гидроксимочевину для увеличения уровня фетального гемоглобина при серповидно-клеточной анемии.

Изучение структуры белков методом рентгеноструктурного анализа началось в конце 1930-х гг., когда Дж.Бернал, Д.Кроуфут-Ходжкин, Д.Филлипс и другие стали получать первые рентгенограммы белковых кристаллов. В то время метод рентгеноструктурного анализа применялся в основном для изучения структуры простых молекул. Белковые молекулы были настолько сложными, что в течение последующих 15 лет ученым так и не удалось добиться существенных успехов при изучении их структуры. Однако сам метод за это время значительно усовершенствовался с технической стороны.

Смотрите также файлы