Как блоха заставляет подпрыгивать слона Познание вселенной - самые интересные факты нашей планеты и всего мира
Загрузка. Пожалуйста, подождите...
Как блоха заставляет подпрыгивать слона
Как блоха заставляет подпрыгивать слона
Трудно, наверное, найти сейчас человека, которому бы не делали анализ крови. Обычно при этой процедуре набирают кровь в тонкую стеклянную трубочку, ставят трубочку вертикально и пристально следят за тем, с какой скоростью кровь расслаивается. Верхний светлый слой это сыворотка крови, нижний темно-красный эритроциты. Организм взрослого человека содержит огромное количество эритроцитов около 30 триллионов. Вместе с током крови они путешествуют по кровеносным сосудам и, если необходимо, сплющиваются или вытягиваются, чтобы проникнуть в самые тонкие из них. Какую роль выполняют эритроциты? Они захватывают в легких кислород и переносят его к тканям, затем, опустошенные, возвращаются к легким, и снова загружаются кислородом, и опять разносят его по всему организму. Один эритроцит живет примерно 120 дней, за это время он успевает перенести от легких к тканям около миллиарда молекул кислорода. Эритроцит напоминает маленький мешочек, наполненный раствором гемоглобина. Конечно, такое сравнение весьма условно, так как эритроцит клетка со всем ее сложным аппаратом (правда, ядра в ней нет). Но поскольку концентрация гемоглобина в эритроцитах высока около 33%, то в первом приближении можно говорить о мешочке с гемоглобином. Именно гемоглобин связывает кислород в легких, имен но раздает кислород клеткам организма. А потребность в кислороде у взрослого человека немалая: при мерно 300 литров в сутки. Гемоглобин, по-видимому, неплохо приспособлен к своей работе. Если бы кислород был просто растворен в крови, то для того, чтобы снабдить им все клетки, крови пришлось бы носиться по сосудам со скоростью 180 литров в минуту. Благодаря присутствию гемоглобина кровь в наших жилах течет довольно спокойно: около 5 литров в минуту. Гемоглобин уже давно интересует исследователей, этот интерес не ослабевает и поныне. Достаточно сказать, что в последнее время число ежегодных публикаций о нем приближается к 200, то есть каждые два дня из печати выходит новая научная работа. Естественно, что исследования гемоглобина затрагивают множество проблем, здесь мы расскажем только об одной, важнейшей, о способности присоединять и отдавать кислород. Успехи в изучении этого свойства гемоглобина велики: ему дано объяснение на уровне поведения отдельных атомов. Особую роль сыграли тут работы Макса Псрутца и его сотрудников, выполненные в Кембридже (Англия). Рентген-структурные исследования, начатые ими в середине 40 X годов, позволили определить положение каждого атома в молекуле гемоглобина, а нужно сказать, что общее число этих атомов составляет около 10 ООО. ГЕМ ПЛЮС ГЛОБИН Как явствует из самого названия, гемоглобин это гем плюс глобин. Глобин белковая часть молекулы, образованная четырьмя полиплоидными цепочками Эти цепочки попарно одинаковы, то есть гемоглобин состоит из двух а- и двух b- субъединиц. К каждой цепи глобина присоединен один гем, Гем состоит из порфиринов циклического соединения и атома железа, расположенного в центре кольца порфиринов. Именно порфировому кольцу обязан гемоглобин своим красным цветом. У атома железа шесть координационных вакансий Четыре удерживают его внутри порфироносного кольца и лежат в плоскости кольца, а две направлены перпендикулярно этой плоскости. Одна из них связана с цепью глобина, а другая, свободная, как раз ловит молекулярный кислород. Если шестое координационное место атома железа занимает молекула кислорода, то гемоглобин превращается в оксигемоглобин. Если все четыре гема освободились от кислорода, то гемоглобин стал дезоксигемоглобином. Субъединицы гемоглобина свернуты в пространстве совершенно определенным образом и состоят из спиральных и не спиральных участков разной длины. Каждый из четырех гемов расположен в углублении, образованном белковой цепью В статье М. Перутца. опубликованной в журнале Химия и жизнь девять лет назад*, строение молекулы гемоглобина описано более подробно Однако в то время разрешающая способность рентгенографического метода (5,5 А) была недостаточной для того, чтобы представить, как именно работает молекула гемоглобина. Это оказалось возможным лишь после расшифровки пространственной структуры окси- и дезоксигемоглобина с разрешением 2,8 А. Еще в начале XX столетия, изучая взаимодействие гемоглобина с кислородом, физиологи обнаружили удивительное обстоятельство гемы связывают кислород не самостоятельно, независимо друг от друга, а совместно, ко оперативно. Каждую следующую молекулу кислорода гемоглобин захватывает (и отдает) легче, чем предыдущую. То есть, каждый гем каким-то образом знает, присоединили соседние гемы кислород или еще нет. Положение в пространстве каждого из 10 тысяч атомов гемоглобина сейчас точно установлено. На рисунке показано, как причудливо свернута одна из четырех цепей гемоглобина. Белковая цепь обволакивает гем, в центре которого атом железа. Когда к атому железа присоединяется кислород, происходит перегруппировка 10 тысяч атомов гемоглобина начинает работать молекулярное легкое лекулы гемоглобина, одна из них уже присоединила три молекулы 02, а другая не присоединила ни одной. К какой кислород присоединится более охотно^ С вероятностью 70:1 будет выбрана первая молекула. А какая молекула гемоглобина проще расстанется с кислородом. Та, что присоединила все четыре молекулы В оксигемоглобине атом железа лежит плоскости порфироносного кольца, в дезоксигемоглобине он увеличивается в размерах и смещается к белковой цепи кислорода, или та, которая присоединила всего одну? С вероятностью 70:1 от второй молекулы отнимается ее единственное приобретение. По этому поводу Перутц цитирует библейское изречение: Имущему воздастся, а у неимущего отнимется. Такое поведение гемоглобина в течение долгого времени казалось загадочным. Было неясно, почему одна и та же молекула в течение одного дыхательного цикла изменяет свою способность присоединять кислород ведь расстояние между гемами около 30 А, и прямое взаимодействие между ними невозможно. Кооперативный характер связывания кислорода гемоглобином был объяснен Перутцем в 1970 году. Однако, прежде чем перейти к изложению его гипотезы, поясним, зачем организму нужен кооперативный механизм связывания кислорода. Потребность в кислороде у разных клеток организма примерно одинакова, и перепад давлений кислорода в разных тканях невелик. Благодаря согласованному поведению гемов гемоглобин разгружается от кислорода на 80% уже при четырехкратном перепаде давлений в тканях (от 5 до 20 мм ртутного столба). Если бы молекулы кислорода отщеплялись независимо друг от друга, то для 80%-ной разгрузки потребовалось бы изменение давления в 90 раз. Поскольку это невозможно, то значительная часть кислорода возвращалась бы в легкие неиспользованной. Человек задохнулся бы даже в атмосфере чистого кислорода. ГИПОТЕЗА ПЕРУТЦА В результате многолетней кропотливой работы он и его коллеги выяснили пространственную структуру окси- и дезоксигемоглобина, то есть с точностью до 2,8 А указали взаимное расположение всех 10 000 атомов в этих молекулах. Оказалось, что структуры оксиидезоксиформ различны, и это не только в том, что одна из них содержит четыре молекулы кислорода, а другая нет. Во-первых, изменения видны уже в самих гемах. В оксигемоглобине атом железа как раз помещается в центре порфироносного кольца, а в дезоксигемоглобиненого размеры больше, он как бы разбухает и, не помещаясь внутри порфирита, выступает из его плоскости почти на 1 А. Это разбухание связано с изменением спинового состояния атома железа. Во-вторых, в окси- и дезоксиформах по-разному выглядят и субъединицы. В оксигемоглобине последний и предпоследний аминокислотные остатки жестко не фиксированы, хвост молекулы может занимать разные положения в пространстве. В дезоксигемоглобине хвост жестко закреплен. В-третьих, оказалось, что у разных форм гемоглобина белковые цепи связаны друг с другом не одинаково. При реакции с кислородом некоторые связи между субъединицами разрываются, другие образуются вновь. В оксигемоглобине нет связей между одинаковыми субъединицами (аа или рр). В дезоксигемоглобине образуются четыре новых солевых мостика между а-цепями и два между р цепями. Значит, субъединицы дезоксигемоглобина связаны друг с другом прочнее (шесть дополнительных связей), чем субъединицы оксигемоглобина. Достаточно ли всего сказанного, чтобы понять, что происходит с молекулой гемоглобина по мере того, как она присоединяет первую, вторую, третью и четвертую молекулы кислорода? Нет, недостаточно. Зная расположение каждого атома в окси- и дезоксиструктуре и пытаясь только на основании этих данных описать работу гемоглобина, мы находимся в положении сыщика, у которого нет ничего, кроме двух фотографий одного и того же человека: на одной руки человека пусты, на другой он держит украденные им часы. Располагая только этими статичными снимками, явно невозможно восстановить весь процесс похищения часов. Заслуга М. Перугца заключается в том, что он сначала получил статичную картину структуры гемоглобина, а затем, проанализировав все известные ему экспериментальные данные и теоретические представления, предложил глубоко продуманную гипотезу о том, как эта структура работает. Что же заставляет атомы гемоглобина перестраиваться, когда происходит присоединение (или отщепление) кислорода? Или, пользуясь образным выражением Перутца, как крошечная блоха (молекула 02) заставляет подпрыгивать слона (10 тысяч атомов гемоглобина)? Предполагается, что запускает весь сложный механизм перестройки смещение атома железа из плоскости порфироносного кольца. То самое смещение примерно на 1 А, когда в дезоксифирме распухший атом железа вылезает из плоскости порфироносного кольца, а в оксиформе он набухает как раз настолько, чтобы занять дырку внутри порфирина. Когда первая молекула кислорода присоединяется к а цепи, то железо гема этой цепи втягивается внутрь порфиринового кольца, и это движение передается по полипептидной цепочке. В результате предпоследний аминокислотный остаток тирозил, жестко закрепленный в дезоксоформе, становится свободным, то есть хвост молекулы приобретает подвижность (как не вспомнить Козьму Пруткова: Щелкни кобылу в нос она махнет хвостом). В результате рвутся два солевых мостка между белковыми цепями. Следующей реагирует с кислородом вторая а-цепь и разорванными оказываются уже четыре из шести солевых мостика. Оксиструктура становится энергетически более выгодной Происходит переключение структуры от дезокси- к оксиформе рвутся оставшиеся солевые мостики между р цепями. И, наконец, кислород присоединяется к р - цепям. КООПЕРАЦИЯ ГЕМОВ Но как же объясняется ко оперативность в работе четырех субъединиц? Напрасно мы будем искать здесь какую-либо аналогию с дружеской солидарностью. Каждая свободная субъединица жадно хватает кислород, а в ансамбле ее инициативу сковывают шесть солевых мостиков, Когда эти путы разрываются, присоединять кислород становится легче. Поясним это на простом примере Четыре человека, взявшись за руки, образовали круг Каждый из них должен поймать мяч, бросаемый извне круга Человеку, который первым ловит мяч, приходится труднее всего, так как он должен освободить обе руки. Второму сделать это легче, ибо одна его рука свободна. Последний поймает мяч легче, чем все участники игры ведь он никак не связан с соседями. Ну и, конечно, когда люди стоят лицом к мячу, им поймать его легче, чем стоя к нему спиной. Первая молекула кислорода присоединяется к цезоксигемоглобину труднее всего, затем, по мере насыщения кислородом, солевые мостики между цепями разрываются и структура молекулы перестраивается от дезокси к оксиформе (то есть от структуры с меньшим сродством к структуре с большим сродством). По мере насыщения кислородом все большее и большее число молекул приобретает оксиструктуру, в которой отсутствуют скрепляющие солевые мостики между цепями и которая хватает кислород все более жадно. В этом и заключается основа корпоративности. Таковы основные положения гипотезы Перутца. Как и всякая гипотеза, она требовала экспериментальной проверки ее предпосылок, и следствий За те три года, которые прошли с момента ее опубликования, была проведена большая исследовательская работа. Результаты ее обсуждались в феврале прошлого года учеными более чем 20 стран на совещании, созванном в Кембридже по инициативе М. Перутца. Гипотеза была уточнена в некоторых деталях, отдельные моменты остаются неясными до сих пор и служат основой для дальнейших исследований, Но можно считать, что главные принципы работы молекулярного легкого гемоглобина перестали быть загадкой А ведь эта загадка мучила биологов без малого целое столетие.
Гостей :1 | Пользователей :0
Другие новости по теме:
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам либо войти на сайт под своим именем.
Посетители, находящиеся в группе Гости , не могут оставлять комментарии к данной публикации.
source
Комментариев нет:
Отправить комментарий