Многие глобулярные белки обладают четвертичной структурой. При этом каждая субъединица сохраняет основные черты своей третичной структуры. Соединяются они между собой слабыми связями, а иногда - и дисуль- фидными. Как правило, сохраняется и глобулярный характер укрупненной молекулы, т.е., ее шарообразная или эллипсоидная форма. В качестве примера может служить гемоглобин. Его молекула построена из четырех субъединиц. Каждая из них очень напоминает молекулу миоглобина и по характеру третичной структуры, и по наличию в ней железосодержащего гема. Вместе с тем, есть и существенные различия в первичной структуре. В соответствии с ними, разные варианты субъединиц обозначают буквами греческого алфавита а, р, у и т.д. У взрослого человека гемоглобин эритроцитов представлен почти исключительно гемоглобином А] (НЬАО, который состоит из двух а-цепей и двух Р-цепей. Характер взаимной комплементарности обеспечивает укладку 4 субъединиц относительно друг друга таким образом, что их центры находятся приблизительно в вершинах тетраэдра. В целом образуется сферическая структура диаметром около
нм. При этом между а- и р-цепями возникает множество нековалентных связей. Четыре гема расположены на расстояниях около 2,5 нм друг от друга. Как и в миоглобине, железо гема способно обратимо связывать молекулу Ог (степень окисления железа не изменяется!). Однако из-за особенностей четвертичной структуры гемоглобина его сродство к кислороду гораздо меньше, чем у миоглобина. Иными словами, доступность железа кислороду у гемоглобина хуже, чем у миоглобина. Поэтому молекулы 02, присоединившиеся к гемоглобину при прохождении кровью капилляров легких (где кислорода много), легко переходят от гемоглобина к миоглобину, когда кровь проходит по капиллярам мышц.
Но самое примечательное заключается не в этом, а в способности субъединиц гемоглобина функционировать кооперативно. Коопе- ративность проявляется в том, что присоединение кислорода к одной субъединице гемоглобина сильно облегчает его связывание с другими. В цифрах это выглядит так: в результате присоединения первой молекулы 02 сродство остальных субъединиц к кислороду возрастает в 500 раз! В данном случае имеет место положительная кооперативность. Она проявляется сигмоидным характером зависимости степени оксигенации гемоглобина от концентрации кислорода (от его парциального давления в среде). Миоглобин, не имеющий четвертичной структуры, этого качества лишен, как это видно на рис. 1-21.
Приведенный пример свидетельствует, что субъединицы олигомерного белка способны сильно влиять на функциональные свойства друг друга. В этом и заключается кооперативное взаимодействие. Оно присуше только олигомерным белкам: изменения конформации одной цепи, вызванные связыванием подходящей молекулы, однозначно отражаются на конформационном состоянии других субъединиц. Эта закономерность распространяется и на обратный процесс. Так, в случае полностью оксигенированного гемоглобина потеря одной молекулы кислорода при снижении р02 сильно облегчает отдачу второй и третьей. Кооператив- тивность проявляется значительным увеличением наклона в средней части кривой оксигенации гемоглобина (рис. 1-21, Б), которое по-
Парциальное давление Ог, мм рт.ст.
Рис. 1-21. Зависимость степени оксигенации миоглобина (А) и гемоглобина (Б) от парциального давления кислорода (рОг) в окружающем растворе.
казывает, что в этом диапазоне резко усиливается присоединение (отдача) кислорода гемоглобином в расчете на единицу изменения р02- Вследствие этого гемоглобин, почти полностью насыщаясь кислородом в легких (где р02 составляет около 100 мм рт. ст.), способен отдавать его в других тканях тем интенсивнее, чем больше они его расходуют. Лишь четверть своего кислорода отдает оксигемоглобин при снижении р02 наполовину (точнее, до уровня в 40 мм рт. ст., обычного для почти всех тканей), тогда как дальнейшее уменьшение р02 всего на 30 мм рт.ст. (типичное для интенсивно работающей мышцы) освобождает еще ^60% кислорода, заключенного в оксигемоглобине!
Сравнение кислородсвязывающих белков - миоглобина и гемоглобина — показывает, что четвертичная структура придает белку новые функции, не свойственные его субъединицам. В случае гемоглобина это, прежде всего, транспорт кислорода от легких к тканям, — функция, которую не М01ут выполнять ни его субъединицы порознь, ни аналогичный им миоглобин (из- за его слишком высокого сродства к кислороду). Кроме того, гемоглобин очень чувствителен к различным влияниям среды. В частности, даже небольшое (не выходящее за физиологические пределы) снижение pH или увеличение концентрации С02 сдвигает кривую оксигенации гемоглобина вправо, т.е., уменьшает сродство к кислороду, облегчая тем самым его отдачу тканям.
Таким образом, благодаря феномену кооперативное™ олигомерный белок гораздо чувствительнее к внешним влияниям и эффективнее реагирует на них. Обладание четвертичной структурой усиливает регуляторные возможности глобулярных белков, повышая их роль в регуляции и биохимических процессов (молекулярный уровень), и физиологических функций (на уровне клеток, тканей и всего организма в целом).
