Строение, биологическая роль и классификация гемов

По химическому строению гем относится к группе порфиринов.

Под названием порфирины объединяют семейство молекул, центральным фрагментом которых является порфин — четыре пиррольных кольца, связанных между собой метеновыми мостиками и образующих ароматическое ядро, имеющее 26-электронную систему тг-сопряжения.

В зависимости от структуры и положения заместителей у порфина различают несколько типов порфиринов: протопорфирины, этиопорфирины, мезопорфирины, копропорфирины. Характерным свойством порфиринов является их способность образовывать комплексы с ионами металлов, связывающимися с атомами азота пиррольных колец. Примерами служат железопорфирины, в частности гем, и магнийсодержащий порфирин хлорофилл — пигмент растений, участвующий в фотосинтезе.

Все многообразие порфиринов обеспечивается различием в положении и строении боковых радикалов. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Гем (Fe-)

В молекуле протопорфирина IX порфиновое ядро содержит четыре метальные группы (в положениях 1, 3, 5, 8), две винильные группы (в положениях 2 и 4) и две пропионильные боковые цепи (в положениях 6 и 7). В центре тетрапиррольной ароматической системы гема обязательно содержится ион железа.

Гем (протогем) — тетрапиррольная ароматическая структура протопорфирина IX, в состав которого обязательно входит ион Fe²⁺. 8Р₂-гибридные атомы С и N тг-электронной системы порфиринового лиганда обеспечивают его плоскостную структуру (см. рис. 2.1, 2.2).

Рис. 2.2. Гем гемоглобина (по Л. Страйеру)

Тем не менее кристаллографические исследования свидетельствуют, что порфириновый остов деформируется и образует «куполообразные» или «гофрированные структуры».

Биологическая роль гема. Гем — простетическая группа железосодержащих белков (гемоглобина, миоглобина цитохромов, пероксидазы, каталазы и др.). Именно гем обеспечивает этим белкам их главные функции: связывание (миоглобин и гемоглобин) и транспорт кислорода (гемоглобин), участие в цепи переноса электронов (цитохромы), восстановление кислорода до воды (цитохромоксидаза), микросомальное окисление (цитохром Р₄₅₀), разложение перекисей (каталаза и пероксидаза).

Этимология приставок геми- и гемо- связана с названиями железопорфириновых группировок: комплекс порфирина с двухвалентным железом называют гемом, а порфириновый комплекс с Fe трехвалентным — гемином.

Классификация. Выделяют множество типов гемов, различающихся структурой порфиринового ядра, наиболее распространенными из которых являются гемы типов: а, Ь, с. Эти типы подразделяются на подтипы, которые, как правило, обозначаются теми же буквами с цифровыми индексами.

Первым и наиболее хорошо изученным гемом был гем Ъ. Протопорфирин IX является его ароматическим планарным лигандом. Поэтому гем Ъ часто называют Fe²⁺ протопорфирином, протогемом или просто гемом. Молекулярный состав гема: C₃₄H₃₂0₄N₄Fe с ионом Fe²⁺ в центре.

Гемы типов а и с имеет почти ту же структуру, что и гем Ъ, лишь с некоторыми незначительными отличиями в строении и положении некоторых боковых заместителей, или в формировании некоторых связей. Гем а отличается от гема Ъ тем, что во втором положении у гема а вместо винильной группы находится 1-окси-2-этильная группа, а в положении 8 вместо метильной группы — формильная группа. В геме с остатки цистеина связаны тиоэфирными связями с С-]/-атомами этильных групп во 2 и 4 положениях порфиринового блока.

В биологических системах все типы гемов связаны с белками и могут присутствовать в биологических средах в свободном состоянии только в минорных количествах. В качестве примера могут служить гемовые группы цитохромов дыхательной цепи, относящихся к группе гемопротеидов.

Цитохромы, за исключением цитохромоксидазы, классифицируются как анаэробные дегидрогеназы. Их идентификация и изучение облегчается тем обстоятельством, что в восстановленном состоянии они имеют характерные полосы в спектре поглощения, которые исчезают при окислении. В дыхательной цепи они служат переносчиками электронов от убихинона к цитохромоксидазе. Цитохромы являются железосодержащими гемопротеинами, у которых атом железа переходит из состояния Fe²⁺ в Fe³⁺ и обратно в процессе окисления и восстановления.

В состав дыхательной цепи входят цитохромы b, cl, с, аа₃ или цитохромоксидаза. Из них растворимым является только цитохром с. Помимо дыхательной цепи цитохромы имеются в эндоплазматическом ретикулуме (цитохром Р-450), в растительных клетках, бактериях и дрожжах.

Названия цитохромов дыхательной цепи сформированы в зависимости от типа гема, входящего в их молекулу (цитохромы с и cl, а и а₃). Анализ строения цитохромоксидазы (цитохром аа₃) показывает, что белок является мультимером, в состав которого входят 2 глобулы цитохрома а и 4 глобулы цитохрома аЗ. Каждый из шести протомеров этого белка имеет по одной простетической группе гема а. Методом ультрафиолетово-спектрального анализа доказана идентичность всех шести групп гема цитохромоксидазы.

Типичным цитохромом по структуре и физико-химическим свойствам является цитохром с. Это первый и наиболее полно изученный белок группы цитохромов. Цитохромами с называются такие цитохромы, у которых гем связан с белком ковалентно через боковую цепь порфирина.

Цитохромы с из эукариот обладают следующими свойствами:

• 1) молекулярной массой, близкой к 12 000 Д;
• 2) наличие одного гема на молекулу;
• 3) величиной E_v 7, близкой 0,25 В;
• 4) изоэлектрической точкой при pH 10;
• 5) высокой скоростью реакции с препаратами цитохромоксидазы из тканей млекопитающих.