О.В. Мосин

Ниже приведена микроструктура хлоропласта из листьев табака. Видно, что хлоропласт состоит из оболочки, заключающей в себе неоднородный по составу матрикс-строму со складчатыми образованиями-тилакоидами, в которых локализуются пигменты хлорофиллы и вспомогательные каротиноиды.

Клетки листьев растений могут содержать несколько сотен таких хлоропластов-элиптической формы-длиной около 3-10 мкм. При старении листьев и стеблей, созревании плодов хлоропласты вследствие разрушения хлорофилла утрачивают зелёную окраску, превращаясь в хромопласты.

Все зелёные ткани высших растений содержат в своих фотосинтетических органеллах хлоропластах два хлорофилла, а и б. Ядром этих соединений служит форбин (5.9), представляющий собой хлориновую структуру, содержащую добавочное изоциклическое кольцо (кольцо Е. или кольцо V). Это кольцо образуется в процессе биосинтеза путем окисления и замыкания цепи пропионатного заместителя при С-13 на углеродный атом 7-метинового мостика 4С-15). Структуры хлорофиллов а и 6 (5.10) и (5.11) различаются лишь заместителем при С-7. В хлорофилле a - это - СНз, а в хлорофилле b - СНО. Другими важными особенностями хлорофилла являются хелатирование иона Mg2+ и этерификация С-17-пропионатного заместителя изопреноидным спиртом фитолом. Известно также существование хлорофиллов, в которых роль этерифицирующего спирта играет геранилгераниол.

Хлорофилл а характерен для всех водорослей. В Cyanophyta содержится только хлорофилл а, а в Chlorophyta и Euglenaphyta и хлорофилл а, и хлорофилл б. Водоросли других классов также содержат хлорофилл а, но вместе с другими хлорофиллами, слегка отличающимися по картине распределения заместителей. Например, в Chrysophyta, Pyrrophyta и Phaeophyta присутствует хлорофилл с (5.12), а в Rhodophyta - хлорофилл d (5.13).

Фотосинтезирующие бактерии содержат бактериохлорофиллы. У большинства видов это тетрагидропорфины - бактериохлорофилл а (5.14) и бактериохлорофилл b (5.15). Наряду с фитолом в качестве спиртов в состав молекулы этих бактериохлорофиллов входят фарнезол (5.16) и геранилгераниол (5.17).

Серные бактерии Chlorobium содержат ряд хлоробиумхлорофиллов (бактериохлорофиллы с и d, которые являются дигидропорфинами (5.18).

Хлорофиллы локализованы в хлоропластах высших растений и водорослей и в более простом фотосинтетическом аппарате прокариотических сине-зеленых водорослей и фотосинтезирующих бактерий. In vivo, было обнаружено несколько спектрофотометрически различающихся форм хлорофиллов, что указывает на возможные различия в их функционировании в процессе фотосинтеза. Вероятно, спектрофотометрические различия обусловлены микроокружением молекул хлорофилла, например ассоциацией их с белками или специальной упаковкой.

Хлорофиллы как все сложные эфиры растворимы в большинстве органических растворителей. Из тканей, в которых они содержатся, их можно экстрагировать полярными органическими растворителями, в частности ацетоном и спиртами. Хлорофиллы не стабильны и легко разрушаются при действии света, кислорода, тепла, кислот и щелочей. В растворе, даже при комнатной температуре, хлорофиллы а и Ь подвергаются изомеризации до близких по структуре хлорофиллов а' и Ь', которые, вероятно, являются эпимерами (по СООМе в кольце Е) собственно хлорофиллов. В присутствии кислот удаляется ион магния и в результате образуется феофитин (5.19). Это происходит настолько легко, что феофитин в довольно больших количествах обычно обнаруживается как артефакт на хроматограммах растительных экстрактов. Более жесткая обработка кислотой приводит к отщеплению этерифицирующего спирта (фитола и т. п.), в результате чего образуется водорастворимый феофорбид (5.20).

Феофорбиды и их метиловые эфиры, а также хлорофиллид (5.21) являются продуктами щелочного гидролиза хлорофиллов в отсутствие кислорода. Поэтому омыление служит полезным способом разрушения хлорофилла и применяется в целях облегчения работы с другими липидами растений. Водорастворимые продукты разрушения хлорофилла эффективно удаляются промыванием экстракта водой.

Некоторые из этих продуктов широко используются в исследованиях биосинтеза хлорофилла с применением радиоактивных ( 14С и 3Н) и стабильных (13С) изотопов. Продукты разрушения хлорофилла относительно стабильны, и работать с ними легко. Кроме того, их легко очистить и получить для них ЯМР-и другие спектры, которые значительно более просто интерпретировать, чем соответствующие спектры собственно хлорофиллов.

Спектры поглощения хлорофиллов а и б в диэтиловом эфире приведены на рисунке. Полосы поглощения расположены при 430 и 455 нм соответственно, а наибольшие длины волн а-полос поглощения составляют 662 и 641 нм соответственно. Главные свойства спектров хлорофиллов с и d, а также хлоробиум-хлорофиллов сходны со свойствами спектров хлорофиллов а и б, однако максимумы поглощения их спектров различаются.

Бактериохлорофиллы а и б (рис.) также дают полосы поглощения приблизительно при 400 нм (358 и 368 нм соответственно), однако характерная для них более сильная поляризация тетрагидропорфинового хромофора вызывает появление а-полос поглощения при значительно больших, чем у хлорофиллов, длинах волн (772 и 794 нм соответственно), находящихся в инфракрасной области спектра. Поэтому бактериохлорофиллы не имеют интенсивной окраски.

Свободного хлорофилла в животных тканях обычно нет; его можно обнаружить лишь в кишечнике травоядных. Некоторые виды животных, в частности водные беспозвоночные, содержат симбиотические одноклеточные водоросли. Интересным примером представляется одна из тропических асцидий, которая, как было обнаружено, содержит неизвестный ранее тип прокариотических зеленых водорослей Prochloron, в настоящее время рассматриваемый многими исследователями как "недостающее звено" в эволюционной цепи высших растений и их хлоропластов.

Другие животные способны сохранять и накапливать функционирующие хлоропласты из растительного материала, поступающего с пищей. Одним из примеров может служить кишечнодышащий моллюск Elysia viridis, который способен накапливать до 108 хлоропластов (в одном организме).

Источником этих хлоропластов является сифоновая водоросль Codium fragile, причем скорость фотосинтеза в хлоропластах, содержащихся в животном, сравнима со скоростью этого процесса в интактных водорослях. Очевидно, все такие животные должны содержать хлорофилл и поэтому окрашены обычно в зеленый цвет.

Продукты распада хлорофиллов, включая феофорбиды, хлорины и филлоэритрин (5.22), in vivo в растениях встречаются редко (хотя они и являются распространенными артефактами). В то же время ряд животных, в частности некоторые многощетинковые черви и эхиуриды, используют их в качестве пигментов наружных покровов. Эти соединения могут образовываться в животных из получаемого с пищей хлорофилла или поступать непосредственно с распадающимися растительными остатками, которыми питаются животные. У травоядных или всеядных, в том числе у человека, главным продуктом распада хлорофилла является филлоэритрин, который содержится в пищеварительном тракте и в желчи.

Простетическая группа наиболее известных животных пигментов - белка крови гемоглобина и мышечного белка миоглобина, так же как хлорофилл, является порфирином. Гемоглобин и миоглобин являются гемопротеинами, т. е. белками, содержащими в качестве простетической группы порфирин с хелатированпым ионом железа, или гем. К гемопротеинам относятся также цитохромы и некоторые ферменты, такие, как пероксидаза и каталаза. В функционирующих гемоглобине и миоглобине железо находится в восстановленной форме, Fe2+; если же в их молекулах присутствует окисленная Ре3+-форма, то они неактивны. Что касается цитохромов, то их нормальное функционирование зависит от легкости взаимопревращения окисленной и восстановленной форм.

Жизненно важным пигментом крови, переносящим кислород у большинства животных, в том числе у млекопитающих, является гемоглобин - гемопротеин, который в качестве простетической группы содержит протогем (5.23), представляющий собой Fe-хелатный комплекс протопорфирина IX. Мышцы содержат структурно и функционально сходный с ним пигмент - миоглобин. Эти два белка были первыми белками, трехмерная структура которых была установлена с помощью рентгеиоструктурного анализа. Миоглобин имеет единственную полипептидную цепь, состоящую из 153 аминокислотных остатков (мол. масса 17800). Его трехмерная структура показана на рисунке. Пептидная цепь миоглобина свернута таким образом, что его молекула очень компактна. Около трех четвертей цепи имеет структуру а-спирали, в которую входят восемь различных спирализованных сегментов. С наружной стороны молекулы расположены как полярные, так и неполярные аминокислотные остатки, в то время как во внутренней части содержатся исключительно неполярные остатки, которые обеспечивают гидрофобное окружение единственного тема. Атом железа в геме находится всегда в двухвалентном состоянии (Fe2+); он способен образовывать комплексы с шестью лигандами, четыре из которых являются пиррольными N-атомами порфирина. Пятой координационной связью гем связывается с белком через атом азота имидазольного кольца гистидинового остатка глобина (известного как проксимальный гистидин). По шестой координационной связи легко присоединяется кислород с образованием окси-миоглобина. В дезоксимиоглобине шестая связь остается свободной. Второй гистидиновый остаток глобина (дистальный гистидин) находится очень близко к кислородсодержащему участку, но он не связан с гемом. Если атом железа окислен до Fe3+, т. е. молекула миоглобина превращена в ферримиоглобин, то последний способен присоединять по шестой координационной связи лишь воду, а не кислород и потому не может быть переносчиком кислорода.

Белковая структура гемоглобина более сложна. Гемоглобин млекопитающих (в том числе человека) имеет мол. массу 64 500 и состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых содержит свой собственный гем. Преобладающая форма гемоглобина у взрослых людей - гемоглобин А - имеет две пары полипептидных цепей: а-цепей, каждая из которых состоит из 141 аминокислотного остатка, и р-цепей- по 146 остатков в каждой. В содержащемся в небольшом количестве у взрослых людей гемоглобине Аа и в зародышевом гемоглобине F р-цепи замещены другими полипептидами. Несмотря на то что аминокислотные последовательности полипептидных цепей гемоглобина и миоглобина в значительной степени различаются; трехмерные структуры их чрезвычайно сходны и темы в молекулах того и другого занимают гидрофобные полости внутри свернутых полипептидных цепей. Проксимальный и дистальный остатки гистидина входят в число девяти аминокислот, которые одинаковы во всех миоглобинах и гемоглобинах у ряда изученных в этом отношении видов животных.

Четыре полипептидные цепи гемоглобина ассоциированы в примерно тетраэдрическую структуру и образуют почти сферическую молекулу. Каждая из а-цепей контактирует с двумя р-цепями, в то время как между двумя а-цепями или между двумя р-цепями взаимодействие почти отсутствует. Каждый из четырех гемов гемоглобина способен присоединить одну молекулу кислорода. Кислородсодержащая форма гемоглобина называется оксигемоглобином (5.24б), а форма, не содержащая кислорода, - дезоксигемоглобином (5.24 а). Когда дезоксигемоглобин поглощает кислород, в его трехмерной структуре происходит ряд изменений, главным образом перемещение атома Fe2+ в плоскость системы колец тема (см. ниже и рис). Как и в случае миоглобина, окисление Fe2+ до Fe3+ приводит к образованию неактивной формы гемоглобина - метгемоглобина, которая не способна присоединять молекулярный кислород.

Способность обратимо образовывать комплексы с кислородом обусловливает жизненно важную роль гемоглобина как переносчика кислорода у животных. У млекопитающих гемоглобин содержится в красных кровяных клетках (эритроцитах) и отвечает за перенос кислорода из легких по артериям, артериолам и капиллярам в различные ткани тела. Он также помогает переносить двуокись углерода по обратному пути от тканей в легкие. Способность артериальной крови переносить кислород в присутствии гемоглобина в 70 раз выше, чем в его отсутствие. Сродство к кислороду у миоглобина значительно больше, чем у гемоглобина, поэтому миоглобин может принимать кислород от гемоглобина для использования или сохранения его в мышечных клетках.

Детали механизма связывания кислорода гемоглобином сложны, но хорошо изучены. Будучи чрезвычайно важным с физиологической точки зрения, этот процесс служит прекрасной иллюстрацией аллостерических взаимодействий и регуляции. Характерные особенности связывания кислорода гемоглобином могут быть суммированы следующим образом:

1. Кривая связывания - освобождения кислорода гемоглобином имеет сигмоидную форму (тогда как форма соответствующей кривой для миоглобина гиперболическая). Это свидетельствует о том, что связывание кислорода гемом - кооперативный процесс, т. е. связывание кислорода одним гемом облегчает его связывание другими генами.

2. Сродство гемоглобина к кислороду зависит от величины рН и содержания СО2.

3. Органические фосфаты, особенно 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ), также оказывают влияние на сродство гемоглобина к кислороду.

Аллостерические свойства гемоглобина обусловлены взаимодействием четырех субъединиц его молекулы. При связывании кислорода прежде всего происходит перемещение атома железа гема в плоскость гема оксигемоглобина, а проксимальный гистидин приближается к кольцу тема (рисунок). Такое перемещение вызывает последующие небольшие изменения третичной структуры субъединицы, в частности изменяется положение тирозино-вого остатка и смежной С-концевой аминокислоты. В результате исчезают некоторые взаимодействия между субъединицами; следовательно, четвертичная структура дестабилизируется. При этом изменяется конформация других субъединиц, что облегчает связывание ими кислорода. И наоборот, освобождение кислорода одним из гемов приводит к изменениям конформации и взаимодействий между субъединицами, что облегчает освобождение кислорода другими темами.

С понижением рН освобождение О2 гемоглобином облегчается. То же происходит при повышении концентрации СО2. Это чрезвычайно важно с физиологической точки зрения, так как в тканях с быстро протекающим обменом веществ, таких, как мышечная ткань, образуется много СО2 и кислот. Высокие уровни СО2 и Н+ стимулируют освобождение О2 из гемоглобина, и таким образом удовлетворяется потребность в большом количестве кислорода в метаболически активных тканях. После освобождения кислорода дезоксигемоглобин присоединяет Н+ и СО3. Для альвеолярных капилляров легких характерна более высокая концентрация кислорода, и там по мере связывания дезо-ксигемоглобином кислорода происходит освобождение Н+ и СО2.

Структурные превращения, которые претерпевает при этом молекула гемоглобина, были подробно изучены. При переходе от оксигемоглобина к дезоксигемоглобину в результате конформационных изменений карбоксилсодержащие аминокислотные остатки приближаются к некоторым гистидиновым остаткам и концевым NHs-группам. С изменением локального заряда микроокружения повышается величина рК кислого остатка и таким образом возрастает его сродство к Н+СОз также значительно легче связывается с дезоксигемоглобином, чем с ок-сигемоглобином. Она связывается с концевой NH2-группой каждой цепи с образованием карбаминопроизводных.

У человека ДФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду в 26 раз. Это очень важно с физиологической точки зрения, поскольку в отсутствие этого механизма гемоглобину было бы трудно освобождать много кислорода в капиллярах тканей. Такое действие ДФГ обусловлено его способностью связываться с дезоксигемоглобином, но не с оксигемоглобином. Одна молекула ДФГ связывается с гемоглобиновым тетрамером, располагаясь в центральном пространстве в непосредственной близости ко всем четырем субъединицам. Связывание ДФГ и О2 - взаимоисключающие процессы. В ходе оксигенации конформационные изменения приводят к значительному уменьшению центрального пространства в гемоглобиновом тетрамере и молекула ДФГ вытесняется. Однако при этом необходимо нарушение ДФГ-белкового взаимодействия, что затрудняет связывание кислорода гемоглобином. Для поглощения ДФГ в свою очередь требуется расщепление связи гемоглобин-О2, так что ДФГ облегчает высвобождение кислорода. Функционирование ДФГ в упрощенном виде представлено уравнением на рис. 5.10.

Сродство гемоглобина к окиси углерода гораздо больше, чем к кислороду; следовательно, СО может вытеснять кислород из оксигемоглобина. Образующийся при этом карбоксигемоглобин не способен служить переносчиком кислорода, и поэтому окись углерода является весьма эффективным ядом. Карбоксигемоглобин имеет вишневокрасную окраску, характерную для цвета лица людей, отравившихся окисью углерода, что позволяет легко диагностировать отравление. Функционирование гемоглобина могут серьезно нарушать различные лекарственные препараты. Известно, что продукты метаболизма ацетанилида, фенацетина и некоторых других лекарственных препаратов индуцируют окисление гемоглобина до Ре3+-формы (метгемоглобина), приводя к серьезному снижению кислород пер вносящей способности крови.

Так же как и у большинства других животных, у человека на разных стадиях развития организма имеются различные типы гемоглобина в крови. Гемоглобин плода и гемоглобин взрослого человека различаются по спектрам поглощения света и электрофоретическим свойствам. В крови зародыша на ранних стадиях его развития присутствует гемоглобин третьего типа. Зародышевый гемоглобин F обладает более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин А взрослых людей. Благодаря этому возможен оптимальный перенос кислорода от гемоглобина А матери к гемоглобину F плода. Более высокое сродство гемоглобина F к кислороду подтверждается также тем, что он связывает ДФГ менее прочно, чем гемоглобин А.

Существует много генетических вариаций человеческого гемоглобина. Наиболее известная из них найдена при "серповидно-клеточной анемии" - мутации одного гена, которая в гомозиготном состоянии вызывает деформацию эритроцитов с образованием клеток, имеющих форму серпа. Гемоглобин S таких серповидных клеток отличается от нормального гемоглобина лишь одним аминокислотным остатком в р-цепях. В нем происходит замена полярной глутаминовой кислоты на неполярную аминокислоту валин, что приводит к очень сильному снижению растворимости дезоксигемоглобина S, хотя растворимость оксигемоглобина при этом остается нормальной. Дезоксигемоглобин S образует волокнистый осадок, который вызывает деформацию и разрушение эритроцитов и как следствие - хроническую гемолитическую анемию.

В настоящее время известно более 100 мутантных гемоглобинов. Некоторые из замен являются безвредными "поверхностными" заменами, тогда как другие, которые затрагивают кислородсвязывающие участки, третичную структуру или взаимодействия субъединиц в четвертичной структуре (что сказывается на аллостерических эффектах), могут очень сильно влиять на связывание кислорода.

Подобно хлорофиллу, спектры поглощения тема и гемопротеинов характеризуются интенсивными полосами поглощения при 400 нм, а также другими интенсивными пиками поглощения между 500 и 600 нм. Максимумы поглощения дезокси-гемоглобина ( - 425 и 560 нм) и оксигемоглобина (~414, 543 и 578 нм) различны и очень характерны (рисунок). Гемоглобин имеет пурпурную, а оксигемоглобин - оранжево-красную окраску. У карбоксигемоглобина (вишнево-красного) максимумы поглощения слегка сдвинуты в синюю область по сравнению с оксигемоглобином. Спектры поглощения окси- и дезоксимиоглобинов очень сходны со спектрами для соответствующих гемоглобинов. Точные положения максимумов поглощения гемоглобинов у различных видов животных весьма характерны и зависят от свойств белковой молекулы. Этот признак очень полезен при выяснении таксономических корреляций. Гем можно отделить от связанного с ним белка и образовать комплекс через оставшиеся две координационные связи с другими азотсодержащими молекулами, например с пиридином. Такие продукты, известные как гемохромогены, имеют чрезвычайно характерные спектры поглощения и очень полезны при идентификации геминовых простетических групп.

Гемоглобин является пигментом крови практически у всех позвоночных, а также у многих беспозвоночных животных. Однако он не обнаружен у Porifera, Coelenterata, Rotifera, Sipuncula, Polyzoa, Brachiopoda, Onychophora, Tardigrada, Chaetognata и Protochordata и довольно редок у Arthropoda.

У позвоночных гемоглобин локализован в эритроцитах. У беспозвоночных он может содержаться в специальных частицах, но чаще присутствует в растворенном виде в крови или гемолимфе. Гемоглобин встречается почти во всех тканях тела.

Размеры гемоглобинового комплекса варьируют в очень широких пределах. Как уже упоминалось, гемоглобин млекопитающих имеет тетрамерную форму с мол. массой 64500. У других представителей животного царства были найдены его мономерные и димерные формы (с мол. массой 17000 и 34000 соответственно), в то время как у многих беспозвоночных сложные молекулы значительно крупнее и могут иметь мол. массу до 3 000 000.

Состав и последовательность аминокислот в гемоглобинах различных видов животных сильно варьируют, что приводит к различиям в максимумах поглощения света, растворимости, изоэлектрической точке, сродстве к кислороду и устойчивости изолированных пигментов к кислотам, щелочам и нагреванию. Даже среди млекопитающих имеются значительные различия в стабильности и форме кристаллов выделенных гемоглобинов. Эти структурные различия ограничиваются белковой частью молекулы, тогда как все формы гемоглобинов содержат одну и ту же протогемовую простетическую группу.

Наряду с различиями в гемоглобине между семействами, родами, видами или даже подвидами могут также существовать различия в гемоглобине у какого-либо индивида в разные периоды жизни или даже в одно и то же время. Как упоминалось выше, человек имеет различные типы гемоглобина в крови в разные периоды жизни. Та же ситуация встречается и у других видов; например, гемоглобины цыпленка и курицы или головастика и лягушки различны, причем во всех случаях пигмент молодого организма имеет более высокое сродство к кислороду.

У многих животных имеется более чем один гемоглобиновый компонент в крови; эти компоненты в некоторых случаях выполняют разные функции. Два гемоглобиновых компонента тихоокеанского лосося, Onchorhynchus keta, сильно различаются между собой по сродству к кислороду; этот факт может объясняться необходимостью для этого вида проводить часть жизни в соленой воде, а часть - в пресной.

Хотя гемоглобин обычно считается продуктом чисто животного происхождения, одна его форма - леггемоглобин, была обнаружена у бобовых растений. Его присутствие ограничено клетками корневых клубеньков, содержащих симбиотические азотфиксирующие бактерии (Rhizobium spp.). Гемопротеины со свойствами гемоглобинов обнаружены также у некоторых грибов и простейших.

Гемоглобин эритроцитов в капиллярных кровеносных сосудах кожи придает розоватый оттенок коже людей "белой" расы. У большинства других позвоночных эта окраска скрыта волосами, перьями, чешуей или завуалирована другими кожными пигментами. Гемоглобином обусловлена розовая окраска языка, внутренней части ушей и кончика носа у многих млекопитающих. Некоторые специфические ткани или участки тела могут окрашиваться гемоглобином в красный цвет и играть при этом роль предупреждающих сигналов, или признаков определенного пола, например голая шея у некоторых грифов, бородка у индюка и других птиц, а также ягодицы у павиана. Среди беспозвоночных обусловленная гемоглобином окраска наблюдается у многих многощетинковых и однощетинковых кольчатых червей (например, у "мотыля"), а также при некоторых условиях у ветвистоусых и листоногих Crustaceae. Однако гемоглобин вносит свой вклад в окраску лишь небольшого числа животных, позвоночных и беспозвоночных.

Хлорокруорин. Близкородственным гемоглобину является другой гемопротеин - хлорокруорин, или хлорогемоглобин, который служит переносчиком кислорода в зеленой крови очень ограниченной группы многощетинковых червей. Простетическая группа хлорокруорина - хлорокруорогем (5.25) -отличается от про-тогема тем, что в нем вместо винильной группы при С-3 находится формильная, т. е. альдегидная, группа. Во всех других отношениях, а именно образованием комплекса хлорокруорогема с глобиновым белком, а также сродством такого комплекса к кислороду хлорокруорин сходен с гемоглобином. В спектре поглощения оксихлорокруорина полоса поглощения наблюдается при 430 нм, а а- р-полосы поглощения - при 604 и 558 нм, т. е. при больших длинах волн, чем у оксигемоглобина. Окси- и дезокси-формы хлорокруорина по окраске почти не различаются, однако для этого пигмента характерен сильный дихроизм, и его окраска при разбавлении меняется от красной до зеленой. Лишь у очень небольшого числа видов хлорокруорин придает телу животного зеленоватую окраску.

Гемоцианин, гемоэритрин и гемованадин. Эти соединения служат пигментами крови или дыхательными пигментами у очень небольшого числа беспозвоночных. Они представляют собой металлопротеины и включены в этот раздел условно, так как, несмотря на названия, не являются ни производными гема, ни производными порфирина. Например, гемоцианины брюхоногих моллюсков, таких, как улитка Helix pomatia, представляют собой гигантские белки (мол. масса 9-106). Их функциональной единицей, которая связывает одну молекулу О2) служит пара атомов меди, окруженная компактно свернутым полипептидом с мол. массой 50000. От семи до девяти таких функциональных единиц составляют фрагмент с мол. массой 4-5-105, а молекула гемоцианина включает 20 таких фрагментов.

Цитохромы электронтранспортной цепи. Цитохромы представляют собой группу небольших гeмопротеинов, у которых в отличие от гемоглобина и миоглобина входящий в состав их гема атом железа легко подвергается обратимому окислению и восстановлению. Это свойство придает им чрезвычайно важное биологическое значение в переносе электронов. Цитохромы содержат все животные, растения и аэробные микроорганизмы. К настоящему времени выявлено vt довольно детально изучено большое число цитохромов. На основании природы содержащейся в них простатической группы и способа ее связи с белками их можно разделить на четыре главные группы - цитохромы а, б, с и d.

Простатическая группа цитохрома b представляет собой протогем (5.23), как и у гемоглобина. Гемогруппа цитохрома а, обозначаемая как гем а (5.26), отличается от протогема заменой метильнои группы при С-18 на СНО-группу и модификацией винильной группы при С-3 путем присоединения к ней С15-(фарнезил)изопреноидной цепи. Название цитохром d применяется к цитохромам с дигидропорфириновой (хлориновой)-простетической группой, содержащей железо (5.27); боковые цепи заместителей у этой простетической группы могут варьировать. Группа цитохрома с включает все цитохромы, у которых боковые цепи тема связаны с белком ковалентными тио-эфирными связями, например (5.28).

Индивидуальные цитохромы внутри этих групп обозначают нижними индексами, например цитохром b6, или в их название входит длина волны а-полосы в спектре поглощения, например цитохром б-550.

Количественный вклад цитохромов в суммарную концентрацию тетрапирролов у организмов, содержащих хлорофилл или гемоглобин, незначителен, однако они жизненно необходимы для функционирования этих организмов. В митохондриях эукариотических клеток они являются основой высокоорганизованной электронтранспортной цепи (рисунок), которая используется для аэробного окисления восстановленных коферментов (например, NADH), образующихся в ходе окислительного расщепления питательных веществ. С электронтранспортной цепью связан процесс окислительного фосфорилирования, в котором генерируется большая часть АТР клеток. В цепи участвуют несколько цитохромов, и гемовое железо каждого из них претерпевает окисление и восстановление по мере прохождения электрона по всей цепи вплоть до молекулярного кислорода. Сходным образом цитохромы функционируют в фотосинтетическом переносе электронов.

Цитохромы жизненно необходимы для функционирования клеток, но они не вносят никакого вклада в окраску организмов.

Свободные порфирины у животных. Свободные порфирины - протопорфирин (5.29), уропорфирин (5.30) и копропорфирин (5.31)-обычно присутствуют в моче и фекалиях животных.

Довольно часто они встречаются также в различных тканях животных, однако, как правило, в количествах, недостаточных для придания окраски этим тканям. У беспозвоночных свободные порфирины и темы, а также их белковые конъюгаты встречаются спорадически, обычными они являются лишь у червей и моллюсков. Наиболее известен пример окраски наружных покровов у дождевого червя: пурпурно-багровый цвет переднедорзальной поверхности его тела обусловлен протопорфирином. Раковины некоторых моллюсков содержат очень большие количества уропорфирина, часто изомера уропорфирина I (5.32). Свободные порфирины чрезвычайно редко встречаются или вообще не обнаружены у простейших, кишечнополостных, членистоногих и протохордовых.

У позвоночных, особенно у млекопитающих, свободные порфирины редки, но они иногда встречаются в некоторых внутренних тканях. Имеется, однако, много примеров присутствия протопорфиринов в яичной скорлупе некоторых птиц, благодаря чему их скорлупа может быть окрашена в коричневый цвет и иметь сложный рисунок окраски. Порфирины легко связываются с минеральными веществами, и обусловленная ими окраска яичной скорлупы, как правило, удивительно устойчива. Нет также ничего необычного в присутствии в оперении птиц копропорфирина III, причем иногда в больших количествах. Замечательная ярко-красная окраска перьев бананоеда обусловлена присутствием хелатного комплекса уропорфирина III с медью. Этот пигмент хорошо растворим в воде, хотя, к счастью, лишь при щелочной реакции среды, так что птице не угрожает потеря окраски в ее природной среде обитания - во влажных тропических лесах.

Подводя итог, следует отметить, однако, что в общем вклад свободных порфиринов в окраску животных невелик.

Витамин В12. Витамин B12 играет важную роль в организме млекопитающих, в том числе человека. Дефицит этого витамина лежит в основе патогенеза заболевания, именуемого пернициозной анемией. Он является также незаменимым ростовым фактором для некоторых микроорганизмов. Структурно витамин B12 (цианокобаламин) представляет собой циклический тетрапиррол с катионом Со+ в качестве хелатируемого иона металла (5.33). В случае витамина В12 макроцикл является не стандартным порфирином, а представляет собой коррин, в котором б-метиновый мостик (С-20) отсутствует, и в результате между кольцами А и D имеется непосредственная ковалентная связь. В то же время а- и (З-метиновые мостики (С-5, С-15) несут добавочные метильные группы и вся система целиком находится в гораздо более восстановленном состоянии, чем в случае порфиринов.

Важное значение имеет также присутствие в. ней нескольких ацетамидных и пропионамидных заместителей. Наиболее необычным свойством молекулы является содержание диметилбензимидазолрибозилфосфата, связанного через фосфатную группу с боковой цепью кольца D и через атом азота имидазольного кольца (координационной связью) с атомом кобальта. Диметилбензимидазольная группа может быть заменена на аденин.

Обычно витамин B12 выделяют из тканей в растворе, содержащем ионы CN~, которые играют роль шестого лиганда Со+, но комплекс витамина с CN не активен in vivo. Метаболически активная форма (В12-кофермент) вместо CN содержит аденозин, непосредственно связанный с Со+ через С-5 рибозного -остатка. Кофермент участвует в реакциях перегруппировки, таких, как перегруппировка метилмалонил-СоА в сукцинил-СоА.

Витамин B12 синтезируется исключительно микроорганизмами: ни животные, ни растения его не образуют. Животные получают свою дозу B12 главным образом от микроорганизмов кишечника. В медицинской промышленности витамин B12 получают из микробных культур.

In vivo витамин В12 присутствует в столь малых количествах, что его темно-красная окраска не сказывается на внешнем виде микроорганизмов.

Литература:

Bogorad L. (1976). Chlorophyll biosynthesis. In: Chemistry and biochemistry of plant pigments, 2nd edition, vol. 1, ed. T. W. Goodwin, p. 64, London, New York and San Francisco, Academic Press. Bouchier L A. D., Billing В. Н, (eds.) (1967). Bilirubin metabolism, Oxford.

Cooper D. Y., Rosenthal 0., Snyder R., Witmer C. (eds.) (1975). Cytochromes Р450 and b, New York, Plenum. dolphin D. (ed.) (1978). The porhyrins, vols. 1 and 2 (7 vols projected), New York, Academic Press.

Fox D. L. (1976). Animal biochromes and structural colours, 2nd edition, Berkeley, Los Angeles and London, University of California Press. Fox H. M., Vevers G. (1960). The nature of animal colours, London,

Sidgwick and Jackson. Goodwin T. W. (ed.) (1968). Porphyrins and related compounds, London and New York, Academic Press.

Hudson M. F., Smith K. M. (1975). Bile pigments, Chem. Soc. Revs., 4, 363. Jackson A, H. (1976). Structure, properties and distribution of chlorophylls. In: Chemistry and biochemistry of plant pigments, 2nd edition, vol. 1, ed. T. W. Goodwin, p. 1, London, New York and San Francisco, Academic Press.

The significance of zoochromes, Berlin, Heidelberg and

New York, Springer-Verlag. O' Carra P., Oh Eocha C. (1976). Algal biliprotein and phycobilins. In: Chemistry and biochemistry of plant pigments, 2nd edition, vol. 1, ed. T. W. Goodwin, p. 328, London, New York and San Francisco, Academic Press. Perutz M. F. (1970).

Stereochemistry of cooperative effects of haemoglobin, Nature, 228, 726. .Riminglon C., Kennedy G. Y. (1962). Porphyrins. In: Comparative biochemistry, vol. 4, eds. M. Florktn and H. S. Mason, p. 557, New York and London, Academic Press. Rildiger W. (1980).

Plant biliproteins. In: Pigments in plants, 2nd edition, ed.

F.-C. Czygan, p. 314, Stuttgart and New York, Gustav Fischer. -Schneider H. (1980).

Chlorophyll biosynthesis. Enzymes and regulation of enzyme activities. In: Pigments in plants, 2nd edition, ed. F.-C. Czygan, p. 237,

Stuttgart and New York, Gustav Fischer. .Smith H., Kendrick R. E. (1976). The structure and properties of phytochrome. In: Chemistry and biochemistry of plant pigments, 2nd edition, vol. I, ed. T. W. Goodwin, p. 378, New York, London and San Francisco, Academic Press. .Smith K. M. (ed.) (1975). Porphyrins and metalloporphyrins, Amsterdam, Elsevier. Tschudy D. P., Schmid R. (1972).

The porphyrias. In: The metabolic basis of inherited diseases, 3rd edition, eds. J. B. Stanbury, J. B. Wyngaarden and D. S. Predrickson. p. 1087. New York, McGraw-Hill.

The chlorophylls. New York and London, Academic Press. With T. K. (1968). Bile pigments. (Trans. J. P. Kennedy), New York and London, Academic Press.