Гемоглобин по-другому
Гемоглобин - одна из жизненно важных молекул для человека, так как он переносит кислород в кровь и в ткани, в том числе. Однако у других организмов у хорошо изученного фермента совершенно иные задачи. У кишечных паразитов, например, он гарантирует, что организму не придется выносить слишком много кислорода, который для него ядовит. Новые результаты также проливают новый свет на эволюцию гемоглобина от самых ранних форм жизни до млекопитающих. Около миллиарда человек во всем мире заражены паразитической аскаридой Ascaris lumbricoides. Однако это не единственная причина, по которой он представляет интерес, наука также занимается его гемоглобином. Он связывает кислород в 25 000 раз сильнее, чем человеческий гемоглобин. Поэтому многие исследователи предположили, что он не играет роли в дыхании, как у людей, а должен выполнять другую задачу.
Ученые из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) и Медицинского центра Университета Дьюка обнаружили, что гемоглобин на самом деле имеет другое значение. Их результаты даже проливают свет на эволюцию организмов в насыщенных и бескислородных условиях жизни.
«У людей гемоглобин переносит кислород и оксид азота к тканям», - объясняет Джонатан Стэндлер из HHMI. Однако, согласно новым данным, гемоглобин червя использует оксид азота для запуска ферментативной реакции, потребляющей кислород, потому что атмосферный газ токсичен для его организма даже в очень малых концентрациях. «Черви могут переносить кислород, но он им не очень нравится», - говорит Стамлер. Гемоглобин дает животным возможность лишить непосредственную среду обитания кислорода и таким образом создать себе лучшие условия жизни.
Используя спектроскопические методы, исследователи исследовали поведение гемоглобина при различных концентрациях кислорода и монооксида азота. По результатам они делают вывод о 10-ступенчатой химической реакции, посредством которой червь разрушает кислород в своем теле (Nature, 30 сентября 1999 г.).
Ключ к этой реакции лежит в положении одиночной молекулы цистеина - серосодержащей аминокислоты - в месте связывания кислорода на гемоглобине. Цистеин является переносчиком оксида азота. «Когда эта аминокислота находится на одной стороне кармана, гемоглобин использует оксид азота для разрушения кислорода. Но когда он находится на другой стороне, как у млекопитающих, оксид азота действует как регулятор транспорта кислорода», - описывает Стамлер. В гемоглобине Ascaris lumbricoides цистеин, содержащий NO, находится спереди, очень близко к кислороду, что приводит к кислородному голоданию. У людей, с другой стороны, это на спине. «Поскольку газы находятся на противоположных сторонах молекулы, они не могут реагировать друг с другом», - объясняет Стамлин. «Поэтому возможен выброс NO и транспортировка кислорода».
В то же время гемоглобин позволяет червю использовать оксид азота, присутствующий в кишечнике хозяина или вырабатываемый его иммунной системой, тем самым защищая себя от его воздействия. По словам ученых, эта задача также была первой задачей молекулы. «В первичной атмосфере монооксид азота был раньше кислорода», - объясняет Стамлер. «Вероятно, он присутствовал еще до появления первых форм жизни, и первые бактерии нуждались в защите от него.«Как и кислород, оксид азота может разрушить многие биологически важные молекулы, когда он находится в организме в свободном состоянии. Таким образом, эти первые молекулы гемоглобина, вероятно, были ферментами, которые потребляли только оксид азота, не вызывая беспокойства по поводу кислорода. По мере того, как земная атмосфера становилась все более насыщенной кислородом около 450 миллионов лет назад, «исходный гемоглобин, как детоксикант, должен был прочно связывать кислород и использовать его», - объясняет Стамлер. Гемоглобин млекопитающих, однако, развил способность транспортировать кислород к тканям и удалять газообразные отходы - углекислый газ. Согласно этому открытию, гемоглобин паразита представляет собой уникальное связующее звено между первичным гемоглобином первых живых существ - когда земная атмосфера еще состояла преимущественно из оксида азота - и «современным» гемоглобином млекопитающих и птиц. Стамлин отмечает: «Первоначальная роль детоксикации трансформировалась в дыхательную функцию у людей».
В последние годы были исследованы некоторые роли и способности гемоглобина. Например, сам Штамлер обнаружил, что гемоглобин, связанный с оксидом азота, расширяет сосуды. С открытием сильной связывающей способности гемоглобина червей к кислороду ученые теперь надеются получить терапевтические преимущества от результатов. Среди прочего, они предполагают, что эту молекулу можно использовать, чтобы остановить подачу кислорода к раковым опухолям и, таким образом, «уморить их голодом».
Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft является оператором этого портала. Его онлайн- и печатные журналы, в том числе «Spektrum der Wissenschaft», «Gehirn&Geist» и «Spektrum - Die Woche», сообщают о результатах текущих исследований.