5.3. Гемоглобин S отличается от гемоглобина A по электрофоретической подвижности

В 1949 г. Полинг (Pauling) и его сотрудники изучали физико-химические свойства гемоглобина в норме, при носительстве признака серповидноклеточности и при заболевании серповидноклеточной анемией. Использованный ими экспериментальный подход состоял в следующем: они сопоставляли подвижность исследуемых гемоглобинов в электрическом поле. Метод определения подвижности в электрическом поле называется электрофорезом. Скорость миграции белка (или какого-либо другого соединения) в электрическом поле зависит от напряженности электрического поля общего

заряда белка и сопротивления трения Сопротивление трения определяется размером и формой белка. Указанные величины связаны между собой соотношением

Изоэлектрическая точка белка - это значение рН, при котором данный белок не несет электрического заряда. При таком значении рН электрофоретическая подвижность равна нулю, поскольку [уравнение (1)]. При рН ниже изоэлектрической точки молекула белка заряжена положительно; при значениях рН, лежащих выше изоэлектрической точки, белок заряжен отрицательно. Гемоглобин, серповидных клеток отличается от нормального по изоэлектрической точке:

(см. скан)

Как видно из приведенной таблицы, различие между серповидноклеточным и нормальным гемоглобином для окисленной и восстановленной форм одинаково.

Различие в электрофоретической подвижности гемоглобина может объясняться изменением либо общего заряда либо коэффициента трения Сам по себе эффект трения (обусловленный изменением формы) выразился бы в том, что одно вещество двигалось бы медленнее другого во всем диапазоне рН. В рассматриваемом случае этого не происходило, судя по тому, что кривые зависимости электрофоретической подвижности от рН имели одинаковый угол наклона (рис. 5.4). Кроме того, другие физико-химические исследования, а именно определение скорости седиментации и свободной диффузии показали, что коэффициенты трения оксигенированных форм гемоглобина А и гемоглобина были одинаковы.

На основании этих наблюдений был сделан вывод о различии в числе или типе ионизированных групп в сравниваемых гемоглобинах. Сколько таких групп в каждом из гемоглобинов?

Рис. 5,4. Зависимость от рН электрофоретической подвижности нормального гемоглобина и гемоглобина серповидных клеток.

Ответ дает кривая кислотно-основного титрования гемоглобинов. В области эта кривая почти линейна. Изменение рН раствора гемоглобина на единицу создает разницу почти на 13 зарядов. Стало быть, различие в изоэлектрических точках на 0,23 соответствует примерно трем зарядам в молекуле гемоглобина. Отсюда следует, что гемоглобин серповидных клеток отличается от нормального наличием дополнительных 2-4 положительных зарядов.

С чем связано это отличие: с изменением состава полипептидной цепи или с изменением гема? Из серповидноклеточного гемоглобина был выделен порфирин; по данным определения точки плавления и рентгеноструктурного анализа он оказался идентичен порфирину нормального гемоглобина. Это показывает, что различие между двумя гемоглобинами заключается в особенностях состава полипептидных цепей. У больных серповидноклеточной анемией (всегда гомозиготных по дефектному гену) имеется гемоглобин и нет гемоглобина А. В то же время у носителей признака серповидноклеточности (которые гетерозиготны по гену серповидноклеточности) оба гемоглобина содержатся примерно в равных количествах (рис. 5.5). Таким образом, в работе Полинга был выявлен бесспорный случай изменения молекулы белка при изменении аллелей кодирующего его гена. Это был первый пример молекулярной болезни.