Structural origin of cooperativity in human hemoglobin: a view from different roles of α and β subunits in the α2β2 tetramer

四聚体 合作性 蛋白质亚单位 化学 珠蛋白 结晶学 突变体 合作约束 四级结构 血红蛋白 立体化学 生物物理学 结合位点 生物化学 生物 基因
作者
Shigenori Nagatomo,Masako Nagai,Teizo Kitagawa
出处
期刊:Biophysical Reviews [Springer Nature]
卷期号:14 (2): 483-498 被引量:13
标识
DOI:10.1007/s12551-022-00945-7
摘要

This mini-review, mainly based on our resonance Raman studies on the structural origin of cooperative O2 binding in human adult hemoglobin (HbA), aims to answering why HbA is a tetramer consisting of two α and two β subunits. Here, we focus on the Fe-His bond, the sole coordination bond connecting heme to a globin. The Fe-His stretching frequencies reflect the O2 affinity and also the magnitude of strain imposed through globin by inter-subunit interactions, which is the origin of cooperativity. Cooperativity was first explained by Monod, Wyman, and Changeux, referred to as the MWC theory, but later explained by the two tertiary states (TTS) theory. Here, we related the higher-order structures of globin observed mainly by vibrational spectroscopy to the MWC theory. It became clear from the recent spectroscopic studies, X-ray crystallographic analysis, and mutagenesis experiments that the Fe-His bonds exhibit different roles between the α and β subunits. The absence of the Fe-His bond in the α subunit in some mutant and artificial Hbs inhibits T to R quaternary structural change upon O2 binding. However, its absence from the β subunit in mutant and artificial Hbs simply enhances the O2 affinity of the α subunit. Accordingly, the inter-subunit interactions between α and β subunits are nonsymmetric but substantial for HbA to perform cooperative O2 binding.
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