Соединения гемоглобина, их функции

Гем - это комплексное соединение протопорфирина ІX с железом. Он крайне неустойчив и легко превращается либо в гематин с окислением двухвалентного железа до трехвалентного и присоединением к последнему ОН, либо в гемин, содержащий вместо ОН- ионизированнный хлор. Структура гема идентична для гемоглобина всех видов животных. Различия в свойствах гемоглобина обусловлены различиями белкового компонента. Как известно, молекула гемоглобина представляет собой тетрамер, состоящий из двух пар полипептидных цепей, каждая из которых соединена с гемом. Совокупность четырех попарно одинаковых полипептидных цепей образует белковую часть молекулы гемоглобина - глобин.

ГЕМОГЛОБИН, ЕГО СОСТАВ И ЗНАЧЕНИЕ

Гемоглобин (от греческого haema - кровь и латинского glomus - шарик) относится к числу важнейших дыхательных белков, осуществляющих транс­порт кислорода от легких к тканям, а также косвенно участвующих в перено­се углекислоты. Гемоглобин - основной компонент эритроцитов крови всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. В каждом эритроците содержится около 280 млн. молекул гемоглобина. Гемоглобин - сложный протеин, относится к классу так называемых хромопротеидов (гемопротеинов), состоит из железосодержащих групп гема и белкового остатка глоби­на. На долю гема приходится 4%, и на белковую часть - 96%. Молекулярная масса гемоглобина составляет 64 500 Д.

Динамическое взаимодействие гема с глобином придает гемоглобину уникальные свойства, необходимые для обратимого процесса транспорта ки­слорода.

В крови взрослого человека содержится в основном НbА (95-98%), а
также НbА₂ (2-2,5%), HbF (0,1-2%). На протяжении всей жизни соотношение
НbА и НbА₂ в норме составляет 30:1. Молекула НbА включает две α- и две β-полипептидные цепи. В настоящее время полностью определена первичная структура глобиновых цепей молекулы НbА. α - и β -цепи отличаются как по числу, так и по составу аминокислот; α -цепи состоят из 141 аминокислотно­го остатка, β -цепи - из 146 аминокислотных остатков, связанных в генетиче­ски определенной последовательности. В целом в составе молекулы гемо­глобина содержится 574 аминокислотных остатка.

Кроме нормальных типов гемоглобина, существуют аномальные гемоглобины, обусловленные различными генными мутациями на уровне структурных или регуляторных генов, управляющих синтезом полипептидных цепей. Аномальные гемоглобины отличаются своими физико-химическими свойствами, структурой глобиновой части молекулы. В настоящее время установлено более 200 аномальных гемоглобинов.

Внутри эритроцита имеются определенные особенности расположения гемоглобина. Ближе к мембране молекулы гемоглобина располагаются в строго перпендикулярном направлении, что облегчает взаимодействие гемо­глобина с кислородом. В центре эритроцита обнаружено более хаотическое расположение его молекул. Гиалоплазма содержит многочисленные гранулы гемоглобина размером около 4-5 нм.

У мужчин содержание гемоглобина в среднем составляет 130-160 г/л, у женщин- 120-140 г/л.

Эритроциты, нормально насыщенные гемоглобином, получили название нормохромных, со сниженным количеством - гипохромных, а с повышен­ным содержанием гемоглобина — гиперхромных.

Важнейшими соединениями гемоглобина являются оксигемоглобин и восстановленный (редуцированный) гемоглобин. В составе этих соедине­ний гемоглобина сохраняется двухвалентное железо, а следовательно, не из­меняется способность гемоглобина к связи с О₂.

При воздействии на гемоглобин окислителей (перекисей, супероксидно­го анион-радикала, нитритов, нитропроизводных органических веществ — хининов) происходит истинное окисление гемоглобина с отнятием электро­на, превращением железа гемоглобина из двухвалентного в трехвалентное и соответствующими изменениями центральной части геминовой группы. В связи с этим образуется метгемоглобин, который не способен вступать в об­ратимую реакцию с О₂ и обеспечивать его транспорт.

Из тканей различных органов, особенно кишечника, постоянно посту­пают в кровь вещества, вызывающие образование метгемоглобина в услови­ях нормы в очень небольших количествах. Это связано с наличием в эритро­цитах антиоксидантов, в частности системы глютатиона, аскорбиновой ки­слоты, препятствующих образованию метгемоглобина или обеспечивающих его восстановление при участии фермента НАД-Н-метгсмоглобинредуктазы.

В условиях патологии при поступлении в кровь значительного количест­ва метгемоглобинобразователей возникает недостаточность антиоксидантной системы эритроцитов, что приводит к чрезмерному образованию метгемог­лобина и отравлению организма.

Если количество метгемоглобина в крови превышает 50% общего количества гемоглобина, то возникает тяжелая гемическая гипоксия, обусловленная недостаточностью транспорта О₂ эритроцитами, и угроза летального ис­хода отравления. Метгемоглобин может быть быстро восстановлен в гемо­глобин при помощи различных органических и неорганических восстанови­телей (аскорбиновой кислоты, глютатиона, гидросульфита и др.) лишь in vitro. Между тем in vivo эти средства непригодны либо из-за медленного проникновения их в эритроциты или вследствие их ядовитости.

Восстановление метгемоглобина в гемоглобин в эритроцитах происхо­дит в процессе ферментативных реакций с участием дегидрогеназ и соответ­ствующих субстратов - молочной кислоты, глюкозы, глюкозо-6-фосфата.

Карбоксигемоглобин - соединение гемоглобина с угарным газом — окисью углерода (СО). Закономерности насыщения гемоглобина окисью уг­лерода такие же, что и для насыщения гемоглобина кислородом. Разница за­ключается в том, что сродство СО к гемоглобину в 300 раз выше, чем О₂ к гемоглобину; распад карбоксигемоглобина происходит в 10 000 раз медлен­нее, чем оксигемоглобина.

Высокое сродство гемоглобина к СО обусловливает высокую ядовитость угарного газа. Примесь даже 0,1% СО в окружающем воздухе приводит к тому, что почти 80% гемоглобина оказывается связанным с угарным газом и выключается из функции переноса кислорода.

Миоглобин - вещество, близкое по структуре гемоглобину, находится в мышцах (миогемоглобин). В большом количестве он содержится в сердечной мышце, особенно в сердце животных, способных долго находиться под во­дой — тюленей, дельфинов, китов. Связывая О₂, миоглобин создает некото­рый его запас, своеобразное депо кислорода, который используется при сни­жении кислородной емкости крови, при развитии гипоксии различного про­исхождения. За счет миоглобина осуществляется также обеспечение кисло­родом работающих мышц. При сокращении мышц наблюдаются сдавление капилляров, нарушение кровотока с развитием гипоксического состояния в мышцах. Однако благодаря наличию кислорода, связанного с миоглобином, в течение некоторого времени мышечные волокна снабжаются кислородом. Касаясь структурных особенностей миоглобина, следует отметить, что структура простетической группы его такая же, как и у гемоглобина; между тем белковая часть обладает меньшей молекулярной массой (около 17 000 Д) и включает 153 аминокислотных остатка. Миоглобин обладает большим сродством к кислороду, присоединяет около 14% общего количества кисло­рода в организме. Сродство миоглобина к окиси углерода значительно меньше, чем у гемоглобина.

Главными функциями гемоглобина являются дыхательная и буфер­ная. Выполнение указанных функций гемоглобином возможно лишь при со­хранении целостности эритроцитов, так как при гемолизе эритроцитов и вы­ходе гемоглобина в плазму крови он быстро выводится из организма за счет фагоцитоза клетками мононуклеарной фагоцитирующей системы, а также в силу быстрого удаления через почки.

Один моль гемоглобина может связать до 4 молей кислорода, а 1 г гемоглобина может связать 1,345 мл кислорода. Кислородная емкость крови — это максимальное количество кислорода, которое может быть связано 100 мл крови. Насыщение гемоглобина кислородом составляет 96-98%.

Связывание кислорода происходит в процессе так называемой оксигенации, а не истинного окисления. Железо в оксигемоглобине остается двухвалентным. Кислород, соединяясь с гемом первой α-цепи, вызывает конформационные перестройки в геме, что облегчает присоединение кислорода ко второй α-цепи. При этом возникает вновь разрыв двух солевых мостиков между α₁ и α₂- субъединицами с выделением протонов. Конформационные перестройки α -цепей в процессе оксигенации приводят к изменению поло­жения валина в β -цепях и освобождению места для присоединения О₂. Оксигенация β-цепей также сопровождается разрывом солевых мостиков между α-β и β-β -цепями с выделением протонов и переходом всей молекулы в оксиконформацию.

При выполнении дыхательной функции молекула гемоглобина изменяет свои размеры подобно дышащей грудной клетке. Это послужило основанием для того, чтобы назвать гемоглобин «дышащей молекулой, или молекуляр­ными легкими».

Соотношение между количеством гемоглобина и оксигемоглобина определяется в значительной степени парциальным давлением кислорода в крови, хотя при этом и не соблюдается линейная зависимость. Это соотношение выражается в виде кривой диссоциации оксигемоглобина.

Участие гемоглобина в регуляции рН крови (буферная функция) связано с его ролью в транспорте кислорода и углекислого газа. Следует отметить нали­чие в организме гемоглобиновой и оксигемоглобиновой буферных систем.

Дата добавления: 2014-01-20