Гемоглобин под рентгеном Окончательная разгадка строения молекул гемоглобина и миоглобина связана с именами известных учёных Макса Перутца и Джона Кендрю, начинавших свою деятельность в знаменитой Кавендишской лаборатории Кэмбриджского. университета в Англии. Именно

Таблица 7. Гены, принимающие участие в образовании и функционировании ряда клеток, тканей и органов человека (по данным проекта «Геном человека» на

19. Эволюция человека Вспомните!Перечислите основные факторы эволюции человека. Какие из них являются общими для эволюции всех живых организмов?Изучение эволюции человека главным образом основано на исследовании ископаемых остатков.Предшественники человека. В самом

3.5. Этология человека Становление этологии человека проходило в русле идей общей этологии. Сразу отметим, что концепция инстинктивного поведения не встретила понимания общества первой половины XX в. Не только теоретические разногласия породили конфронтацию с этологией.

В состав молекулы гемоглобина входят 4 одинаковые гемовые группы. Гем представляет собой порфирин, содержащий центрально расположенный ион Fe 2+ . Является производным порфина, который представляет собой конденсированную систему из 4 пирролов, соединенных между собой метиновыми мостиками (-СН=). В зависимости от строения заместителей в порфине различают несколько разновидностей гемов.

гем IX – наиболее распространенная разновидность гема. Производным порфина в нем является протопорфирин IX (1,3,5,8 – тетраметил-2,4 – дивинил – 6, 7 – дипропионовокислый порфин);

гем а (формилпорфирин). Гем а вместо метильной группы содержит формильный остаток в восьмом положении (-СНО) и вместо одной винильной группы (во втором положении) изопреноидную цепь. Гем а входит в состав цитохромоксидазы;

гем с, в котором с винильными (-СН=СН 2) группами в положениях 2 и 4 связаны остатки цистеина. Входит в состав цитохрома С;

гем  представляет собой железодигидропорфирин 4.

Гем является простетической группой не только гемоглобина и его производных, но и миоглобина, каталазы, пероксидазы, цитохромов, фермента триптофанпироллазы, катализируещего окисление троптофана в формилкинуренин.

Координационное число для атомов железа равно 6. В геме железо связано двумя ковалентными связями с атомами азота двух пиррольных колец и двумя координационными связями с атомами азота остальных пиррольных колец. Пятая и шестая координационные связи железа распределяются по-разному, в зависимости от того в состав какой белковой молекулы входит гем, в зависимости от её функций. Так, например, в цитохромах 5 и 6 координационные связи железа соединены с остатками гистидина и метионина. Такое расположение гема в цитохромах, необходимо для выполнения их специфической функции – переноса электронов в дыхательной цепи. Переходы Fe 3+ + е= Fe 2+ ; Fe 2+ -е= Fe 3+ создают возможность перебрасывать электроны от одного цитохрома к другому.

Рассмотрим подробнее расположение гема в составе гемоглобина (миоглобина). Гем расположен в щели между спиралями Е и F; его полярные пропионатные группы ориентированы к поверхности глобулы, а остальная часть находится внутри структуры и окружена не полярными остатками, за исключением His F8 и His F7. Пятое координационное положение атома железа занято атомом азота гетероциклического кольца проксимального гистидина His F8. Дистальный гистидин (His F7) расположен по другую сторону гемого кольца, почти напротив His F8, но шестое координационное положение атома железа остаётся свободным. Из двух не использованных координационных связей одна идет на соединение с белком, а вторая – на соединение с различными лигандами (физиологическими – кислород, вода и чужеродными – диоксид углерода, цианид и т.д.).

Производные гемоглобина

Гемоглобин взаимодействует с различными лигандами, для этого предназначена шестая координационная связь железа в геме. К производными гемоглобина относят:

оксигемоглобин HbО 2 – соединение молекулярного кислорода с гемоглобином. Чтобы подчеркнуть тот факт, что валентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют не окислением, а оксигенацией; обратный процесс называется дезоксигенацией. Когда хотят специально отметить, что гемоглобин не связан с кислородом, его называют дезоксигемоглобином;

карбоксигемоглобин HbСО. Валентность железа в результате присоединения угарного газа (моноксида углерода – СО) также остается II. СО связывается с гемом примерно в двести раз прочнее, чем связь гем- О 2 . Не большая часть молекул гемоглобина (1%) в нормальных условиях связывает СО. У курильщиков же к вечеру эта величина достигает 20%. При отравлении монооксидом углерода наступает смерть от удушья, недостаточного снабжения тканей кислородом.

метгемоглобин (HbОН). Он не связывает молекулярный кислород. Атом железа в его молекуле находится в степени окисления 3+. Метгемоглобин образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). В крови человека метгемоглобин находится в незначительных количествах, но при некоторых заболеваниях (например, нарушение синтеза ГЛ-6-фосфатДГ), либо при отравлении окислителями его содержание возрастает, что может быть причиной летального исхода, так как метгемоглобин не способен к переносу кислорода от легких к тканям;

цианметгемоглобин (HbСN) – метгемоглобин оказывает и положительное действие. Он связывает СN - с образованием цианметгемоглобина и спасает организм от смертельного действия цианидов. Поэтому для лечения отравлений цианидами применяют метгемоглобинообразователи (тот же нитрит Na);

карбгемоглобин образуется, когда гемоглобин связывается с СО 2 . Однако СО 2 присоединяется не к гему, а к NН 2 – группам глобина:

HbNH 2 + CO 2 = HbNHCOO - + H +

Причем дезоксигемоглобин связывает больше СО 2 , чем оксигемоглобин. Образование карбгемоглобина используется для выведения СО 2 из тканей к легким. Этим путем выводится 10-15% СО 2 .

Вопрос 7. Механизм насыщения гемоглобина кислородом

За счет шестой координационной связи к атому железа присоединяется молекула кислорода с образованием оксигемоглобина. Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости в то время как атом железа несколько выступает из этой плоскости. Присоединение кислорода «выпрямляет» молекулу гема: железо перемещается в плоскость пиррольных колец на 0,06 нм, так как диаметр координационной сферы атома железа уменьшается. Гемоглобин связывает 4 молекулы кислорода (по одной молекуле на гем в каждой субъединице). Оксигенерирование сопровождается значительными конформационными изменениями в гемоглобине. Перемещаясь в плоскость пиррольных колец, Fe, соединенное в 5 координационном положении с остатком HisF8 «тянет» пептидную цепь на себя. Происходит изменение конформации этой цепи и связанных с ней других полипептидных цепей, поскольку один протомер соединен многими связями с другими протомерами. Это явление называют коопреативностью изменения конформации протомеров. Изменения конформации таковы, что первоначальное связывание О 2 с одной субъединицей ускоряет связывание молекул кислорода с отстальными субъединицами. Это явление известно как гомотропный положительный кооперативный эффект (гомотропный, потому что участвует только кислород). Именно это обуславливает сигмовидный характер кривой насыщения гемоглобина кислородом. Четвертая молекула кислорода присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула. Чтобы составить себе более ясное представление об этом механизме, целесообразно рассматривать структуру гемоглобина в виде двух гетеродимеров, образованных  и  - субъединицами:  1  1 и  2  2 . Незначительный сдвиг атома железа приводит к тому, что одна /  пара субъединиц, поворачивается относительно другой /  - пары. При этом между субъединицами разрушаются нековалентные связи, обусловленные электростатическими взаимодействиями. Один набор связей между димерами замещается на другой, происходит их относительная ротация.

Четвертичная структура частично оксигенерированного гемоглобина описывается как Т-состояние (от англ. Taut –напряжение), полностью оксигенерированному гемоглобину (HbО 2) отвечает R – состояние (relaxed- релаксирование). Состояние характеризуется меньшим сродством к кислороду, вероятности перехода из Т- формы в R-форму повышается по мере последовательного оксигенерирования каждой из 4 гемогрупп. Солевые мостики (нековалентные связи) по мере присоединения кислорода разрушаются, увеличивая вероятность перехода из Т – формы в R- форму (состояние высокого сродства).

Гемоглобин — молекула, состоящая из белка глобина (2а- и 2β-цепи) и 4 пигментных групп (гем), которые способны обратимо связывать молекулярный кислород. В 1 эритроците содержится в среднем 400 млн молекул гемоглобина. Гемоглобин, связанный с кислородом, именуется оксигелюглобином (придает крови ярко-алый цвет). Процесс его связывания с кислородом называется оксигенацией , а его отдача оке и гемоглобином - дезоксигенацией. Не связанный с кислородом гемоглобин называется дезоксигелюглобином. Гемоглобин способен связываться с углекислым газом (карбамингемоглобин), с оксидом углерода (карбоксигемоглобин). Кроме того, NO, взаимодействуя с этим протеидом, образует различные NO- формы: метгемоглобин, нитрозилгемоглобин (HbFe 2+ NO) и S -нитрозогемоглобин (SNO-Hb), которые играют роль своеобразного аллостерического регулятора функциональной активности гемоглобина.

Норма и функции гемоглобина

Количество гемоглобина у мужчин — 130-160 г/л, у женщин — 120-140 г/л. Перенос кислорода и углекислого газа — функция гемоглобина. Гемоглобин — сложное химическое соединение, состоящее из белка-глобина и четырех молекул гема.

Рис. Норма гемоглобина у мужчин и женщин

Основные функции обусловлены наличием в их составе особого белка хромопротеида — гемоглобина. Молекулярная масса гемоглобина человека равна 68 800. Гемоглобин — это дыхательный фермент, который находится в эритроцитах, а не в плазме, потому что:

• обеспечивает уменьшение вязкости крови (растворение такого же количества гемоглобина в плазме повысило бы вязкость крови в несколько раз и затруднило бы работу сердца и кровообращение);
• уменьшает онкотическое давление плазмы, предотвращая обезвоживание тканей;
• предупреждает потерю организмом гемоглобина вследствие его фильтрации в клубочках почек и выделения с мочой.

Основное назначение гемоглобина — транспорт кислорода и углекислого газа. Кроме того, гемоглобин обладает буферными свойствами, а также способностью связывать токсические вещества.

Рис. Взаимодействие гемоглобина с кислородом. k — константа скорости реакции

Гемоглобин состоит из белковой части (глобин) и небелковой железосодержащей части (гем) . На одну молекулу глобина приходится четыре молекулы гема. Железо, которое входит в состав гема, способно присоединять и отдавать кислород. При этом валентность железа не изменяется, т.е. оно остается двухвалентным. Железо входит в состав всех дыхательных ферментов.

В крови здорового человека содержание гемоглобина составляет 120-165 г/л (120-150 г/л для женщин, 130-160 г/л для мужчин).

В норме гемоглобин содержится в виде трех физиологических соединений: восстановленного, оксигемоглобина и карбоксигемоглобина. Гемоглобин, присоединивший кислород, превращается в оксигемоглобин - НbО2,. Это соединение ярко-алого цвета, от которого зависит цвет артериальной крови. Один грамм гемоглобина способен присоединить 1,34 мл кислорода.

Оксигемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным гемоглобином (Нb). Он находится в венозной крови, которая имеет темно-вишневый цвет. Кроме того, в венозной крови содержится соединение гемоглобина с углекислым газом - карбогемоглобин (НbСO 2), который транспортирует углекислый газ из тканей к легким.

Гемоглобин обладает способностью образовывать и патологические соединения. Одним из них является карбоксигемоглобин - соединение гемоглобина с угарным газом (НbСО). Сродство железа гемоглобина к угарному газу превышает сродство к кислороду, поэтому даже 0,1% угарного газа в воздухе ведет к превращению 80% гемоглобина в карбоксигемоглобин, который не способен присоединять кислород, что является опасным для жизни. Слабое отравление угарным газом — обратимый процесс. При дыхании свежим воздухом угарный газ отщепляется. Вдыхание чистого кислорода увеличивает скорость расщепления НbСО в 20 раз.

Таблица. Характеристика гемоглобинов

Метгемоглобин (MetHb) — тоже патологическое соединение, является окисленным гемоглобином, в котором под влиянием сильных окислителей (феррацианид, перманганат калия, пероксид водорода, анилин и др.) железо гема из двухвалентного превращается в трехвалентное. При накоплении в крови в большом количестве метгемоглобина транспорт кислорода тканями нарушается и может наступить смерть.

В и миокарде находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Его небелковая часть аналогична гемоглобину крови, а белковая часть — глобин — обладает меньшей молекулярной массой. Миоглобин человека связывает 14% общего количества кислорода в организме. Это его свойство играет важную роль в снабжении работающих мышц. При сокращении мышц их кровеносные капилляры сдавливаются и кровоток уменьшается либо прекращается. Однако благодаря наличию кислорода, связанного с миоглобином, в течение некоторого времени снабжение мышечных волокон кислородом сохраняется.

Билет 92

К группе гемопротеидов относятся гемоглобин и его производные, миоглобин и ферменты – цитохромная система, каталаза и пероксидаза.

Все хромопротеиды содержат различные по составу и структуре белки. Небелковый компонент обладает структурным сходством.

Строение гемоглобина.

В молекуле гемоглобина белковый компонент представлен белком глобином, небелковый компонент – гем.

Глобин состоит из 4 субъединиц 2 и 2. Каждая -цепь содержит по 141 аминокислотному остатку, а - по 146.

Внутри каждой субъединицы имеется гидрофобный «карман», в котором располагается гем.

Гем представляет собой плоскую молекулу, содержащую 4 пиррольных цикла и соединенный с ними атом железа:

Гем соединяется с белковой частью (глобином) гидрофобными связями между пиррольными циклами и гидрофобными радикалами аминокислот. Между атомом железа и имидазольным кольцом одного из остатков гистидина в глобине имеется координационная связь. За счет еще одной координационной связи к атому железа может присоединяться молекула кислорода с образованием оксигемоглобина.

Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости, а атом железа выступает из этой плоскости. Присоединение кислорода «выпрямляет» молекулу гема: железо перемещается в плоскость пиррольных колец и это вызывает изменение конформации белка. В молекуле гемоглобина имеется 4 протомера, каждый из которых содержит гем и может присоединять кислород. Присоединение первой молекулы кислорода изменяет конформацию протомера. Изменение конформации одного протомера изменяет конформацию остальных протомеров. Изменение конформации протомеров облегчает присоединение остальных молекул кислорода. Это явление называется кооперативным действием. Сродство гемоглобина к четвертой молекуле О 2 примерно в 300 раз больше, чем к первой.

Функция гемоглобина.

Состоит в связывании и переносе кислорода от легких к тканям. Гемоглобин, связанный кислородом, называется оксигемоглобином.

Производные гемоглобина.

Молекула гемоглобина имеет большое сродство к оксиду углерода (II ) СО. Это карбоксигемоглобин. Сродство СО к гемоглобину примерно в 300 раз выше, чем к кислороду. Это свидетельствует о высокой токсичности угарного газа, поэтому при отравлении СО необходимо, пострадавшего вынести на воздух, чтобы увеличить поступление кислорода.

Гемоглобин связывает также СО 2 с образованием карбгемоглобина.

Типы гемоглобинов.

Различают физиологические и аномальные гемоглобины.

Физиологические гемоглобины образуются на разных этапах нормального развития организма, а аномальные – вседствие нарушений последовательности аминокислот в глобине.

Физиологические типы гемоглобина.

1. Примитивный – HbP (относятся гемоглобины, называемые Говер 1 и Говер 2)
2. Фетальный гемоглобин HbF (гемоглобин плода).
3. Гемоглобин взрослых: Hb А 1 , Hb А 2 , Hb А 3 .

Hb Р появляется на ранних стадиях развития эмбриона. Примитивные гемоглобины заменяются на HbF . На поздних стадиях развития плода появляются гемоглобины взрослых – Hb А 1 , Hb А 2 .

В крови взрослого человека примерно 95-96% Hb А 1 , 2-3% Hb А 3 , 0,1-0,2% HbF .

Гемоглобин А 1 содержит по 2 и цепи. Гемоглобин А 2 – по 2 и -цепи. Гемоглобин F – по 2 и -цепи. Гемоглобин Говер 1 содержит 4 цепи, Говер 2 – 2 и 2 цепи по мере созревания плода -цепи заменяются -цепями.

Аномальные типы гемоглобина

В крови человека открыто около 150 типов мутантных гемоглобинов. Аномальные гемоглобины различаются по форме, химическому составу, величине заряда. Выделены аномальные гемоглобины при помощи методов электрофореза и хроматографии. Передающиеся по наследству изменения – результат мутации единственного триплета, который приводит к замене одной аминокислоты на другую (с резко отличающимися свойствами – пример серповидноклеточная анемия – глу заменен на вал).

Патология обмена гемоглобина.

Болезни гемоглобинов (их около 200) называют гемоглобинозами.

Гемоглобинозы делят на:

1. Гемоглобинопатии – в основе лежат наследственные изменения структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина («молекулярные болезни»).
2. Талассемии – нарушение синтеза какой-либо цепи гемоглобина.
3. Железодефицитные анемии.

Классическим примером наследственной гемоглобинпатии является серповидноклеточная анемия. Глу в 6-м положении в -цепи заменен на вал. Эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. Такой гемоглобин после отдачи кислорода превращается в плохо растворимую форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов, которые деформируют клетку и вызывают массивный гемолиз.

Талассемии – генетически обусловленной нарушение синтеза одной из нормальных цепей гемоглобина. Угнетение синтеза -цепей вызывает развитие -талассемии, угнетение синтеза -цепей - -талассемия. При -талассемии появляется до 15% HbA 2 , повышается до 15-60% содержание фетального гемоглобина. Болезнь характеризуется гиперплазией и разрушением костного мозга, поражением печени, деформацией черепа и тяжелой гемолитической анемией. Эритроциты имеют мишеневидную форму. Механизм изменения формы эритроцитов не выяснен. Название связано с тем, что возникает у людей, живущих на побережье Средиземного моря.

Порфирии.

Порфирии – группа заболеваний с наследственной предрасположенностью, возникающих в результате блокирования начальных стадий синтеза гема и сопровождающихся увеличением содержащихся порфиринов в организме.

Глицин Сукцинил-КоА

Аминолевуленовая кислота

порфобилиноген

уропорфириноген

копропорфириноген

протопорфирин IX

Феррохелатаза

Гем

Блок – 1 – острая перемеживающая порфирия. Накапливается -АМК и порфобилиноген

Блок – 2 – приводит к накоплению всех предшествующих продуктов. Молекулярный механизм неизвестен.

Болк – 3 – эритропоэтическая протопорфирия связана с отсутствием фермента феррохелатазы, каторая присоединяет к молекуле протопорфирина IX Fe 2+ .

Распад гема

За сутки в организме распадается около 9 г гемопротеидов. Период жизни эритроцитов 120 дней, разрушаются они в кровеносном русле или в селезенке. Гемоглобин связывается с гаптоглобином и в виде комплекса гаптоглобин-гемоглобин поступает в клетки ретикулоэндотелиальной системы селезенки. Комплекс гаптоглобин-гемоглобин распадается и гаптоглобин переходит в кровь, а гемоглобин окисляется в метгемоглобин (Fe 3+ ).

В РЭС селезенки гемоглобин под действием гемоксигеназы превращается в вердоглобин. Вердоглобин теряет Fe , которое связывается трансферином и доставляется кровью в костный мозг. Вердоглобин отдает белок глобин и превращается в биливердин. При восстановлении биливердина НАДФ Н 2 образуется билирубин.

Билирубин – плохо растворимое соединение и в крови связывается с альбумином. В виде комплекса альбумин-билирубин идет транспорт билирубина кровью в клетки печени. В печени билирубин соединяется с глюкуроновой кислотой с образованием моно (20%) и диклюкуронидов (80%), они хорошо растворимы в воде. Этот вид билирубина называется конъюгированным билирубином (связан с глюкуроновой кислотой), а также называется связанным прямым, т.к. может быть прямо обнаружен с помощью реактива Эрлиха.

Билирубинглюкурониды в незначительных количествах диффундируют в кровеносный капилляр. В плазме крови присутствуют 2 формы билирубина: неконъюгированный (непрямой, свободный) и конъюгированный (прямой, связанный) – 25% от общего билирубина. Билирубинглюкурониды с желчью поступают в кишечник, где от них отщепляется глюкуроновая кислота и вновь образуется неконъюгированный билирубин. В тонком кишечнике небольшая часть билирубина может всосаться и через портальную вену вновь поступать в печень. Остальной билирубин подвергается действию кишечных бактерий и в тонком кишечнике билирубин превращается в уробилиноген. Уробилиноген всасывается в тонком кишечнике и через воротную вену поступает в печень, где уробилиноген разрушается до моно- дипирролов.

Не разрушенный уробилиноген вновь с желчью поступает в кишечник и восстанавливается до стеркобилиногена (бесцветен). Стеркобилиноген окисляется до стеркобилина и выделяется с фекалиями. Небольшое количество стеркобилиногена поступает в почки, затем окисляется до стеркобилина и выделяется с мочой.

В норме содержание общего билирубина в сыворотке крови составляется 8-20 мкмоль/л.