Что такое распад гемоглобина
За сутки у человека распадается около 9 г гемопротеинов, в основном это гемоглобин эритроцитов.
Эритроциты в норме живут 90-120 дней, после чего лизируются в клетках ретикулоэндотелиальной системы – макрофагах селезенки (главным образом), купферовских клетках печени и макрофагах костного мозга. При разрушении эритроцитов в кровеносном русле высвобождаемый гемоглобин образует комплекс с белком-переносчиком гаптоглобином (фракция α2-глобулинов крови) и также переносится в клетки РЭС селезенки, печени и костного мозга.
Синтез билирубина
В клетках РЭС гем в составе гемоглобина окисляется молекулярным кислородом. В реакциях последовательно происходит разрыв метинового мостика между 1-м и 2-м пиррольными кольцами гема с их восстановлением, отщеплением железа и белковой части и образованием оранжевого пигмента билирубина. Высвобождаемое железо может либо запасаться в клетке в комплексе с ферритином, либо выделяться наружу и связываться с трансферрином.
Реакции распада гемоглобина и образования билирубина
Билирубин – токсичное, жирорастворимое вещество, способное разобщать окислительное фосфорилирование в клетках. Особенно чувствительны к нему клетки нервной ткани.
Строение билирубина
Выведение билирубина
Из клеток ретикуло-эндотелиальной системы билирубин попадает в кровь. Здесь он находится в комплексе с альбумином плазмы, в гораздо меньшем количестве – в комплексах с металлами, аминокислотами, пептидами и другими малыми молекулами. Образование таких комплексов не позволяет выделяться билирубину с мочой. Билирубин в комплексе с альбумином называется свободный (неконъюгированный) или непрямой билирубин.
Этапы метаболизма билирубина в организме
Из сосудистого русла в гепатоциты билирубин попадает с помощью белка-переносчика (транспортный белок органических анионов) или по механизму флип-флоп. Далее при участии цитозольного связывающего белка лигандина (Y-протеин) билирубин транспортируется в ЭПР, где протекает реакция связывания билирубина с УДФ-глюкуроновой кислотой, при этом образуются моно- и диглюкурониды. Кроме глюкуроновой кислоты, в реакцию конъюгации могут вступать сульфаты, фосфаты, глюкозиды.
Билирубин-глюкуронид получил название связанный (конъюгированный) или прямой билирубин.
После образования билирубин-глюкурониды АТФ-зависимым переносчиком секретируются в желчные протоки и далее в кишечник, где при участии бактериальной β-глюкуронидазы превращаются в свободный билирубин. Одновременно, даже в норме (особенно у взрослых), некоторое количество билирубин-глюкуронидов может попадать из желчи в кровь по межклеточным щелям.
Таким образом, в плазме крови обычно присутствуют две формы билирубина: свободный (непрямой), попадающий сюда из клеток РЭС (80% и более всего количества), и связанный (прямой), попадающий из желчных протоков (в норме не более 20%).
Термины “связанный“, “конъюгированный“, “свободный“, “несвязанный” отражают взаимодействие билирубина и глюкуроновой кислоты (но не билирубина и альбумина!).
Термины “прямой” и “непрямой” введены, исходя из возможности химической реакции билирубина с диазореактивом Эрлиха. Связанный билирубин реагирует с реактивом напрямую, без добавления дополнительных реагентов, т.к. является водорастворимым. Несвязанный (жирорастворимый) билирубин требует добавочных реактивов, реагирует не прямо.
Превращение в кишечнике
В кишечнике билирубин подвергается восстановлению под действием микрофлоры до мезобилирубина и мезобилиногена (уробилиногена). Часть уробилиногена всасывается и с кровью портальной вены попадает в печень, где либо распадается до моно-, ди- и трипирролов, либо окисляется до билирубина и снова экскретируется. При этом при здоровой печени в общий круг кровообращения и в мочу мезобилирубин и уробилиноген не попадают, а полностью задерживаются гепатоцитами.
Оставшаяся в кишечнике часть пигментов ферментами бактериальной флоры толстого кишечника восстанавливается до стеркобилиногена. Далее
- малая часть стеркобилиногена может всасываться и катаболизировать в печени, подобно уробилиногену,
- незначительное количество стеркобилиногена через геморроидальные вены попадает в большой круг кровообращения, отсюда в почки и в мочу. После окисления на воздухе из стеркобилиногена образуется стеркобилин мочи,
- однако основное количество стеркобилиногена достигает нижних отделов толстого кишечника и выделяется. В прямой кишке и на воздухе стеркобилиноген окисляется в стеркобилин, окрашивая кал,
- аналогично уробилиноген, появляющийся в моче при патологии печени, окисляется в уробилин.
Очень часто стеркобилиноген, содержащийся в нормальной моче, называют уробилиногеном. И в клинической практике обычно не проводят различий между стеркобилиногеном и уробилиногеном мочи, их рассматривают как один пигмент – урохромы (уробилиноиды), что может создавать некоторую путаницу при оценке результатов анализа.
Происходит в мононуклеарных фагоцитах (в селезенке и печени). Сначала происходит разрыв связи между I-м и II-м кольцами. Фермент – НАДзависимая оксигеназа. После ее действия образуется пигмент зеленого цвета – вердоглобин. В его составе сохраняется и железо и белок. В дальнейшем вердоглобин распадается на составные части: белок, железо и пигмент-биливердин. Железо образует комплекс с белком трансферрином, и этот комплекс поступает в ткани, где оно снова может быть использовано для синтезов или депонироваться в виде комплекса с белком ферритином.
Билирубин плохо растворим в воде, поэтому он адсорбируется на альбумине крови. Такой комплекс называется СВОБОДНЫМ или НЕПРЯМЫМ БИЛИРУБИНОМ. Он свободный, потому что не связан ни с каким другим веществом ковалентными связями; непрямой, потому что не дает прямой реакции с диазореактивом Эрлиха (для определения этого вида билирубина необходимо предварительно осадить альбумины).
В печени непрямой билирубин подвергается обезвреживанию путем связывания с глюкуроновой кислотой. В реакции расходуется УТФ. При этом к молекуле билирубина присоединяются 2 молекулы глюкуроновой кислоты (образование билирубиндиглюкуронида). Это вещество малотоксично и хорошо растворяется в воде, называется ПРЯМЫМ СВЯЗАННЫМ БИЛИРУБИНОМ, т.к. определяется в прямой реакции с диазореактивом Эрлиха и связан ковалентно с глюкуроновой кислотой. В таком виде билирубин поступает в желчь и вместе с ней выводится из организма.
При определении содержания билирубина используют диазореактив Эрлиха, который дает розовую окраску с билирубином и по ее интенсивности судят о концентрации билирубина в крови.
В крови человека примерно 75% непрямого билирубина от его общего количества. Общее содержание билирубина в норме (прямой+непрямой) от 8 до 20 мкмоль/л.
Билирубин – это конечный продукт распада гемоглобина у человека. Однако, поступив с желчью в кишечник, он превращается под действием ферментов микрофлоры кишечника. Сначала от него отщепляется глюкуроновая кислота, затем происходит частичное восстановление и образуется вещество, называемое “мезобилиноген”, а затем стеркобилиноген. Стеркобилиноген в основном выводится с калом и на воздухе (в кале) превращается в стеркобилин, а мезобилиноген частично всасывается из кишечника по системе v.portae, т.е. попадает в печень и там разрушается. Поэтому его нет у здоровых людей в крови. Небольшая часть стеркобилиногена тоже всасывается из кишечника через систему геморроидальных вен, т.е. попадает сразу в большой круг кровообращения, минуя печень, поэтому часть его выводится с мочой.
Значит, стеркобилиноген является компонентом мочи в норме.
В НОРМЕ:
Кровь:
Билирубин (в основном непрямой) – в норме (8-17мкмоль/л)
Гемоглобин – в норме (мужчины – 130-145 г/л; женщины – 110-130 г/л
Моча: светло-желтого цвета, стеркобилиноген – в норме, мезобилиногена нет.
Кал: нормальной окраски, стеркобилиноген – в норме
135.
ГЕМОЛИТИЧЕСКАЯ ЖЕЛТУХА Наблюдается при усилении распада эритроцитов. Билирубина образуется больше, чем в норме и скорость экскреции тоже увеличивается. Непрямой билирубин повышается в крови. В моче билирубина нет, а содержание стеркобилина в кале и в моче повышено.
136.
ПАРЕНХИМАТОЗНАЯ ЖЕЛТУХА (паренхиматозная). Наблюдается при повреждении гепатоцитов (например, при вирусном гепатите). Билирубин не обезвреживается. Желчные пигменты поступают не только в кишечник, но и в кровь. Т.е. в крови повышается содержание не только прямого, но и непрямого билирубина. Наблюдается билирубинурия. В моче обнаруживают мезобилиноген.
137.
ОБТУРАЦИОННАЯ ЖЕЛТУХА (механическая) Наблюдается при закупорке желчных протоков (например, при желчнокаменной болезни). Желчь продолжает вырабатываться, но поступает не только в желчные протоки, а также в кровь. В крови повышается уровень билирубина, в основном – прямого билирубина. Наблюдается билирубинурия. Содержание стеркобилина в моче и в кале снижено (кал становится светлым, а моча темнеет за счет прямого билирубина).
138.
Продолжительность
жизни эритроцитов составляет 120 дней, затем они разрушаются и освобождается
гемоглобин. Главными органами, в которых происходят разрушение эритроцитов и
распад гемоглобина, являются печень, селезенка и костный мозг, хотя в принципе
оба процесса могут происходить и в клетках других органов. Распад гемоглобина в
печени начинается с разрыва α-метиновой связи между I и
II кольцами порфиринового кольца. Этот процесс катализируется НАДФ-содержащей
ок-сидазой и приводит к образованию зеленого пигмента вердоглобина
(холеглобина):
В приведенных
структурных формулах здесь и далее в желчных пигментах М – метильная СН3-группа,
В – (—СН=СН2) – винильная группа и П – (—СН2—СН2—СООН)
– остаток пропионовой кислоты.
Как видно из
приведенных формул, в молекуле вердоглобина еще сохраняются атом железа и
белковый компонент. Имеются экспериментальные доказательства, что в этом
окислительном превращении гемоглобина принимают участие витамин С, ионы Fe2+и другие кофакторы. Дальнейший распад вердоглобина, вероятнее всего, происходит
спонтанно с освобождением железа, белка-глобина и образованием одного из
желчных пигментов – биливердина. Спонтанный распад сопровождается
перераспределением двойных связей и атомов водорода в пиррольных кольцах и
метиновых мостиках. Образовавшийся биливердин ферментативным путем
восстанавливается в печени в билирубин, являющийся основным желчным пигментом у
человека и плотоядных животных:
Основное
место образования билирубина – печень, селезенка и, по-видимому, эритроциты
(при распаде их иногда разрывается одна из метиновых связей в протопорфирине).
Образовавшийся во всех этих клетках билирубин поступает в печень, откуда вместе
с желчью попадает в желчный пузырь (см. главу 16). Билирубин, образовавшийся в
клетках системы макрофагов, называется свободным, или непрямым, билирубином,
поскольку вследствие плохой растворимости в воде он легко адсорбируется на
белках плазмы крови и для его определения в крови необходимо предварительное
осаждение белков спиртом. После этого билирубин вступает во взаимодействие с
диазореактивом Эрлиха.
В крови
взрослого здорового человека содержится относительно постоянное количество общего билирубина – от 4 до 26 мкмоль/л, в среднем 15 мкмоль/л.
Около 75% этого количества приходится на долю непрямого билирубина. Повышение
его концентрации в крови до 35 мкмоль/л приводит к желтухе. Более высокий
уровень билирубина в крови вызывает явления тяжелого отравления. Непрямой
билирубин, поступая с током крови в печень, подвергается обезвреживанию путем
связывания с глюку-роновой кислотой. В этом процессе принимают участие особый
фермент УДФ-глюкуронилтрансфераза и УДФ-глюкуроновая кислота, являющаяся
донором глюкуроновой кислоты. При этом к билирубину присоединяются 2 остатка
глюкуроновой кислоты с образованием сравнительно индифферентного комплекса –
билирубин-диглюкуронида, хорошо растворимого в воде и дающего прямую реакцию с
диазореактивом. В желчи всегда присутствует прямой билирубин. В крови
количество прямого и непрямого билирубина, а также соотношение между ними резко
меняются при поражениях печени, селезенки, костного мозга, болезнях крови и
т.д., поэтому определение содержания обеих форм билирубина в крови имеет
существенное значение при дифференциальной диагностике различных форм желтухи.
При желчнокаменной болезни в составе желчных камней наряду с основным их
компонентом – холестерином всегда обнаруживается непрямой билирубин. Вследствие
плохой растворимости в воде он выпадает в осадок в желчном пузыре в виде
билирубината кальция, участвующего в формировании камней.
Дальнейшая
судьба желчных пигментов, точнее билирубина, связана с их превращениями в
кишечнике под действием бактерий. Сначала глю-куроновая кислота отщепляется от
комплекса с билирубином и освободившийся билирубин подвергается восстановлению
в стеркобилиноген, который выводится из кишечника. В сутки человек выделяет
около 300 мг стеркобилиногена. Последний легко окисляется под действием света и
воздуха в стеркобилин. Механизм бактериальных превращений билирубина до
стеркобилина до конца еще не расшифрован. Имеются данные, что промежуточными
продуктами восстановления являются последовательно мезобилирубин и
мезобилиноген (уробилиноген). После всасывания небольшая часть мезобилиногена
поступает через воротную вену в печень, где подвергается разрушению с образованием
моно- и дипиррольных соединений. Кроме того, очень небольшая часть
стеркобилиногена после всасывания через систему геморроидальных вен попадает в
большой круг кровообращения, минуя печень, и в таком виде выводится с мочой.
Однако называть его уробилиногеном не совсем точно (см. главу 18). Суточное
содержание стеркобилиногена в моче составляет около 4 мг, и, пожалуй, именно
стеркобилиноген является нормальной органической составной частью мочи. Если с
мочой выделяется повышенное содержание уробилиногена (точнее, мезобилиногена),
то это является свидетельством недостаточности функции печени, например, при
печеночной или гемолитической желтухе, когда печень частично теряет способность
извлекать этот пигмент из крови воротной вены. Химически уробилиноген
(мезо-билиноген) неидентичен стеркобилиногену (уробилиногену) мочи.
Исчезновение стеркобилиногена (уробилиногена) из мочи при наличии билирубина и
биливердина является свидетельством полного прекращения поступления желчи в
кишечник. Такое состояние часто наблюдается при закупорке протока желчного
пузыря (желчнокаменная болезнь) или общего желчного протока (желчнокаменная
болезнь, раковые поражения поджелудочной железы и др.).
Таким
образом, количественный и качественный анализ желчных пигментов в моче может
представлять большой клинический интерес.
Распад гемоглобина может влиять на функционирование печени человека. В чем же тут может быть опасность для пациента?
Организм человека – сложная саморегулирующаяся система, которая для достижения оптимальных условий работы и существования сама себе помогает.
Вся работа тканей и органов держится на активных обменных процессах, проходящих в них. Основной связывающей средой между ними является кровь. С ее помощью происходит насыщение тканей кислородом, поступающим от легких. Взамен кровь транспортирует от клеток продукты их жизнедеятельности и образованный углекислый газ.
Молекулы в организме человека
В крови содержится довольно много молекул, обеспечивающих подобный транспорт. Главной из них является молекула гемоглобина, основная функция которой – доставка кислорода и удаление СО2.
Гемоглобин – сложная молекула, состоящая из двух больших, двух малых белковых субъединиц и находящегося между ними и связывающего их в единую молекулу атома железа.
В огромном количестве гемоглобин находится в эритроцитах – красных кровяных клетках, отвечающих за транспортную функцию. Чем эритроцитов больше, тем обычно больше гемоглобина.
Как и любая структура организма, эритроциты не вечны. После образования их в костном мозгу, они покидают его, некоторое время циркулируют по кровотоку и спустя определенное время (средняя продолжительность жизни эритроцита составляет около 120 дней) они попадают в селезенку, где проходит утилизация изношенных или поврежденных эритроцитов с их последующим распадом.
Частичный распад эритроцитов происходит и в кровяном русле.
Расшифровка схемы
В результате, чтобы не терять имеющееся в организме железо, старые эритроциты расщепляются на более простые структуры, которые впоследствии принимают участие в образовании новых эритроцитов. Процесс их образования довольно сложен. Он включает в себя достаточно большое количество стадий и для его протекания необходимо очень много вспомогательных веществ.
Соответственно, если разрушается эритроцит, то происходит и распад содержащегося в нем гемоглобина. Схема распада данного белка следующая:
- Под воздействием кислорода и молекулы, осуществляющей транспортировку протонов водорода, происходит превращение гемоглобина в вердоглобин (если изучать данный процесс под контролем зрения, можно заметить, что происходит смена цвета (гемоглобин дает красную окраску, в то время как вердоглобин окрашивает все в зеленый цвет)).
- В последующих реакциях происходит отщепление атома двухвалентного железа, которое после используется для синтеза нового гема, и белковых субъединиц, которые последовательно распадаются до аминокислот и в дальнейшем используются для синтеза новых белков. В результате от молекулы гемоглобина остается только одно вещество – биливердин. Гем при помощи белка-трансферрина переносится в печень, где находится депо железа. Оно используется в дальнейшем как для повторного синтеза молекулы гемоглобина, так и новых молекул.
- Воздействуя на биливердин специальным ферментом – редуктазой, происходит превращение его в новую молекулу – билирубин, который, в свою очередь, дает оранжевую окраску.
Данное вещество является достаточно токсичным и при большом количестве его в кровотоке приводит к развитию различных состояний, таких как желтуха. В тяжелых случаях может приводить к поражению нервной системы и развитию печеночной комы.
Оно используется в основном для синтеза желчных кислот в печени, поэтому после его образования дальнейшая схема утилизации гемоглобина может идти в двух направлениях.
Первое из них основывается на реакции конъюгации.
В крови билирубин может содержаться в трех формах – чистый билирубин, не связанный ни с одной молекулой, свободный, связанный преимущественно с альбуминами крови, и несвободный, или конъюгированный, составляющий комплекс билирубина с глюкуроновой кислотой.
Реакция конъюгации билирубина происходит преимущественно в печени.
Оттуда связанный с глюкуроновой кислотой билирубин попадает по системе желчных протоков в кишечник, где происходит дальнейшее превращение данной молекулы.
Некоторая часть уробилиногена всасывается в кровь и транспортируется с ее током в печень, где происходит образование сложных спиртов, необходимых для некоторых реакций метаболизма.
Большая же часть оставшегося в кишечнике уробилиногена под действием ферментов и пигментных молекул микроорганизмов окисляется до стеркобилиногена, придающего окраску калу и выводящегося с ним.
Малая часть стеркобилиногена по системе вен прямой кишки (кровоток от которой осуществляется по широко развитой системе геморроидальных вен) всасывается в кровь и транспортируется к почкам. В них происходит выделение стеркобилиногена с током мочи. Во внешней среде, за счет реакции с атомами кислорода, стеркобилиноген превращается в уробилин и стеркобилин, которые придают моче характерный цвет.
Таким образом выглядит схема реакции распада молекулы гемоглобина.
Искусственный метод распада гемоглобина
Все данные реакции протекают в крови под воздействием эндогенных ферментов. Подобную схему распада гемоглобина можно спроектировать и в лабораторных условиях, чтобы получить более наглядное представление о протекании данной реакции.
Как было сказано выше, эритроциты подвергаются разрушению с целью их повторного использования в дальнейшем. Данный механизм осуществляется по принципу физиологической смерти клеток, однако есть еще один механизм, вызывающий распад эритроцитов и образование желчных пигментов.
Данный механизм носит название апоптоза и активируется обычно в случае несостоятельности эритроцитов или ошибок во время их синтеза.
Схема распада эритроцита и гемоглобина, если имеет место нарушение синтеза, ничем не отличается от таковой как при физиологической утилизации. Единственным нюансом является то, что часть клеток распадается непосредственно в селезенке, а другая – в кровяном русле. Существенным изменениям молекула билирубина не подвергается, однако за счет наличия в крови огромного количества ионов, иных молекул и клеток системы крови реакция расщепления может пойти несколько непредсказуемо.
Если иммунная система организма в норме, подобный внутрисосудистый распад гемоглобина обычно никак не сказывается на состоянии здоровья человека. Если же имеются и какие-либо нарушения в работе системы иммунитета, то реакция может пойти несколько непредсказуемо, и сложно предугадать ее последствия.
Для чего же следует знать схему распада молекулы гемоглобина
Дело в том, что в норме в крови содержится определенное количество желчных пигментов. При развитии того или иного патологического процесса, который может проходить как в печени, так и селезенке, показатели билирубина могут значительно меняться и изменяться. При увеличении их количества судят о либо повышенной активности клеток крови и селезенки, либо же о значительных проблемах с печенью. Если такое поражение пустить на самотек и своевременно не обратиться к врачу, состояние может привести к летальному исходу или развитию печеночной комы.
Увеличение количества непрямого билирубина обычно является провоцирующим фактором развития желчнокаменной болезни, которая чаще всего приводит к нарушению работы пищеварительной системы, но может проявить себя и в виде ургентного состояния (печеночная колика).
Снижение же продуктов распада гемоглобина в крови говорит о нарушении работы транспортных систем организма или же о несостоятельности костного мозга, что может говорить за развитие онкологического процесса.
Любое увеличение количества билирубина чаще всего проявляется в виде желтухи, поэтому уже на стадии осмотра пациента можно заподозрить имеющиеся метаболические нарушения.
Именно поэтому крайне важно знать о возможных изменениях количества гемоглобина в крови и уметь правильно распознать имеющуюся патологию.
https://www.youtube.com/watch?v=Kr_vZTauVlc
Для определения количества данных веществ назначается специальный анализ – биохимия крови. Исследование количества гемоглобина и билирубина проводится в лабораториях специально обученным персоналом. На основании полученных ими данных удается сделать вывод об имеющихся нарушениях и предпринять соответствующие меры.