Гемоглобин содержится в биологии

Молекула гемоглобина: 4 субъединицы окрашены в разные цвета

Структура гемоглобина человека. Железосодержащие гем-группы показаны зелёным. Красным и синим показаны альфа- и бета- субъединицы.

Гемоглоби́н (от др.-греч. αἷμα «кровь» + лат. globus «шар») (Hb или Hgb) — сложный железосодержащий белок животных, обладающих кровообращением, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. У позвоночных животных содержится в эритроцитах, у большинства беспозвоночных растворён в плазме крови (эритрокруорин) и может присутствовать в других тканях[1]. Молекулярная масса гемоглобина человека — около 66,8 кДа. Молекула гемоглобина может нести до четырёх молекул кислорода. Один грамм гемоглобина может переносить до 1.34 мл. O2

Гемоглобин появился более чем 400 миллионов лет назад у последнего общего предка человека и акул в результате 2 мутаций, приведших к формированию четырёхкомпонентного комплекса гемоглобина, сродство которого к кислороду достаточно для связывания кислорода в насыщенной им среде, но недостаточно, чтобы удерживать его в других тканях организма.[2][3]

Большой вклад в исследование структуры и функционирования гемоглобина внёс Макс Фердинанд Перуц, получивший за это в 1962 году Нобелевскую премию[4].

Нормальным содержанием гемоглобина в крови человека считается: у мужчин — 130—160 г/л (нижний предел — 120, верхний предел — 180 г/л), у женщин — 120—160 г/л; у детей нормальный уровень гемоглобина зависит от возраста и подвержен значительным колебаниям. Так, у детей через 1—3 дня после рождения нормальный уровень гемоглобина максимален и составляет 145—225 г/л, а к 3—6 месяцам снижается до минимального уровня — 95—135 г/л, затем с 1 года до 18 лет отмечается постепенное увеличение нормального уровня гемоглобина в крови[5].

Во время беременности в организме женщины происходит задержка и накопление жидкости, что является причиной гемодилюции — физиологического разведения крови. В результате наблюдается относительное снижение концентрации гемоглобина (при беременности уровень гемоглобина в норме составляет 110—155 г/л). Кроме этого, в связи с внутриутробным ростом ребёнка происходит быстрое расходование запасов железа и фолиевой кислоты. Если до беременности у женщины был дефицит этих веществ, проблемы, связанные со снижением гемоглобина, могут возникнуть уже на ранних сроках беременности[6].

Главные функции гемоглобина: перенос кислорода и буферная функция. У человека в капиллярах лёгких в условиях избытка кислорода последний соединяется с гемоглобином. Потоком крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом, доставляются к органам и тканям, где кислорода мало; здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается от связи с гемоглобином. Кроме того, гемоглобин способен связывать в тканях небольшое количество диоксида углерода (CO2) и освобождать его в лёгких.

Монооксид углерода (CO) связывается с гемоглобином крови намного сильнее (в 250 раз[7]), чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в лёгких. Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в гемоглобине до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH) (metHb, от «мета-» и «гемоглобин», иначе гемиглобин или ферригемоглобин, см. Метгемоглобинемия). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода.

Строение[править | править код]

Гемоглобин является сложным белком класса гемопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает гем — порфириновое ядро, содержащее железо. Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из 4 протомеров. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α1, α2, β1 и β2. Субъединицы соединены друг с другом по принципу изологического тетраэдра. Основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия. И α-, и β-цепи относятся к α-спиральному структурному классу, так как содержат исключительно α-спирали. Каждая цепь содержит восемь спиральных участков, обозначаемых буквами от A до H (от N-конца к C-концу).

Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа(II). Этот кофактор нековалентно связан с гидрофобной впадиной молекул гемоглобина и миоглобина.

Железо(II) характеризуется октаэдрической координацией, то есть связывается с шестью лигандами. Четыре из них представлены атомами азота порфиринового кольца, лежащими в одной плоскости. Две другие координационные позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93-м положении полипептидной цепи (участок F). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу с обратной стороны и оказывается заключённой между атомом железа и азотом ещё одного остатка гистидина, располагающегося в 64-м положении цепи (участок E).

Всего в гемоглобине человека четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может связываться четыре молекулы. Гемоглобин в лёгких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гема на 6-ю координационную связь. На эту же связь присоединяется и монооксид углерода, вступая с кислородом в «конкурентную борьбу» за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин.

Связь гемоглобина с монооксидом углерода более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с монооксидом углерода, не участвует в транспорте кислорода. В норме у человека образуется 1,2 % карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.

Физиология[править | править код]

Изменение состояний окси- и дезоксигемоглобина

В отличие от миоглобина гемоглобин имеет четвертичную структуру, которая придаёт ему способность регулировать присоединение и отщепление кислорода и характерную кооперативность: после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается. Структура может находиться в двух устойчивых состояниях (конформациях): оксигемоглобин (содержит 4 молекулы кислорода; напряжённая конформация) и дезоксигемоглобин (кислорода не содержит; расслабленная конформация).

Устойчивое состояние структуры дезоксигемоглобина усложняет присоединение к нему кислорода. Поэтому для начала реакции необходимо достаточное парциальное давление кислорода, что возможно в альвеолах лёгких. Изменения в одной из 4-х субъединиц влияет на оставшиеся, и после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается.

Отдав кислород тканям, гемоглобин присоединяет к себе ионы водорода и углекислый газ, перенося их в лёгкие[8].

Гемоглобин является одним из основных белков, которыми питаются малярийные плазмодии — возбудители малярии, и в эндемичных по малярии районах земного шара весьма распространены наследственные аномалии строения гемоглобина, затрудняющие малярийным плазмодиям питание этим белком и проникновение в эритроцит. В частности, к таким имеющим эволюционно-приспособительное значение мутациям относится аномалия гемоглобина, приводящая к серповидноклеточной анемии. Однако, к несчастью, эти аномалии (как и аномалии строения гемоглобина, не имеющие явно приспособительного значения) сопровождаются нарушением кислород-транспортирующей функции гемоглобина, снижением устойчивости эритроцитов к разрушению, анемией и другими негативными последствиями. Аномалии строения гемоглобина называются гемоглобинопатиями.

Гемоглобин высокотоксичен при попадании значительного его количества из эритроцитов в плазму крови (что происходит при массивном внутрисосудистом гемолизе, геморрагическом шоке, гемолитических анемиях, переливании несовместимой крови и других патологических состояниях). Токсичность гемоглобина, находящегося вне эритроцитов, в свободном состоянии в плазме крови, проявляется тканевой гипоксией — ухудшением кислородного снабжения тканей, перегрузкой организма продуктами разрушения гемоглобина — железом, билирубином, порфиринами с развитием желтухи или острой порфирии, закупоркой почечных канальцев крупными молекулами гемоглобина с развитием некроза почечных канальцев и острой почечной недостаточности.

Ввиду высокой токсичности свободного гемоглобина в организме существуют специальные системы для его связывания и обезвреживания. В частности, одним из компонентов системы обезвреживания гемоглобина является особый плазменный белок гаптоглобин, специфически связывающий свободный глобин и глобин в составе гемоглобина. Комплекс гаптоглобина и глобина (или гемоглобина) затем захватывается селезёнкой и макрофагами тканевой ретикуло-эндотелиальной системы и обезвреживается.

Другой частью гемоглобинообезвреживающей системы является белок гемопексин[en], специфически связывающий свободный гем и гем в составе гемоглобина. Комплекс гема (или гемоглобина) и гемопексина затем захватывается печенью, гем отщепляется и используется для синтеза билирубина и других жёлчных пигментов, или выпускается в рециркуляцию в комплексе с трансферринами для повторного использования костным мозгом в процессе эритропоэза.

Экспрессия генов гемоглобина до и после рождения.
Также указаны типы клеток и органы, в которых происходит экспрессия гена (данные по Wood W. G., (1976). Br. Med. Bull. 32, 282.).[9]

Гемоглобин при заболеваниях крови[править | править код]

Дефицит гемоглобина может быть вызван, во-первых, уменьшением количества молекул самого гемоглобина (см. анемия), во-вторых, из-за уменьшенной способности каждой молекулы связать кислород при том же самом парциальном давлении кислорода.

Гипоксемия — это уменьшение парциального давления кислорода в крови, её следует отличать от дефицита гемоглобина. Хотя и гипоксемия, и дефицит гемоглобина являются причинами гипоксии.
Если дефицит кислорода в организме в общем называют гипоксией, то местные нарушения кислородоснабжения называют ишемией.

Прочие причины низкого гемоглобина разнообразны: кровопотеря, пищевой дефицит, болезни костного мозга, химиотерапия, отказ почек, атипичный гемоглобин.

Повышенное содержание гемоглобина в крови связано с увеличением количества или размеров эритроцитов, что наблюдается также при истинной полицитемии. Это повышение может быть вызвано: врождённой болезнью сердца, лёгочным фиброзом, слишком большим количеством эритропоэтина.

См. также[править | править код]

Гемоглобин А
Гемоглобин С (мутантная форма)
Эмбриональный Гемоглобин (эмбриональный)
Гемоглобин S (мутантная форма)
Гемоглобин F (фетальный)
Кобоглобин
Нейроглобин
Анемия
Порфирия
Талассемия
Эффект Вериго — Бора

Примечания[править | править код]

↑ Haemoglobins of invertebrate tissues. Nerve haemoglobins of Aphrodite, Aplysia and Halosydna
↑ Ученые выяснили происхождение гемоглобина. РИА Новостей, 20.05.2020, 18:59
↑ Michael Berenbrink. Evolution of a molecular machine/Nature, NEWS AND VIEWS, 20 MAY 2020
↑ Лауреаты нобелевской премии. Макс Перуц.
↑ Назаренко Г. И., Кишкун А. А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. — 2005.
↑ Общий анализ крови и беременность Архивная копия от 10 марта 2014 на Wayback Machine
↑ Hall, John E. Guyton and Hall textbook of medical physiology (англ.). — 12th ed.. — Philadelphia, Pa.: Saunders/Elsevier, 2010. — P. 1120. — ISBN 978-1416045748.
↑ Степанов В. М. Структура и функции белков : Учебник. — М. : Высшая школа, 1996. — С. 167—175. — 335 с. — 5000 экз. — ISBN 5-06-002573-X.
↑ Айала Ф., . Современная генетика: В 3-х т = Modern Genetics / Пер. А. Г. Имашевой, А. Л. Остермана, . Под ред. Е. В. Ананьева. — М.: Мир, 1987. — Т. 2. — 368 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-03-000495-5.

Литература[править | править код]

Mathews, CK; KE van Holde & KG Ahern (2000), Biochemistry (3rd ed.), Addison Wesley Longman, ISBN 0-8053-3066-6
Levitt, M & C Chothia (1976), “Structural patterns in globular proteins”, Nature

Ссылки[править | править код]

Eshaghian, S; Horwich, TB; Fonarow, GC (2006). “An unexpected inverse relationship between HbA1c levels and mortality in patients with diabetes and advanced systolic heart failure”. Am Heart J. 151 (1): 91.e1—91.e6. DOI:10.1016/j.ahj.2005.10.008. PMID 16368297.
Kneipp J, Balakrishnan G, Chen R, Shen TJ, Sahu SC, Ho NT, Giovannelli JL, Simplaceanu V, Ho C, Spiro T (2005). “Dynamics of allostery in hemoglobin: roles of the penultimate tyrosine H bonds”. J Mol Biol. 356 (2): 335—53. DOI:10.1016/j.jmb.2005.11.006. PMID 16368110.
Hardison, Ross C. (2012). “Evolution of Hemoglobin and Its Genes”. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2 (12): a011627. DOI:10.1101/cshperspect.a011627. ISSN 2157-1422. PMC 3543078. PMID 23209182.

Источник

ГЕМОГЛОБИ́НЫ (от гемо… и лат. globus – шарик), железосодержащие красные пигменты крови и гемолимфы, обеспечивающие перенос молекулярного кислорода (O2) от органов дыхания к тканям и частично диоксида углерода (CO2) от тканей к органам дыхания; участвуют в поддержании pH крови. Содержатся в эритроцитах крови всех позвоночных (за исключением некоторых антарктич. рыб) и отд. беспозвоночных или растворены в гемолимфе мн. беспозвоночных животных.

Гемоглобин содержится в биологии

Схематическое изображение пространственной структуры гемоглобина: голубым цветом обозначены β-цепи, синим – α-цепи, молекулы гема – красные диски.

Г. – сложные белки (гемопротеины). Их молекулы состоят из белкового компонента – глобина и простетич. железопорфириновой группы – гема, который способен без изменения степени окисления входящего в его состав иона Fe2+ легко присоединять и отдавать O2. Связанный с O2 Г. называется оксигемоглобином. Видовая специфичность Г. обусловлена белковым компонентом, который определяет его растворимость, сродство к O2 и молекулярную массу (у позвоночных она колеблется от 61000 до 72000, у беспозвоночных достигает 3000000). Присоединение O2 в органах дыхания (оксигенация) зависит от парциального давления (напряжения) O2 и косвенно регулируется CO2 (как правило, он облегчает отдачу O2 тканям, а его выход из крови, наоборот, способствует её насыщению O2). Связывание CO2 Г. (до 15% всего CO2 крови) происходит сразу после высвобождения O2. При взаимодействии с угарным газом (CO), сродство которого к Г. в 300 раз выше, чем у O2, образуется плохо диссоциирующий карбоксигемоглобин, не способный связывать и переносить O2; развивается кислородная недостаточность (именно этим обусловлена токсичность CO).

Молекулы Г. большинства высших позвоночных состоят из нескольких полипептидных цепей, к каждой из которых присоединён гем. Установлены первичная и пространственная структуры мн. глобинов из разл. источников. Наиболее изучен Г. человека. Его молекула образована четырьмя полипептидными цепями, упакованными в форме тетраэдра. На разных стадиях развития организма человека обнаруживаются Г., различающиеся составляющими их субъединицами. У взрослых людей до 97% приходится на долю гемоглобина A (от англ. adult – взрослый, HbA), глобин которого содержит по 2 идентичные α- и β-цепи (α2β2). Ок. 2% составляет HbA2, у которого вместо β-цепей присутствуют сходные с ними по структуре S-цепи (α2S2). Кроме того, у взрослых людей сохраняется небольшое количество (ок. 1%) Г. плода (т. н. фетальный Г., HbF), характерного для внутриутробного периода. Кроме двух α-цепей он содержит две γ-цепи (α2γ2) и обладает более высоким сродством к O2, чем HbA и HbA2. На ранних этапах эмбрионального развития присутствуют и др. Г.: типа ζ2ε2, α2ε2 и ζ2γ2. Они обеспечивают снабжение эмбриона кислородом в условиях внутриутробной жизни. HbA начинает преобладать через 2–3 мес после рождения.

У всех этих Г. α-глобиновые цепи состоят из 141 аминокислотного остатка и образуют группу α-подобных глобинов. Остальные глобиновые цепи (состоят из 146 аминокислотных остатков) по ряду свойств отличаются от α-цепей, но сходны между собой и обычно объединяются в группу β-подобных Г. Соответственно этим группам глобинов в геноме человека имеются две группы глобиновых генов, организованных в два кластера. Гены, кодирующие α-подобные цепи Г., сцеплены и расположены на хромосоме 16, а кодирующие β-подобные цепи – на хромосоме 11. Мутации в генах, кодирующих структуру полипептидных цепей Г., сопровождаются изменениями в их первичной структуре, связанными с заменами отд. аминокислотных остатков (у человека известно ок. 300 форм Г.). Б. ч. подобных замен не влияет на проявление функциональных свойств Г., но есть и такие аномальные Г., которые служат причиной заболеваний – гемоглобинопатий. Напр., замена в β-глобиновой цепи остатка глутаминовой кислоты в положении 6 на остаток валина сопровождается развитием серповидно-клеточной анемии. Разл. дефекты структуры глобиновых генов могут уменьшить продукцию Г., привести к разбалансировке синтеза α- и β-цепей и к др. заболеванию – талассемии.

Биосинтез Г. (в костном мозге, в предшественниках эритроцитов – эритробластах, нормобластах, ретикулоцитах) и формирование четвертичной структуры HbA завершается к моменту выхода зрелых эритроцитов в кровяное русло. Г. синтезируется непрерывно, что обеспечивает его постоянное обновление в организме. В 100 мл крови человека содержится 12–16 г Г. (у женщин меньше, чем у мужчин); снижение этих показателей наряду с уменьшением числа эритроцитов свидетельствует об анемии. Гем Г. после разрушения эритроцитов служит источником образования жёлчных пигментов. У позвоночных образование Г. регулируется гормоном эритропоэтином. В мышцах присутствует структурно родственный Г. белок – миоглобин, который обеспечивает клетки кислородом в условиях его дефицита. У некоторых растений обнаружены аналоги Г. (напр., легоглобин, регулирующий кислородный режим азотфиксирующих клубеньковых бактерий).

Изучение Г. внесло большой вклад в представление о структуре, функции и эволюции белков. Работы по структуре глобиновых генов человека и их экспрессии положили начало молекулярной генетике высших организмов и позволили выявить некоторые общие принципы организации и функционирования геномов эукариот. Сравнит. анализ аминокислотной последовательности глобиновых цепей у разных видов животных используется для определения степени их эволюц. родства. Открытие аномальных Г. позволило Л. Полингу привлечь внимание к изучению наследственных «молекулярных болезней».

Источник