Гемоглобин t и r формы

16. Гемоглобин – основной белок крови

Гемоглобин входит в состав группы белков гемопротеины, которые сами являются подвидом хромопротеинов и
подразделяются на неферментативныебелки (гемоглобин, миоглобин) и ферменты(цитохромы, каталаза,
пероксидаза). Небелковой частью их является гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо
(состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.

Строение гемоглобина

Гемоглобин представляет собой белок, включающий 4 гемсодержащие белковые субъединицы. Между собой протомеры соединяются гидрофобными, ионными, водородными связями по принципу комплементарности.
При этом они взаимодействуют не произвольно, а определенным участком – контактной поверхностью. Этот процесс высокоспецифичен, контакт происходит одновременно в десятках точек по принципу комплементарности. Взаимодействие осуществляют разноименно заряженные группы, гидрофобные участки, неровности на поверхности белка. Белковые субъединицы в нормальном гемоглобине могут быть представлены различными типами полипептидных цепей: α, β, γ, δ, ε, ξ (соответственно, греч. – альфа, бета, гамма, дельта, эпсилон, кси). В состав молекулы гемоглобина входят по двецепи двухразных типов. Гем соединяется с белковой субъединицей, во-первых, через остаток гистидинакоординационной связью железа, во-вторых, через гидрофобныесвязи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот. Гем располагается как бы “в кармане” своей цепи и формируется гемсодержащий протомер.

Нормальные формы гемоглобина

Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина:

 HbР– примитивный гемоглобин, содержит 2ξ- и 2ε-цепи, встречается в эмбрионе между 7-12 неделями жизни,

 HbF– фетальный гемоглобин, содержит 2α- и 2γ-цепи, появляется через 12 недель внутриутробного развития и является основным

после 3 месяцев,

 HbA– гемоглобин взрослых, доля составляет 98%, содержит 2α- и 2β-цепи, у плода появляется через 3 месяца жизни и к рождению

составляет 80% всего гемоглобина,

 HbA2– гемоглобин взрослых, доля составляет 2%, содержит 2α- и 2δ-цепи,

 HbO2– оксигемоглобин, образуется при связывании кислорода в легких, в легочных венах его 94-98% от всего количества гемоглобина,

 HbCO2– карбогемоглобин, образуется при связывании углекислого газа в тканях, в венозной крови составляет 15-20% от всего

количества гемоглобина.

Патологические формы гемоглобина

HbS– гемоглобин серповидно-клеточной анемии.

MetHb– метгемоглобин, форма гемоглобина, включающая трехвалентный ион железа вместо двухвалентного. Такая форма обычно образуется

спонтанно, в этом случае ферментативных мощностей клетки хватает на его восстановление. При использовании сульфаниламидов,

употреблении нитрита натрия и нитратов пищевых продуктов, при недостаточности аскорбиновой кислоты ускоряется переход Fe2+ в Fe3+.

Образующийся metHb не способен связывать кислород и возникает гипоксия тканей. Для восстановления ионов железа в клинике используют

аскорбиновую кислоту и метиленовую синь.

Hb-CO– карбоксигемоглобин, образуется при наличии СО (угарный газ) во вдыхаемом воздухе. Он постоянно присутствует в крови в малых концентрациях, но его доля может колебаться от условий и образа жизни.
Угарный газ является активным ингибитором гем-содержащих ферментов, в частности, цитохромоксидазы4-го комплекса дыхательной цепи.

HbA1С– гликозилированный гемоглобин. Концентрация его нарастает при хронической гипергликемии и является хорошим скрининговым показателем уровня глюкозы крови за длительный период времени.

17. Аллостерические эффекты гемоглобина: кооперативный эффект, эффект Бора, эффект 2,3-дифосфоглицерата. Механизмы, физиологическое значение.

Эффективность транспорта кислорода

регулируется

Изменение рН среды

Влияние рН на сродство гемоглобина к кислороду носит название эффекта Бора. При закислении среды сродство снижается, при

защелачивании – повышается.

При повышенииконцентрации протонов (закисление среды) в тканяхвозрастает освобождение кислорода из оксигемоглобина. В легкихпосле

удаления угольной кислоты (в виде СО2) из крови и одновременном увеличении концентрации кислорода высвобождаются ионы Н+ из

гемоглобина.

Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином упрощенно имеет вид:

Изменение сродства гемоглобина к кислороду в тканях и в легких при изменении концентрации ионов H+ и О2обусловлено конформационными

перестройками глобиновой части молекулы. В тканяхионы водорода присоединяются к остаткам гистидина, образуя восстановленный

гемоглобин (H-Hb) с низким сродством к кислороду. В легкихпоступающий кислород “вытесняет” ион водорода из связи с остатком гистидина

гемоглобиновой молекулы.

Кооперативное взаимодействие

Взаимовлияние протомеров олигомерного белка друг на друга называется кооперативное взаимодействие.

В легкихтакое взаимодействие субъединиц гемоглобина повышает его сродство к кислороду и ускоряет присоединение кислорода в 300 раз.

В тканяхидет обратный процесс, сродство снижается и ускорение отдачи кислорода также 300-кратное.

Схема кооперативного взаимодействия субъединиц гемоглобина

Объясняется такой феномен тем, что в легких при присоединении первой молекулы кислорода к железу (за счет 6-й координационной связи) атом

железа втягивается в плоскость гема, кислород остается вне плоскости. Это вызывает перемещение участка белковой цепи и изменение

конформации первого протомера. Такой измененный протомер влияет на другие субъединицы и облегчает связывание кислорода со второй

субъединицей. Это меняет конформацию второй субъединицы, облегчая присоединение последующих молекул кислорода и изменение других

протомеров.

Роль 2,3-дифосфоглицерата

2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного метаболитагликолиза, в реакциях, получивших

название шунт Раппопорта.

2,3-Дифосфоглицерат располагается в центральной полоститетрамера дезоксигемоглобина и связывается с ?-цепями, образуя поперечный

солевой мостик между атомами кислорода 2,3-дифосфоглицератаи аминогруппами концевого валинаобеих ?-цепей, также аминогруппами

радикалов лизинаи гистидина.

Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродствагемоглобина к кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на

высоту, при нехватке кислорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как

концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза.

Обмен кислорода и углекислого газа в тканях

В тканях диффундирующий в кровь из клеток СО2 большей частью (около 90%) по градиенту концентрации попадает в эритроциты. Движущей

силой этого процесса является быстрая, постоянно идущая реакция превращения его в угольную кислоту при участии

фермента карбоангидразы. Угольная кислота диссоциирует и подкисляет содержимое эритроцита, что улучшает отдачу оксигемоглобином

кислорода (Эффект Бора).

Одновременно с концевыми NH2-группами β-цепей гемоглобина связывается 10-12% карбонат-иона с образованием карбаминогемоглобина(HHbCO2).

Остальные бикарбонаты выходят в плазму крови в обмен на ионы хлора (гипохлоремический сдвиг).

Обмен кислорода и углекислого газа в легких

В легочных капиллярах имеется относительно низкая концентрация углекислого газав альвеолярном воздухе:

происходит высокоэффективная диффузия СО2 из плазмы через альвеолярные мембраны и его удаление с выдыхаемым воздухом,

 уменьшение концентрации СО2 в плазме стимулирует его образование в карбоангидразнойреакции внутри эритроцита и снижает

здесь концентрацию иона HCO3

–,

 одновременно высокая концентрация кислорода вытесняет СО2 из комплекса с гемоглобином с образованием оксигемоглобина –

более сильной кислоты, чем угольная,

 диссоциирующие от оксигемоглобина ионы Н+ нейтрализуют поступающий извне ион HCO3

– с образованием угольной кислоты. После

карбоангидразной реакции образуется СО2, который выводится наружу.

Поиск по сайту:

Гемоглобин

Главная функция эритроцитов
(см. с. 268)
— транспорт кислорода от легких в ткани и СО2 от тканей
обратно в легкие. Высшие организмы нуждаются для этого в специальной
транспортной системе, так как молекулярный кислород плохо растворим в воде:
в 1 л плазмы крови растворимо только около 3,2 мл О2.
Содержащийся в эритроцитах белок гемоглобин (Hb) способен связать
в 70 раз больше — 220 мл О2/л. Содержание Hb в крови составляет
140-180 г/л у мужчин и 120-160 г/л у женщин, т. е. вдвое выше по сравнению с
белками плазмы (50-80 г/л). Поэтому Hb вносит наибольший вклад в образование
рН-буферной емкости крови (см. с. 280).

А. Структура
гемоглобина

Гемоглобин взрослого организма
(HbA, см. ниже) является тетрамером, состоящим из двух α- и двух
β-субьединиц с молекулярными массами примерно 16 кДа. α- и β-цепи отличаются
аминокислотной последовательностью, но имеют сходную конформацию. Примерно 80%
аминокислотных остатков глобина образуют α-спирали, обозначенные буквами
А-Н (см. схему). Каждая субъединица несет группу гема (формулу см. на рис.
197) с ионом двухвалентного железа в центре. При связывании
O2 с атомом железа в геме (оксигенация Hb) и отщеплении
O2 (дезоксигенация) степень окисления атома железа не
меняется. Окисление Fe2+ до Fe3+ в геме носит случайный
характер. Окисленная форма гемоглобина, метгемоглобин, не способна
переносить O2. Доля метгемоглобина поддерживается ферментами на
низком уровне и составляет поэтому обычно только 1-2%.

Четыре из шести координационных связей
атома железа в гемоглобине заняты атомами азота пиррольных колец, пятая —
остатком гистидина глобина (проксимальный остаток гистидина), а шестая —
молекулой кислорода в оксигемоглобине и, соответственно, Н2О в
дезоксигемоглобине.

Б. Аллостерические эффекты в
гемоглобине

Аналогично аспартат-карбамоилтрансферазе
(см. с. 118) Hb может находиться в двух состояниях (конформациях):
обозначаемых как Т- и R-формы соответственно. Т-Форма (напряженная от
англ. tense) обладает существенно более низким сродством к O2
по сравнению с R-формой (на схеме справа). Связывание O2 с одной из
субъединиц Т-формы приводит к локальным конформационным изменениям, которые
ослабляют связь между субъединицами. С возрастанием парциального давления
O2 увеличивается доля молекул Hb в высокоаффинной R-форме (от англ.
relaxed). Благодаря кооперативным взаимодействиям между субъединицами с
ростом концентрации кислорода повышается сродство Hb к O2, в
результате чего кривая насыщения имеет сигмоидальный вид (см. с
276).

На равновесие между Т- и R-формами
влияют различные аллостерические эффекторы, регулирующие связывание
O2гемоглобином (желтые стрелки). К наиболее важным эффекторам
относятся CO2, Н+ и 2,3-дифосфоглицерат [ДФГ (BPG)]
(см. с. 276).

Дополнительная
информация

Hb взрослого организма состоит, как
упомянуто выше, из двух α- и двух β-цепей (α2β2). Наряду с
этой основной формой (HbA1) в крови присутствуют
незначительные количества второй формы с более высоким сродством к
O2, у второй β-цепи заменены δ-цепя-ми (HbA2,
α2δ2). Две другие формы Hb встречаются только в
эмбриональном периоде развития. В первые три месяца образуются эмбриональные
гемоглобины состава ξ2ε2 и α2γ2.
Затем вплоть до рождения доминирует фетальный гемоглобин (HbF,
α2δ2), который постепенно заменяется на первом месяце
жизни на HbА. Эмбриональный и фетальный гемоглобины обладают более высоким
сродством к О2 по сравнению с HbА, так как они должны переносить
кислород из системы материнского кровообращения.

Еще по теме:

• ГЕМОГЛОБИН – химическая энциклопедия
• ГЕМОГЛОБИН – химическая энциклопедия
• Гемоглобин – биохимический справочник

274-275

Òêàíè è îðãàíû. Êðîâü

Ãåìîãëîáèí

Ãëàâíàÿ ôóíêöèÿ ýðèòðîöèòîâ
(ñì. ñ. 268)
— òðàíñïîðò êèñëîðîäà îò ëåãêèõ â òêàíè è ÑÎ2 îò òêàíåé
îáðàòíî â ëåãêèå. Âûñøèå îðãàíèçìû íóæäàþòñÿ äëÿ ýòîãî â ñïåöèàëüíîé
òðàíñïîðòíîé ñèñòåìå, òàê êàê ìîëåêóëÿðíûé êèñëîðîä ïëîõî ðàñòâîðèì â âîäå:
â 1 ë ïëàçìû êðîâè ðàñòâîðèìî òîëüêî îêîëî 3,2 ìë Î2.
Ñîäåðæàùèéñÿ â ýðèòðîöèòàõ áåëîê ãåìîãëîáèí (Hb) ñïîñîáåí ñâÿçàòü
â 70 ðàç áîëüøå — 220 ìë Î2/ë. Ñîäåðæàíèå Hb â êðîâè ñîñòàâëÿåò
140-180 ã/ë ó ìóæ÷èí è 120-160 ã/ë ó æåíùèí, ò. å. âäâîå âûøå ïî ñðàâíåíèþ ñ
áåëêàìè ïëàçìû (50-80 ã/ë). Ïîýòîìó Hb âíîñèò íàèáîëüøèé âêëàä â îáðàçîâàíèå
ðÍ-áóôåðíîé åìêîñòè êðîâè (ñì. ñ. 280).

À. Ñòðóêòóðà
ãåìîãëîáèíà

Ãåìîãëîáèí âçðîñëîãî îðãàíèçìà
(HbA, ñì. íèæå) ÿâëÿåòñÿ òåòðàìåðîì, ñîñòîÿùèì èç äâóõ α- è äâóõ
β-ñóáüåäèíèö ñ ìîëåêóëÿðíûìè ìàññàìè ïðèìåðíî 16 êÄà. α- è β-öåïè îòëè÷àþòñÿ
àìèíîêèñëîòíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ, íî èìåþò ñõîäíóþ êîíôîðìàöèþ. Ïðèìåðíî 80%
àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêîâ ãëîáèíà îáðàçóþò α-ñïèðàëè, îáîçíà÷åííûå áóêâàìè
À-Í (ñì. ñõåìó). Êàæäàÿ ñóáúåäèíèöà íåñåò ãðóïïó ãåìà (ôîðìóëó ñì. íà ðèñ.
197) ñ èîíîì äâóõâàëåíòíîãî æåëåçà â öåíòðå. Ïðè ñâÿçûâàíèè
O2ñ àòîìîì æåëåçà â ãåìå (îêñèãåíàöèÿ Hb) è îòùåïëåíèè
O2 (äåçîêñèãåíàöèÿ) ñòåïåíü îêèñëåíèÿ àòîìà æåëåçà íå
ìåíÿåòñÿ. Îêèñëåíèå Fe2+ äî Fe3+ â ãåìå íîñèò ñëó÷àéíûé
õàðàêòåð. Îêèñëåííàÿ ôîðìà ãåìîãëîáèíà, ìåòãåìîãëîáèí, íå ñïîñîáíà
ïåðåíîñèòü O2. Äîëÿ ìåòãåìîãëîáèíà ïîääåðæèâàåòñÿ ôåðìåíòàìè íà
íèçêîì óðîâíå è ñîñòàâëÿåò ïîýòîìó îáû÷íî òîëüêî 1-2%.

×åòûðå èç øåñòè êîîðäèíàöèîííûõ ñâÿçåé
àòîìà æåëåçà â ãåìîãëîáèíå çàíÿòû àòîìàìè àçîòà ïèððîëüíûõ êîëåö, ïÿòàÿ —
îñòàòêîì ãèñòèäèíà ãëîáèíà (ïðîêñèìàëüíûé îñòàòîê ãèñòèäèíà), à øåñòàÿ —
ìîëåêóëîé êèñëîðîäà â îêñèãåìîãëîáèíå è, ñîîòâåòñòâåííî, Í2Î â
äåçîêñèãåìîãëîáèíå.

Á. Àëëîñòåðè÷åñêèå ýôôåêòû â
ãåìîãëîáèíå

Àíàëîãè÷íî àñïàðòàò-êàðáàìîèëòðàíñôåðàçå
(ñì. ñ. 118) Hb ìîæåò íàõîäèòüñÿ â äâóõ ñîñòîÿíèÿõ (êîíôîðìàöèÿõ):
îáîçíà÷àåìûõ êàê Ò- è R-ôîðìû ñîîòâåòñòâåííî. Ò-Ôîðìà (íàïðÿæåííàÿ îò
àíãë. tense) îáëàäàåò ñóùåñòâåííî áîëåå íèçêèì ñðîäñòâîì ê O2
ïî ñðàâíåíèþ ñ R-ôîðìîé (íà ñõåìå ñïðàâà). Ñâÿçûâàíèå O2 ñ îäíîé èç
ñóáúåäèíèö Ò-ôîðìû ïðèâîäèò ê ëîêàëüíûì êîíôîðìàöèîííûì èçìåíåíèÿì, êîòîðûå
îñëàáëÿþò ñâÿçü ìåæäó ñóáúåäèíèöàìè. Ñ âîçðàñòàíèåì ïàðöèàëüíîãî äàâëåíèÿ
O2 óâåëè÷èâàåòñÿ äîëÿ ìîëåêóë Hb â âûñîêîàôôèííîé R-ôîðìå (îò àíãë.
relaxed). Áëàãîäàðÿ êîîïåðàòèâíûì âçàèìîäåéñòâèÿì ìåæäó ñóáúåäèíèöàìè ñ
ðîñòîì êîíöåíòðàöèè êèñëîðîäà ïîâûøàåòñÿ ñðîäñòâî Hb ê O2, â
ðåçóëüòàòå ÷åãî êðèâàÿ íàñûùåíèÿ èìååò ñèãìîèäàëüíûé âèä (ñì. ñ
276).

Íà ðàâíîâåñèå ìåæäó Ò- è R-ôîðìàìè
âëèÿþò ðàçëè÷íûå àëëîñòåðè÷åñêèå ýôôåêòîðû, ðåãóëèðóþùèå ñâÿçûâàíèå
O2 ãåìîãëîáèíîì (æåëòûå ñòðåëêè). Ê íàèáîëåå âàæíûì ýôôåêòîðàì
îòíîñÿòñÿ CO2, Í+ è 2,3-äèôîñôîãëèöåðàò [ÄÔÃ (BPG)]
(ñì. ñ. 276).

Äîïîëíèòåëüíàÿ
èíôîðìàöèÿ

Hb âçðîñëîãî îðãàíèçìà ñîñòîèò, êàê
óïîìÿíóòî âûøå, èç äâóõ α- è äâóõ β-öåïåé (α2β2). Íàðÿäó ñ
ýòîé îñíîâíîé ôîðìîé (HbA1) â êðîâè ïðèñóòñòâóþò
íåçíà÷èòåëüíûå êîëè÷åñòâà âòîðîé ôîðìû ñ áîëåå âûñîêèì ñðîäñòâîì ê
O2, ó âòîðîé β-öåïè çàìåíåíû δ-öåïÿ-ìè (HbA2,
α2δ2). Äâå äðóãèå ôîðìû Hb âñòðå÷àþòñÿ òîëüêî â
ýìáðèîíàëüíîì ïåðèîäå ðàçâèòèÿ. Â ïåðâûå òðè ìåñÿöà îáðàçóþòñÿ ýìáðèîíàëüíûå
ãåìîãëîáèíû ñîñòàâà ξ2ε2 è α2γ2.
Çàòåì âïëîòü äî ðîæäåíèÿ äîìèíèðóåò ôåòàëüíûé ãåìîãëîáèí (HbF,
α2δ2), êîòîðûé ïîñòåïåííî çàìåíÿåòñÿ íà ïåðâîì ìåñÿöå
æèçíè íà HbÀ. Ýìáðèîíàëüíûé è ôåòàëüíûé ãåìîãëîáèíû îáëàäàþò áîëåå âûñîêèì
ñðîäñòâîì ê Î2 ïî ñðàâíåíèþ ñ HbÀ, òàê êàê îíè äîëæíû ïåðåíîñèòü
êèñëîðîä èç ñèñòåìû ìàòåðèíñêîãî êðîâîîáðàùåíèÿ.