Последовательность образования четвертичной структуры молекулы гемоглобина

Строение гемоглобина влияет на его способность присоединять кислород, он содержит красный пигмент гем с железом и белок глобин. Они соединяются в субъединицы, а потом четыре из них скрепляются в один комплекс. Каждый гем с глобином могут переносить кислород и забирать из тканей углекислый газ.

Биологическая роль гемоглобина состоит в обеспечении тканевого дыхания, он также регулирует кислотность крови, связывает токсины. Нормальными формами считается оксигемоглобин (соединение с кислородом), дезоксигемоглобин (углекислота вместо кислорода). В норме в крови есть и немного окисленной формы (метгемоглобин), но при повышении ее уровня нарушается способность гемоглобина обеспечивать ткани кислородом.

Строение гемоглобина и его структура

Гемоглобин имеет в структуре две части – белок глобин и небелковый гем, строение молекулы позволяет ему присоединять и отдавать кислород, воду и углекислый газ. Гем относится к пигментам, то есть красящим веществам. Он придает крови алый цвет. Внутри гема есть железо. Гемоглобин содержит 4 гема, каждый со всех сторон обвит цепочкой аминокислот белка глобина. Эти 4 субъединицы позволяют связывать 4 молекулы кислорода из воздуха в легких.

Эритроциты, состоящие на 95% из гемоглобина, захватывают кислородные молекулы и переносят его к клеткам организма. Гемоглобин отдает кислород, а взамен забирает воду и углекислый газ, которые выделяются также через легкие. Соединение гемоглобина с кислородом называется оксигемоглобин, а с углекислотой – дезоксигемоглобин. Все они в норме есть в эритроцитах.

Если гемоглобин соединяется с угарным газом, то блокируются все 4 части молекулы, в результате она теряет способность соединяться с кислородом. Если есть отравление азотом или цианидами, то железо становится из двухвалентного (нормального) трехвалентным. Это тоже нарушает перенос кислородных молекул, образуется метгемоглобин. Подобная реакция бывает и при отравлении некоторыми медикаментами, наследственных болезнях.

Виды

Все виды гемоглобина делятся на нормальные (физиологические) и с нарушенной структурой (патологические). Для их обозначения используют латинские буквы и сокращение Hb (haemoglobinum).

Нормальные формы

В норме можно найти в крови:

• зрелый гемоглобин HbA, его у взрослого 95-98%, а у новорожденного 80%;
• фетальный гемоглобин HbF (фетус означает плод) образуется со 2 месяца беременности у плода, циркулирует до рождения, разрушается в первую неделю жизни, отличается большей способностью захватывать кислород;
• эмбриональный HbE образуется у плода до 2 месяца внутриутробного развития.

В зависимости от того, что присоединил гемоглобин, выделены формы:

• HbО2 – соединение с кислородом (оксигемоглобин);
• HbСО2 – гемоглобин с углекислым газом, он называется дезоксигемоглобин;
• HbMet – метгемоглобин с окисленным железом, его количество в норме допускается до 3%.

Патологические

Патологических гемоглобинов известно более 300 форм. Наиболее часто находят:

• HbS – гемоглобин при серповидно-клеточной анемии;
• HbCO – карбоксигемоглобин, образующийся при отравлении угарным газом;
• HbA1С – гликозилированный гемоглобин, его уровень возрастает при сахарном диабете.

Железо входит в состав гемоглобина крови?

Ионы металла железа входят в состав гемоглобина и находятся в центре каждой из 4 субъединиц. У них есть 4 связи постоянные и две свободные валентности, одна из них соединена с белком, а ко второй может прикрепиться кислород или вода, азот, углекислота.

Небелковая часть гемоглобина

Гем – это небелковая часть гемоглобина, составляющая 4% от его массы. По химическим свойствам он является пигментом красного цвета. Молекула гемоглобина содержит ионы железа двухвалентного, при окислении оно переходит в трехвалентное, а гем – в гематин, гемоглобин – в метгемоглобин. Перенос кислорода при этом нарушается.

Провоцируют потерю способности к транспортировке молекул свободные радикалы. Они образуются при обменных нарушениях, сахарном диабете, применении некоторых медикаментов (Парацетамол, сульфаниламиды), попадании нитратов из воды и продуктов. Препятствуют окислению гема витамины С, А, Е и микроэлемент селен. Они относятся к системе антиоксидантной защиты организма. Больше всего их содержится в таких продуктах:

• болгарском перце, черной смородине, цитрусовых, зеленом горошке (витамин С);
• говяжьей печени, молоке, твороге, моркови, шпинате (витамин А и провитамин каротин);
• растительном масле, зародышах пшеницы, орехах (витамин Е);
• яйцах, кукурузе, чечевице, миндале, бразильских орехах (селен).

Биологическая роль гемоглобина

Основная биологическая роль гемоглобина – это обеспечение тканевого дыхания, переноса кислорода для образования энергии и удаления углекислого газа. При этом первая его функция основная для организма, так как без гемоглобина кислородное обеспечение невозможно. Для выведения углекислоты есть и другие пути – 80% ее просто растворяется в крови и только 20% переносит гемоглобин.

Нарушение этих процессов происходит при снижении абсолютного числа гемоглобина или потери его активности. Чтобы проверить достаточность питания клеток кислородом, назначается общий анализ крови, а последствия нехватки показывает биохимия:

• напряжение кислорода;
• кислородная емкость;
• артерио-венозная разница по кислороду;
• насыщение гемоглобина кислородом.

Какое число гемов в составе молекулы гемоглобина

Каждая молекула гемоглобина содержит 4 единицы гема. Они образуются из аминокислоты глицина и органической янтарной кислоты. Первый компонент (глицин) содержатся в мясных и рыбных продуктах (говядина, курица, тунец, окунь, щука, скумбрия). Источником янтарной кислоты может стать:

• кефир, простокваша, йогурт, творог;
• крыжовник, вишня, яблоки;
• семена и масло подсолнечника;
• ржаной хлеб.

Физиологическая роль гемоглобина

Физиологическая роль гемоглобина не ограничивается только процессом тканевого дыхания, он также:

• поддерживает равновесие между кислотами и щелочами;
• выводит из клеток кислоту, предупреждая их закисление, снижающее иммунную реакцию;
• тормозит защелачивание крови в легких;
• связывает токсические соединения (нитраты, углекислый газ, сероводород, цианиды), но при их высокой концентрации возникает кислородное голодание или даже смерть.

Гемоглобин: клиническое значение

При снижении нормальных форм гемоглобина в крови ставят диагноз анемии, клиническое значение имеют показатели ниже 100 г/л при норме 120-140 г/л для женщин и 135-160 г/л для мужчин. Для детей результат рассматривают в зависимости от возраста – нижняя граница может быть от 90 единиц для грудничков и 105-115 для ребенка в 7-12 лет.

Симптоматика сниженного гемоглобина в крови включает признаки дефицита кислорода: общая и мышечная слабость, одышка, частый пульс, быстрая утомляемость, головная боль, головокружение, обморочные состояния. Анализ крови на эритроциты и гемоглобин покажет их нехватку, но не дает возможности определить причину. Поэтому требуется обследование: тесты на ферритин, трансферрин, железо и способность к его связыванию.

Реже обнаруживают гемоглобин выше нормы, это состояние называется полиглобулией и бывает при опухолевом процессе, длительной дыхательной и сердечной недостаточности. Для высоких показателей типично покраснение кожи, синева в носогубном треугольнике, головные боли, снижение зрения, тяжесть в правом подреберье.

Миоглобин и гемоглобин – отличия

Миоглобин и гемоглобин похожи, но первый находится в мышечной ткани, в отличие от гемоглобина, циркулирующего в крови. Он способен присоединять и временно удерживать кислород, перемещать его внутри клеток. При недостаточном поступлении кислорода миоглобин временно устраняет его дефицит.

Молекула гемоглобина имеет сложную структуру, состоит из нескольких белковых цепей, а миоглобин имеет только одну цепочку. В норме миоглобина в крови нет, он появляется только при разрушении мышечной ткани. Этим признаком пользуются при постановке диагноза инфаркта миокарда, так как в сердечной мышце содержится особый вид этого белкового комплекса. 

Частые вопросы по структуре гемоглобина

Какая валентность железа в гемоглобине? В норме железо двухвалентное, при окислении переходит в трехвалентное, что ухудшает перенос кислорода.

В чем особенность химического строения гемоглобина? Гемоглобин имеет четвертичную структуру, то есть белковые цепи и пигмент вначале соединены в комплексы (первичная структура), а потом эти четыре субъединицы скрепляются между собой.

Что такое нативный гемоглобин и какую он имеет структуру? Нативный гемоглобин – это нормальный, не поврежденный, в его структуре есть гем и глобин, соединенные в 4 комплекса.

Сколько атомов железа в молекуле гемоглобина? В составе гемоглобина 4 гема с железом, поэтому в одной молекуле содержится 4 атома этого микроэлемента.

Строение гемоглобина позволяет ему присоединить кислород, переносить его к клеткам, забирать углекислый газ. При снижении возникает анемия с симптомами кислородного голодания.

Миоглобин- сложный белок третьего
уровня структурной организации. Состоит из одной полипептидной цепи (153 остатка).
Третичная структура белка образована, главным образом, альфа-спиралями вторичной
структуры, на которые приходится около 70 процентов АКО, остальные- на повороты
и начальный и конечный участки. Белок содержит в себе так называемый ГЕМ- комплекс
порфирина и иона железа в степени окисления +2.

Вопросы транспортировки кислорода решаются при участии белка четвертичной структуры- гемоглобина.

ГЕМОГЛОБИН

Гемоглобин представляет собой
белок четвертичной структуры, состоящий из двух пар субъединиц альфа-
(141
АКО) и бетта- (147 АКО- аминокислотных остатков). Субъединицы миоглобина и гемоглобина
очень сходны между собой, как весьма сходна и третичная структура обоих белков.

Главное отличие гемоглобина от миоглобина заключается в проявлении особого рода эффектов- кооперативных, влияющих на скорости присоединения- отсоединения молекул кислорода. Каждая молекула гемоглобина способна присоединять и переносить четыре молекулы кислорода, при этом кооперативность проявляется в том, что как присоединение, так и отсоединение каждой последующей молекулы кислорода облегчается в результате структурных изменений в конформации молекулы, которых у гемоглобина имеется две основных- оксигенированная и дезоксигенированная. Промежуточные состояния нестабильны. Предполагается следующий механизм кооперативного эффекта. Присоединение первой молекулы кислорода приводит тому что атом железа смещается от своего места примерно на 0,4-0,6 ангстрем, вызывая изменения конформации субъединицы. Изменившаяся конформация по аллостерическому эффекту облегчает присоединение кислорода к другой субъединице и т.д. Это позволяет максимально ускорить процесс присоединения кислорода в легких (рО2 = 100 мм рт. ст.). При переносе оксигенированного гемоглобина в капилляры тканей (рО2= 5 мм рт. ст.) отсоединение молекул кислорода протекает также быстро, по кооперативному эффекту. Известны, впрочем, и химические регуляторы скорости и полноты присоединения кислорода. К ним, в частности, относится 2,3- дифосфоглицериновая кислота. Она облегчает присоединение кислорода у организмов, обитающих в высокогорных районах.

Формы гемоглобина

ОКСИГЕМОГЛОБИН (HbO2) – полностью оксигенированный гемоглобин, содержащий 4 молекулы О2. Из шести sp3d2 гибридизованных орбиталей Fe2+ ЧЕТЫРЕ связаны в комплексе с порфирином, ОДНА- с остатком His (внутрь молекулы), а ОДНА свободная- присоединяет О2 или ПУСТА (дезокси-Нb).

КАРБАМИНОГЕМОГЛОБИН.

Hb-NH2 + CO2
—> Hb-NH-COO- + H+ (с N- концевыми остатками ПП-цепей).

Таким образом транспортируется только 32 % СО2, 60 % СО2- с венозной кровью, после превращения СО2 в Н2СО3 при помощи КАРБОАНГИДРАЗЫ, и лишь около 8 % транспортируется в эритроцитах в виде НСО3_.

КАРБОКСИГЕМОГЛОБИН (HbCO)-
образуется в результате присоединения к гемоглобину окиси углерода СО, образуя
светочувствительный НbСО синего цвета. Поскольку присоединение СО протекает
в 200 раз быстрее, чем присоединение кислорода, достаточно незначительных концентраций
СО в атмосфере, чтобы вызвать превращение значительной доли гемоглобина в HbCO.
Смерть наступает при связывании >70 % Нb.
Для снятия эффекта требуется увеличение парциального давления кислорода во вдыхаемом
воздухе.

МЕТГЕМОГЛОБИН
(Met-Hb). Пероксиды, феррицианиды, окислы азота
и хинон окисляют железо в геме до Fe3+, при этом нарушается транспорт О2
и СО2. Однако, это нарушение
обратимо и менее опасно, чем НbСО, поскольку железо легко превращается
ферментами обратно в Fe2+.

ФУНКЦИИ ГЕМОГЛОБИНА:

1. Транспорт О2 и СО2.

2. Создание буферной емкости крови
и поддержание рН в строго определенных пределах (7,40+0,02).

Гемоглобинопатии

Серповидноклеточная анемия–
патология, вызванная наличием аномального гемоглобина, с измененной структурой
белка глобина, а точнее- его b-цепи.
Происходит это вследствие замены в мРНК кодона ГАГ (кодирует Глутаминовую
кислоту) на ГУГ (кодирует аминокислоту
Валин).
В результате получается гемоглобин S, называемый
HbS, с измененными свойствами зарядов на
поверхности. Поскольку замена остатка глутаминовой кислоты по положению 6 в
b-цепи на остаток
с гидрофобным незаряженным боковым радикалом валина приводит к утрате отрицательного
заряда и слипанию молекул гемоглобина, форма эритроцитов становится похожей
на серп при рассматривании под микроскопом. Деформированные эритроциты отличаются
плохой способностью присоединять кислород и проникать в тончайшие капилляры,
что вызывает в ряде случаев кислородное голодание тканей.

Мутация является типичным примером
эволюционного приспособления организма к возбудителям малярии. Гемоглобин S
наиболее часто обнаруживается у выходцев из экваториальной Африки, где малярия
широко распространена. Гетерозиготные по гемоглобину S
люди невосприимчивы к малярии и к тому же у них не проявляются симптомы кислородного
голодания, обнаруживаемые у гомозигот. Возбудитель малярии не выживает в эритроцитах,
содержащих гемоглобин S.

Симптомы заболевания, вызываемое
аномальным гемоглобином S,были впервые описаны
в Чикаго в 1904 году при осмотре негра-выходца из Африки, однако причина болезни
была установлена многими годами позднее. Впоследствии было выявлено множество
других аномальных гемоглобинов, вызываемых заменой аминокислотных остатков.
Подавляющее большинство из них, впрочем, никак не проявляется на состоянии человека.
Аномальные гемоглобины получают название по замене аминокислотных остатков и
местности, где аномалия впервые была обнаружена. Так, гемоглобин S еще
имеет название Чикаго b-6
Глу–>Вал.

Клиническая диагностика осуществляется
процедурой Southern Blot. Ген, кодирующий
бетта-цепь нормального глобина, имеющего последовательность аминокислотных остатков
5-7 (Про-Глу-Глу)
несет соответствующие триплеты кодонов ЦЦТ-ГАГ-ГАГ. У носящих дефектный ген
эта последовательность имеет замену аденозинового нуклеотида (А) в среднем триплете
на тимидиловый (Т). Рестрикционный энзим MstII
узнает и расщепляет последовательность ЦЦТ-ГАГ-Г, но не узнает измененной последовательности
в мутировавшей ДНК. Соответственно, обработка ДНК рестриктазой
MstII с последующим анализом может
обнаружить эти различия и выявить патологию еще до рождения плода, у эмбриона.