Растворимость гемоглобина в воде

Гемоглобин хорошо растворим в воде и нерастворим в спирте, эфире и хлороформе. В эритроцитах гемоглобин находится в растворенном состоянии, несмотря на то, что его содержание составляет более 30%. При изменении аминокислотного состава глобина может произойти и изменение его растворимости, как у HbS.

Спектр поглощения гемоглобина (в оксиформе) состоит из трех главных полос: 414 нм (полоса Сорэ), 576—578 нм (a-полоса) и 542—544 нм ((3-полоса). Интенсивность полосы Сорэ значительно выше, чем ос- и (3-полос.

В спектре поглощения дезоксигемоглобина полоса Сорэ соответствует 429 нм, а следующий единственный максимум регистрируется при 556 нм.

Спектрофотометрическое отличие оксигемоглобина от кар- боксигемоглобина состоит в пике поглощения при 920 нм, а также в том, что полоса Сорэ для карбоксигемоглобина сдвинута к 422 нм, а пики а и (3 фиксируются при 570 и 540 нм. Интенсивность максимумов поглощения не зависит от типовых принадлежностей гемоглобина.

Молекулярная масса основных типов гемоглобина колеблется в пределах 64 500—68 000 Д. Молярная масса гемоглобина, растворенного в плазме, может доходить до 3 000 000 Д. Молекулярная масса различных протомеров колеблется от 16 000 до 17 000 Д.

Размер НЬ составляет 6,8 нм; размер миоглобина — 3,6 нм.

Белковая часть НЬ характеризуется очень высоким содержанием остатков гистидина. Это придает ему значительную буферную емкость при pH около 7, что весьма важно для той роли, которую играют эритроциты в переносе кровью дыхательных газов.

Изоэлектрическая точка различных типов гемоглобина колеблется от 6,8 до 7,18.

Растворимость гемоглобина в водных растворах определяется соотношением гидрофильных и гидрофобных аминокислотных остатков на поверхности тетрамера.

Поскольку конформация и число гидрофильных участков на поверхности меняются в процессе оксигенации, следовательно, растворимость оксигемоглобина в воде в два раза выше, чем дезоксигемоглобина.

Так как простетическая группа гема входит в состав целой группы ферментов, гемоглобины проявляют оксидазные свойства, характерные для этих ферментов, в частности: каталазную и пероксидазную активность. Причем пероксидазная активность отдельных типов гемоглобина может быть различна.

Диссоциация гемоглобина представляет обратимый динамический процесс, равновесие которого зависит от концентрации белка. При высокой концентрации гемоглобина (физиологические условия) равновесие сильно сдвинуто в сторону образования тетрамера, так как субъединицы НЬ имеют высокое сродство друг к другу. Поэтому при нормальных условиях концентрация мономеров относительно мала или они вообще отсутствуют.

При снижении концентрации гемоглобина до 10~5—10~7 М и ниже равновесие смещается в сторону образования димеров и в меньшей степени мономеров.

Так как наиболее прочные межмолекулярные взаимодействия имеются между —(3: и а2—|32-глобулами (см. четвертичную структуру НЬ), в молекуле гемоглобина выделяются димеры ocj—3j и а2—(32. Между этими димерами в тетрамер- ной структуре НЬ возникают полярные (ионные и водородные) связи. Поэтому при изменении pH среды в кислую или щелочную сторону, в первую очередь, разрушаются связи между этими димерами.

Источник

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

Гемоглобин – сложный железосодержащий белок; основной дыхательный пигмент и главный компонент эритроцита. Молекула гемоглобина состоит из гема, содержащего атом двухвалентного железа и белка глобина. Основная функция гемоглобина – это перенос кислорода из легких в ткани и углекислого газа из тканей в легкие.

Но, при попадании гемоглобина в плазму крови нарушается его способность присоединять кислород, то есть образовывать оксигемоглобин, вследствие чего прекращается снабжение тканей кислородом, следовательно, возникает состояние кислородного голодания всего организма в целом. Происходит понижение кислородной емкости крови вследствие инактивации гемоглобина при гемической гипоксии. Наиболее чувствительными к кислородному голоданию являются ЦНС, сердечная мышца, ткани почек и печени. Попадание гемоглобина в плазму крови могло бы вызвать:

1) Повышение пульса до 5600 ударов в минуту
Растворенный в плазме крови гемоглобин не способен в полной мере взаимодействовать с кислородом, следовательно, ухудшается снабжение кислородом тканей (возникает тканевая гипоксия). Итак, для нормального функционирования всего организма следует доставлять кислород к тканям в необходимом для жизни объеме, что и достигается увеличением пульса. Но такое резкое повышение пульса почти в 80 раз (с 60-80 ударов до 5600), естественно, сказывается на работе сердца не в лучшую сторону и приводит к износу сердечной мышцы.

2) Увеличение объема перекачиваемой крови (до 365л)

Увеличение объема крови в организме стабилизировало бы поступление достаточного количества кислорода в ткани и органы, но привело бы к большой нагрузке на сердце и износу сердечной мышцы, так как увеличился объем перекачиваемой жидкости. Все это стало бы причиной рабочей или компенсаторной гипертрофии сердца (большая нагрузка привела к увеличению размеров сердца).

3) Повышение осмотического давления

Растворение гемоглобина в плазме крови создавало бы повышение осмотического давления (более 100мм рт. ст.), что исключало бы возможность фильтрации крови в почках. Это привело бы к попаданию вредных (токсичных) веществ в кровь, следовательно, привело бы к отравлению всего организма, в том числе и сердца. Гемоглобин представляет собой соединение железа с протопорфирином, который способен образовывать комплексы с различными металлами, такими как Cu, Zn, Mg. К тому же, в водных растворах под действием кислорода воздуха и других окислителей гемм окисляется, железо переходит в окисную форму, теряя один электрон. При этом образуется гемин – комплекс окисного железа с протопорфирином. Гемин является катионом, следовательно, может образовывать соединения, взаимодействуя с анионами. Например, хлоргемин, йодгемин, бромгемин и т.д. В щелочной среде гемин может присоединять ион гидроксила (OH). При этом получается гематин. Кроме образования оксигемоглобина и карбгемоглобина возможно образование других его производных, таких как метгемоглобин, карбоксигемоглобин, сульфгемоглобин, гемохром и метгемальбумин.

Увеличение концентрации солей и белков способствует изменению онкотического давления, что приводит к нарушению водного обмена (Это привело бы к тому, что вода начала бы оставаться и накапливаться во внутренней среде организма). Возможно скопление жидкости в полости перикарда (в количестве более 30мл). При этом наблюдается одышка, снижается систолическое давление и появляется застой крови в органах. Гидроперикард при большом количестве жидкости затрудняет работу сердца и приводит к увеличению его размеров.

4) Большое количество белков в плазме крови, вызванное растворением гемоглобина повышает вязкость крови, что вызывает нарушение процессов гемодинамики, следовательно, возникает затруднение циркуляции крови на уровне капилляров, как следствие недостаток кислорода тканям – тканевая гипоксия.

5) При растворении гемоглобина нарушается работа почек, так как нарушается процесс всасывания в капсуле Шумлянского – Боумена, что приводит к нарушению процесса фильтрации крови в почках, а следовательно, происходит забивание (закупорка) почечных канальцев, приводящее к некрозу почечных канальцев и ОПН (острой почечной недостаточности), которые приводят к нарушению сердечно – сосудистой деятельности и развитию анемии. Все это приводит к поражению организма токсичными веществами. В первую очередь страдает ЦНС и сердечная мышца.

6) Отравление организма продуктами распада гемоглобина, такими как билирубин, биливердин, железо, порфирины с развитием острой порфирии и желтухи. При желчнокаменной болезни в составе желчных камней наряду с их основным компонентом – холестерином обнаруживается непрямой билирубин, который вследствие плохой растворимости выпадает в осадок в желчном пузыре в виде билирубината кальция, который и участвует в формировании камней. Итак, токсичные продукты распада гемоглобина поражают ЦНС, а так же сердечную мышцу.

Источник