Сколько атомов железа содержится в одной молекуле гемоглобина

Гемоглобин – красный пигмент крови (эритроцитов) человека и животных. Подсчитано, что в одном эритроците содержится около ~ 340000000 молекул гемоглобина. В крови человека в среднем содержится ~ 14,5% гемоглобина, его общее количество ~ 750 г. В эритроцитах гемоглобин находится в растворенном состоянии, несмотря на то, что его содержание в них более 30%.

Гемоглобин представляет собой сложный белок, относящийся к группе гемопротеинов; белковый компонент в котором представлен глобином, небелковый – простетической группой. Простетическая группа в молекуле гемоглобина представлена 4 одинаковыми железопорфириновыми соединениями, которые называются гемами. Молекула гема состоит из порфирина IХ, связанного с железом двумя атомами азота ковалентными и двумя другими атомами азота координационными связями. Атом железа (II) расположен в центре гема и придает крови характерный (красный) цвет, степень его окисления не изменяется независимо от присоединения или отдачи кислорода.

Видовые различия гемоглобина обусловлены химическим составом и строением глобина. Гемоглобины представляют собой тетрамерные белки, молекулы которых образованы различными типами полипептидных цепей, обозначаемых как , , , . В состав молекулы входят по 2 полипептидные цепи двух разных типов, каждая из которых оборачивает 1 гем гемоглобина. Гемоглобины различных видов различаются вторичной, третичной и четвертичной структурами, и индивидуальные свойства гемоглобинов неразрывно связаны с их структурами. Известно, что гемоглобин человека состоит из двух равных половин, каждая из которых образована двумя одинаковыми полипептидными цепями. У человека обнаружены гемоглобины различных типов, которые отличаются по химическому строению. В крови взрослого человека содержится гемоглобин А (HbA), состоящий из двух — и двух -полипептидных цепей (22). В дополнение к основному HbA в крови взрослого человека обнаружен гемоглобин A2 (HbA2), состоящий из двух — и двух -полипептидных цепей (22), на долю которого приходится ~ 2,5% от всего гемоглобина. Кроме того, известен фетальный гемоглобин F (HbF) – гемоглобин новорожденных, состоящий из двух — и двух -полипептидных цепей (22), и отличающийся от HbA вторичной, третичной и четвертичной структурами, что обусловливает их различия: по спектральным характеристикам, электрофоретической подвижности, устойчивости к тепловой денатурации и др. Кровь новорожденного ребенка состоит на ~ 80% из HbF, который к концу первого года жизни почти целиком заменяется на HbA (в крови взрослого человека содержится до ~ 1,5% HbF от общего количества гемоглобина).

Физиологическая роль гемоглобина заключается в транспорте кислорода (О2) к органам и тканям, транспорте углекислого газа (СО2) от тканей к легким (образовавшиеся при этом соединения называются оксигемоглобином — HbО2, и карбоксигемоглобином — HbCO2, соответственно); кроме этого он является внутриклеточным буфером, который поддерживает оптимальную для метаболизма pH. Следует заметить, что реакция присоединения молекулярного кислорода не является истинным окислением гемоглобина, так как валентность железа в гене при этом не изменяется, и эту реакцию правильнее называть оксигенацией. Истинное окисление гемоглобина происходит только тогда, когда железо переходит в трехвалентное состояние. В крови гемоглобин существует по крайней мере в четырех формах: оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, карбоксигемоглобин, метгемоглобин. В эритроцитах молекулярные формы гемоглобина способны к взаимопревращению, их соотношение определено индивидуальными особенностями организма.

Нормальная концентрация гемоглобина у взрослого колеблется от 130 до 185 г/л (80 — 115 %). За среднюю величину принимают 160 г/л (100 %).

и рождении ребенка пуповинная кровь содержит 140 — 190 г/л гемоглобина. Но в течение первых часов антенатальной жизни общая концентрация гемоглобина повышается до 165 — 225 г/л. Через несколько дней после рождения содержание гемоглобина уменьшается и далее в первые месяцы жизни наблюдается трименонредукция (трименонанемия) – нормальное временное постепенное снижение уровня гемоглобина, концентрация которого к третьему месяцу доходит до 63 – 82 % (100 — 130 г/л). Затем содержание гемоглобина медленно повышается и к концу первого года жизни достигает средних величин – около 76 % — 120 г/л (у детей в раннем возрасте нет различия между мужским и женским полом). После первого года жизни повышение продолжается и достигает нормальных (для взрослого) величин в пубертате. Так как у ребенка в первые месяцы жизни наблюдается физиологическая анемия (трименонредукция), следует учитывать, что уменьшение концентрации Hb в этом возрасте до 60 — 65 % не следует считать патологическим состоянием, нуждающимся в лечении.

Нормальные величины гемоглобина у взрослого человека со среднестатистической массой тела: у мужчин — 130 — 160 г/л, у женщин — 120 — 140 г/л. Содержание гемоглобина снижается на ~ 10% в промежутке времени от 17 до 07 час утра, а также после еды. Снижение гемоглобина от нормальных величин на ~ 6% наблюдается при взятии пробы в положении лежа. Незначительное, но диагностически значимое, снижение нижнего порога нормальных величин гемоглобина встречается у мужчин возрастной группы 65 — 74 года.

Клиническое значение:
 снижение концентрации гемоглобина: анемии;
 повышение концентрации гемоглобина: полицитемия, гемоконцентрация при дегитратации, ожогах, кишечной непроходимости, упорной рвоте; пребывание на больших высотах, чрезмерная физическая нагрузка или возбуждение; сердечно-сосудистая патология, обычно врожденная, приводящая к значительному венозному сбросу; заболевания легких, приводящие к снижению легочной перфузии, плохой аэрации легких, легочной артериальной фистуле; хроническое химическое воздействие нитритов, сульфонамидов, вызывающих образование мет- и сульфогемоглобина.

В лаборатории для определения концентрации гемоглобина чаще всего анализируют производные гемоглобина, образовавшиеся в процессе его окисления и присоединения к гему различных химических групп, приводящих к изменению валентности железа и окраски раствора. «Старыми» методами, все еще применяемыми в ряде лабораторий являются: сапониновый и методе Сали. При использовании сапонинового метода тельца Гейнца (маленькие округлые включения в эритроцитах, образованные из денатурированного гемоглобина) не растворяются, раствор остается мутноватым, за счет чего может меняться спектр поглощения раствора, и ошибка при этом достигает 20 — 30%.

методе Сали измеряется гематин, образовавшийся при взаимодействии гемоглобина с соляной кислотой. Метод основан на визуальной оценке содержания гемоглобина путем сравнения окраски исследуемой пробы со стандартными растворами солянокислого гематина. Ошибка метода достигает ~ 30%, на результаты определения влияют многие факторы: время реакции между гемоглобином и соляной кислотой, которое может колебаться от 2 до 40 мин в зависимости от содержания белков крови; оттенок цвета геминхлорида, зависящий от содержания билирубина в крови; харак-тера освещения и пр.

Химические и спектрофотометрические методы имеют высокую точность и рекомендуются в качестве референсных, но из-за трудоемкости и значительной стоимости анализа для рутинных определений не применяются. Для рутинных лабораторных исследований наиболее предпочтительны колориметрические методы, как наиболее дешевые, простые и быстрые в исполнении. Кровь человека – это нормальная смесь производных гемоглобина с различными спектрами поглощения. При количественном определении гемоглобина колориметрическими методами возникает проблема в выборе реагента, который превращал бы все производные гемоглобина только в одну форму перед фотометрическим анализом. Лучшими методами, количественно превращающими гемоглобин в его производные, оказались гемиглобинцианидный (HbCN), гемихромный (HbChr) и гемиглобиназидный (HbN3), которые при фотометрировании дают наименьшую ошибку определения среди других методов анализа.

Источник: doctorspb.ru

Строение гемоглобина

Строение молекулы гемоглобина простое — в ее состав входит всего 2 компонента:

1. Гем
2. Глобин

Гем

Гем — это природный пигмент, в состав которого входит соединение порфирина с железом. Общая доля гема в структуре гемоглобина составляет всего 4%. Железо, входящее в гем гемоглобина, имеет валентность Fe2+.

Общая формула гема — C34H32O4N4.

Молекулярная масса гема — 616,5 г/моль.

Наличие в крови сильных окислителей (свободных радикалов) приводит к окислению двухвалентного железа до трехвалентного (Fe3+). Гем в этом случае превращается в гематин, а сам гемоглобин в метгемоглобин. Только двухвалентное железо способно присоединять кислород и транспортировать его от альвеол легких до тканей организма, поэтому окисление железа в составе гема и образование метгемоглобина очень негативно сказывается на способности эритроцитов транспортировать кислород, что приводит к гипоксии.

Антиоксиданты (витамины С, А, Е, селен и др.) препятствуют образованию метгемоглобина за счет инактивации свободных радикалов. А вот уже образовавшийся гематин перевести обратно в гем могут только специальные ферменты — НАДН- и НАДФН-метгемоглобинредуктаза. Именно эти ферменты восстанавливают Fe3+ в составе метгемоглобина до Fe2+ гемоглобина.

Глобин

Глобин — это альбуминовый белок, который составляет 96% массы гемоглобина и состоит из 4 цепей — 2 α и 2 β .

Каждая альфа-цепь глобина состоит из 141 аминокислоты, бета-цепь — из 146 аминокислот. Всего в молекуле гемоглобина присутствует 574 аминокислотных остатка.

Глобин человека, в отличие от глобина животных не содержит в своем составе аминокислот лейцин и цистин.

Молекулярный вес глобина составляет 64 400 г/моль (64,4 кДа).

Альфа- и бета-цепи глобина образуют 4 гидрофобным кармана, в которых располагается 4 гема. Именно гидрофобный карман белка глобина позволяет железу гема присоединять кислород не окисляясь, т.е. без перехода в Fe3+. Особое значение в формировании гидрофобного кармана играют 3 аминокислотных остатка: проксимальный гистидин, дистальный гистидин и валин.

Источник: MedZeit.ru

Строение и работа гемоглобина

Гемоглобин — это сложный белок эритроцитов человека и животных, необходимый для осуществления транспорта кислорода и оксида углерода IV кровью. Существует несколько форм этого белка. Гемоглобин А, встречающийся в организме взрослых людей, состоит из двух α и двух β субъединиц, каждая из которых содержит гем, в состав которого входит атом железа, что и придает эритроцитам и крови человека красный цвет [1].

Белок устроен таким образом, что в условиях высокой концентрации кислорода (в капиллярах легких) он легко присоединяет молекулы O2. При этом каждая присоединенная молекула делает связывание остальных O2 проще. Обратная ситуация имеет место в тканях, где, благодаря повышенному содержанию растворенного углекислого газа, создается более кислая среда. В таких условиях гемоглобин, легко отдавая связанный кислород. Гемоглобин является аллостерическим белком. Связывание первой молекулы кислорода с одной из субъединиц этого белка провоцирует конформационные изменения в других субъединицах, что влияет на связывание остальных молекул кислорода и увеличивает эффективность превращения дезоксигемоглобина в оксигемоглобин.

Красные кровяные клетки практически полностью состоят из гемоглобина. На каждый эритроцит приходится порядка 280 миллионов молекул этого белка (96% сухого веса). При объеме крови в 5 литров, общая масса гемоглобина в организме составляет приблизительно 800 грамм. Гемоглобин позволяет растворить в крови в 70 раз больше кислорода, чем можно было бы в его отсутствии (2).

С гемоглобином, помимо кислорода и углекислого газа могут также связываться оксид серы II (SO), оксид азота (NO) сероводород (H2S) и некоторые другие неорганические соединения [3, 4]. Наибольшую опасность для человека представляет способность гемоглобина связываться с угарным газом (СО, оксид углерода II). Эффективность этого процесса в 250 раз выше связывания с кислородом, поэтому вдыхание угарного газа может привести к удушью.

Гемоглобин является одним из наиболее хорошо изученных белков. Он был открыт немецким физиологом Отто Функе в 1851 году, а структуру этого белка описал австрийский молекулярный биолог Макс Перутц в 1959 году, за что тремя годами позднее получил Нобелевскую премию по химии [5].

Источник: visual-science.com