Содержание железа в гемоглобине

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

Слабость, утомляемость, плохое самочувствие испытывал, наверно, каждый человек, будь то взрослый или ребенок. Причиной этого комплекса недомоганий часто является снижение содержащегося в крови жизненно важного микроэлемента — железа, поскольку именно оно регулирует множество важнейших физиологических процессов в организме и в буквальном смысле отвечает за железное здоровье. Почему так важен данный микроэлемент, чему равны показатели нормы и что делать при низком уровне железа в организме?

Железо в крови: «главная скрипка» процесса кислородного обмена

Несомненно, одна из важнейших функций железа — его участие в кислородном обмене. Причем не просто участие, а одна из главных ролей. Железо — ключевой элемент гемоглобина. Того самого белка, что входит в эритроциты крови. Последние, в свою очередь, являются неким транспортным средством для переноски кислорода к каждой клетке нашего тела. При нехватке железа гемоглобин не способен связывать нужное количество живительного газа, а значит, организм начинает испытывать кислородное голодание, о последствиях которого мы расскажем позже. Другая не менее важная функция гемоглобина — связывание углекислого газа и освобождение его в легких. Стоит сказать, что в гемоглобине содержится большая половина всего железа в нашем теме — 2,5 г против общих 4. Остальная доля приходится на селезенку, печень, костный мозг, миогемоглобин. Кстати, о роли последнего. Это соединение, содержащееся в мышцах, можно назвать кислородным баллоном на экстренный случай — благодаря миогемоглобину мы способны продержаться некоторое время без кислорода, например, под водой.

Что касается прочих функций, то железо необходимо в процессе кроветворения, холестеринового обмена, окислительно-восстановительных реакций, производства ДНК, разрушения токсичных веществ, для функционирования иммунной системы и выработки гормонов щитовидной железы. Также железо входит в состав цитохромов, участвующих в процессе накопления энергии. И это далеко не все функции железа, ведь оно содержится более чем в сотне ферментов человеческого организма[1].

Чтобы поддерживать баланс железа в организме, человеку необходимо употреблять 10–30 мг этого микроэлемента в сутки. Потребность возрастает у людей после хирургических операций и травм, беременных и кормящих женщин, у людей с рядом серьезных заболеваний.

Как узнать уровень микроэлемента в крови

Самый простой способ узнать о том, хватает ли нашему телу железа, сдать кровь на общий, или клинический, анализ. Причем информацию о концентрации железа в крови в бланке с результатами вы не найдете. Интерес в данном случае представляет символ Hb или HGb. Это сокращенное название гемоглобина. Его уровень указывается в граммах на литр (г/л) или граммах на децилитр (г/дл). Если концентрация этого железосодержащего белка высокая — в организме избыток железа. Если низкая — недостаток. Последнее, к слову, встречается значительно чаще.

Исследование обычно назначает врач-терапевт. Кровь берут утром натощак из вены. Накануне рекомендуется воздержаться от обильной пищи, алкоголя и чрезмерных физических нагрузок. Результат анализа сообщают через 1–2 дня.

Есть и другие способы определения уровня железа в крови. Это, например, биохимический анализ крови. Однако подобное исследование обычно назначается в качестве дополнительного — для конкретизации результатов общего анализа. Стоит помнить о том, что трактовать результаты исследований, как и ставить диагноз, может только врач.

Норма содержания железа в крови

Для оценки концентрации гемоглобина (а значит, и железа) в крови пациента сравниваются результаты анализа его крови с показателями нормы. Они обычно указываются в бланке исследования. Отметим, что эти самые нормальные показатели зависят от пола и возраста (см. таблица 1)[2].

Таблица 1. Нормальные значения гемоглобина у различных половозрастных групп (по результатам клинического анализа крови)

Возраст	Мужчины (г/л)	Женщины (г/л)
Нормы гемоглобина у взрослых
Старше 65 лет	126–174	117–161
Старше 45 лет	131–172	117–160
Старше 18 лет	132–173	117–155
Нормы гемоглобина у подростков (г/л)
15–18 лет	115–165	115–155
12–14 лет	120–160	115–150
Норма гемоглобина у детей (г/л)
9–12 лет	120–150
5–8 лет	115–135
1–5 лет	110–130
Норма гемоглобина у младенцев (г/л)
2–12 месяцев	110–130
2 недели–2 месяца	125–165
новорожденные	135–200

Что касается беременных женщин, то в этот период уровень гемоглобина в крови снижается, это связано с формированием организма плода. На разных этапах беременности норма составляет 110–155 г/л. Во избежание патологий будущим мамам очень важно следить за уровнем гемоглобина и вовремя сдавать все плановые анализы.

Причины низкого уровня железа в крови

Недостаток железа, о котором в бланке анализа сигнализирует низкий уровень гемоглобина, частая патология. Причинами дефицита могут быть:

Диета или неполноценное питание.
Кровопотери: донорство, травмы, обильные менструации.
Активный расход железа в период роста (у детей и подростков).
Беременность и лактация.
Активные занятия спортом или систематические физические нагрузки.
Гормональный дисбаланс.
Нарушения обмена витамина С.
Избыток витамина Е, кальция, цинка, фосфатов, оксалатов.
Нарушение работы желудочно-кишечного тракта (гастриты, дисбактериоз, ухудшение всасывания железа).

Как поднять уровень микроэлемента до нормы

Уровень железа в крови может отклоняться от нормы как в сторону избытка, так и недостатка. Реальность такова, что врачи все чаще и чаще констатируют пониженный уровень данного микроэлемента у пациентов. На то, что организму не хватает железа, может указывать ряд симптомов. Это слабость, сонливость, постоянная усталость, бледность кожных покровов, ломкость и сухость ногтей и волос, сухость во рту. Патологическое состояние, характеризующееся недостатком железа, называют железодефицитной анемией (ЖДА). Она имеет несколько стадий.

Легкая — содержание гемоглобина составляет 90–120 г/л. Пациент при этом периодически испытывает легкую усталость, другие симптомы могут не проявляться. Нередко анемия в таких случаях обнаруживается только после сдачи общего анализа крови.
Средняя — 70–90 г/л. Больной жалуется на головокружение, слабость. Наблюдается бледность кожных покровов и слизистой оболочки, ломкость ногтей и волос, снижение работоспособности, проблемы с памятью.
Тяжелая — менее 70 г/л. Указанные выше симптомы усугубляются, а также пациент испытывает сильное сердцебиение и одышку даже при минимальных физических нагрузках, жалуется на шум в ушах, появление мушек перед глазами. Могут измениться вкусовые пристрастия, например, появляется неконтролируемое желание употребить в пищу мел, глину или сырые продукты.

Если диагностировано заболевание, ставшее причиной низкого содержания железа в крови, то необходимо относиться к его лечению внимательно, неукоснительно выполнять все предписания врача по терапии данной патологии. Восстановить баланс железа в организме можно разными способами.

Прием лекарственных железосодержащих средств
При необходимости врач может назначить прием лекарств, содержащих железо. В состав таких препаратов может быть включено либо двухвалентное, либо трехвалентное железо. Двухвалентное железо лучше всасывается и усваивается, поэтому оно входит в состав препаратов, предназначенных для перорального приема. Эти препараты принимают вместе с пищей, их назначают в большинстве случаев анемии. Дозу назначают, исходя из расчета 2 мг/кг массы тела пациента. Уже через несколько дней состояние больного улучшается. В среднем через месяц показатель гемоглобина приходит в норму. Однако применение препарата не следует отменять без разрешения врача, поскольку терапевтический эффект необходимо закрепить.
К данным лекарственным средствам относятся препараты на основе таких действующих веществ, как гемофер, сульфат железа, железа фумарат, глобирон-Н и некоторых других. Лекарство назначает только врач, поскольку имеются противопоказания.
Инъекции назначают в основном пациентам, имеющим в анамнезе заболевания ЖКТ и индивидуальную гиперчувствительность к солям железа, а также в тех случаях, когда нужно быстро обогатить организм железом. Инъекции не должны превышать 10 мг железа в сутки. К данным препаратам относятся средства на основе гидроксида железа (III), глюконата железа и некоторых других. Препарат подбирают индивидуально.
Прием витаминных комплексов и БАДов
Также существует ряд нелекарственных средств, в состав которых входят витамины и микроэлементы, в том числе и двухвалентное железо. Как правило, это витамины, хорошо сочетающиеся с железом, — А, В, С, D, Е. В зависимости от количества железа, входящего в их состав, такие витаминные комплексы делятся на детские, взрослые и предназначенные для беременных женщин. Витаминные комплексы выпускают обычно в форме драже, принимать их следует после еды, запивая водой, 1 или 2 раза в сутки.
Еще одно средство — биологически активные добавки (БАДы), содержащие железо. Это своего рода композиции биологически активных веществ. Их принимают либо с пищей, либо они включены в состав тех или иных продуктов. Сейчас БАДы выпускают в самых разных формах: в виде капсул, пилюль, растворов, драже, пастилок, батончиков и т.д. В составе БАДов железо легко попадает в организм и активно включается в физиологические процессы.

Средняя норма потребления железа — 10 мг в сутки для мужчин, 15–20 мг для женщин (верхняя граница — показатель для беременных и кормящих), максимально допустимое количество потребления железа в сутки — 45 мг. В месяц женщина теряет в два раза больше железа, чем мужчина[3].

Рацион с повышенным содержанием железа
Другой источник поступления железа в организм — железосодержащие продукты. Это прежде всего говяжья, свиная печень и другие субпродукты, а также непосредственно говядина, мясо кролика, индейки, рыба. Из продуктов растительного происхождения следует выделить гречневую и овсяную крупы, бобовые, персики, чернику, орехи, отруби, сухофрукты, шпинат.
Для лучшего усвоения стоит есть мясные и рыбные продукты с овощными гарнирами. Запивать их предпочтительно напитками, обогащенными витамином С, например компотом, томатным или цитрусовым соком. А вот танин с железом сочетается плохо, поэтому чай или кофе совмещать с железосодержащими продуктами не рекомендуется.

Дефицит железа в организме можно восполнить разными способами: прием с назначения врача лекарственных средств, БАДов, витаминных комплексов, а также формирование рациона с повышенным содержанием железа — необходимые меры для тех, кто стремится держать уровень гемоглобина в крови в пределах нормы. Поступление железа в организм, как правило, довольно быстро отражается благотворно не только на самочувствии пациента, но и на его облике, эмоциональном настрое.

Источник