Соединение азота с гемоглобином

Молекула гемоглобина состоит из двух a- и двух b-полипептидных цепей, каждая из которых связана с гемической группой, содержащей порфириновое кольцо и атом Fe2+, способный обратимо связывать 1 молекулу О2. Глобиновые субъединицы дезоксигемоглобина тесно удерживаются электростатическими связями в плотной Т-конформации со сравнительно низким сродством к О2 . Присоединение О2 разрывает эти электростатические связи, ведя к релаксированной R-конформации, в которой остальные связывающиеся участки молекулы гемоглобина имеют сродство к О2 в 500 раз выше, чем в Т-конформации. Эти изменения ведут к кооперативности между связывающими участками так, что присоединение одной молекулы О2 с дезоксигемоглобином повышает сродство к нему остальных связывающих участков на этой же молекуле. В организме СГК в значительной степени определяет диффузию кислорода из альвеолярного воздуха в кровь, а затем на уровне капилляров в ткань. Свойство гемоглобина обратимо связывать кислород, является частным случаем общей закономерности взаимодействия протеинов с лигандами. Представляет интерес изучение взаимодействия гемоглобина с NO , так как он имеет гораздо более высокое сродство к гемической группе дезоксигемоглобина, чем О2 и CO, что позволяет предполагать его конкурирование с кислородом за соответствующие участки на молекулах частично оксигенированного гемоглобина.

Взаимодействие NO с гемоглобином в эритроцитах важно для регуляции обеих этих молекул in vivo . Существующие свойства эритроцитов не ограничивают взаимодействие гемоглобина с NO в физиологических условиях, не только не разрушая его биоактивность, но и сохраняя ее. На модели кишечника, в которой создавалась окклюзия верхней брыжеечной артерии и оценивалось образование HbFe2+NO и диэтилдиокарбаната с железом, показано, что NO , высвобождаемый из эндотелиальных клеток диффундирует, прежде всего, не в ткань, а в кровь. При внутриартериальном введении крысам динитрозильных комплексов железа в крови регистрировали сигнал ЭПР парамагнитного мононитрозильного комплекса, локализованного в основном (до 90%) в форменных элементах крови. В плазме в отличие от цельной крови NO превращается в нитрат довольно не эффективно, что указывает на активное участие форменных элементов крови в его метаболизме. Реакция NO с гемической группой гемоглобина может быть частично ограничена гидрофобным компонентом клеточной мембраны, лимитируя процесс его диффузии в эритроцит. NO переносится через клеточную мембрану посредством специального переносчика протеина AE1, или анион-обменник. Проницаемость эритроцитарной мембраны для NO сравнительно невысока, что может иметь значение для его биодоступности, реакции NO с гемоглобином. Предполагается существование цитоскелетного барьера для диффузии NO , реализуемого через особые межбелковые бреши (поры) в эритроцитарной мембране, состояние некоторых регулируемо, и соответственно изменяет вход NO. Скорость реакции гемоглобина с NO, находящегося в эритроцитах, в 800 раз меньше, нежели с эквивалентным количеством свободного гемоглобина. В тоже время показано, что клеточная мембрана эритроцитов не является существенным барьером для NO и его производных и не лимитирует его взаимодействие с гемоглобином. Мембрана эритроцитов рассматривается как некий специализированный насос для NO. Она имеет два компартмента для гемоглобина и активно регулирует транспорт NO из клетки: один находится внутри, а другой – на мембране. Регулируемый кислородом клеточный механизм сопряжения синтеза и экспорта биоактивности NO, образуемого гемоглобином, действует через мембранный механизм (комплекс АЕ1-SNO). Критическими факторами, определяющими скорость захвата NO эритроцитами, является ориентация мембранных молекул и внутриклеточное перераспределение гемоглобина.

В артериальной крови NO в реакции с оксигемоглобином образует нитрат и метгемоглобин, а в венозной – нитрозилгемоглобин (HbFe2+ NO), способный при высоких рО2 распадаться с высвобождением молекулы NO, которая окисляется в присутствии кислорода до NO3- [80]. Гемоглобин взаимодействует с NO через высокоаффинные Fe2+-связывающие участки на геме, его сродство к NO в 8000 раз выше, чем к О2. HbFe2+NO имеет шестикоординатную форму гемических групп. Спектр ЭПР HbFe2+ NO в растворе является суперпозицией спектров T- и R -конформеров гемоглобина с преимущественным образованием Т-формы, которые обусловлены обратимыми переходами от сильного (R) до слабого (Т) взаимодействия Fe2+-гем с проксимальным гистидином. Нитрозилгемоглобин характеризуется выраженным эффектом Бора, что может иметь особенно важное значение при ацидозе. Указывается на возможность реагирования HbFe2+ NO с O2 – с образованием аддукта гема с ONOO- и последующим образовании NO3-.

Существуют и другие физиологические механизмы связывания циркулирующего в крови NO. Недавно было установлен участок в глобиновой цепи гемоглобина, в котором NO связывается в форме S-нитрозотиола, а именно S-нитрозогемоглобина (SNO-Hb). Масс-спектрометрические и кристаллографические данные однозначно идентифицировали b93-цистеин как место связывания NO с гемоглобином. При очень больших концентрациях нитрозотиолов in vitro образуются и другие формы SNO – Hb , у которых нитрозилируется аминокислота цистеин в положении 12 и 104 b- и a-белковых цепей, соответственно. NO, образуемый in vitro при добавлении индуцибельной изоформы NO-синтазы к эритроцитам, может превращать содержащийся в них гемоглобин в SNO-Hb. Кислородсвязывающие свойства SNO-Hb сильно зависят от pH (величина эффекта Бора для него близка к обычному гемоглобину). Протонирование соответствующих аминокислот (b146-гистидина и b93-цистеина) взаимосвязано, что может способствовать высвобождению NO. S-нитрозилирование гемоглобина облегчает отсоединение NO с гема и поступление его к гипоксическим тканям. SNO-Hb выступает в роли акцептора или донора е- , внося тем самым вклад в редокс-равновесие гема, однако значение этих функций минимально в условиях покоя.

Перенос NO от S-нитрозотиола на гемоглобин регулируется аллостерически и функционально связан с присоединением О2. По мере связывания гемоглобина с О2 в лёгких его сродство для S-нитрозотиола растёт, а при отдаче снижается, благодаря чему NO высвобождается в ткани. Существует О2-зависимое равновесие между SNO-Hb и HbFe2+NO (при отсутствии низкомолекулярных тиолов вроде цистеина, мишенью NO является гем с Fe 2+ , а в его присутствии следует перенос NO-группы на цистеиновый остаток b-глобина). Положение редокс-равновесия между SNO-Hb и HbFe2+ NO связано с аллостерическим состоянием гемоглобина. После дезоксигенации большая доля SNO-HbO2 превращается в HbFe2+ NO. Дезоксигенация облегчает как реакцию транснитрозирования, в которой получаются вазорелаксирующие нитрозотиолы, так и восстановительную реакцию запасания NO, образующую нитрозилгемоглобин.

HbFe2+ NO + 4О2 SNO-Hb(О2)4 + e-

Артериовенозное распределение HbFe2+NO обратно пропорционально SNO-Hb, т.е. большие концентрации нитрозильного гемоглобина обнаруживаются в деоксигенированной крови, и наоборот. Существует цикл связывания О2 и NO в легких и их высвобождения на периферии. SH-группа S-нитрозотиола существенно защищает NO от гашения присоединением к гему. Равновесие между HbFe2+NO и SNO-Hb связано с конформацией белка: образование SNO-Hb облегчается в R-структуре, а HbFe2+NO преимущественно образуется в Т. Высвобождению NO из тиолов способствуют дезоксигенация и окисление гема (Т-структура, высокоспиновая); что согласуется с термодинамическими особенностями его связывания. Первичным аддуктом гемоглобина и NO , образуемого при дыхании NO, у нормальных индивидуумов является HbFe2+NO и в небольшом количестве SNO-Hb. SNO-Hb также находится в равновесии с низкомолекулярными нитрозотиолами. Гидроксимочевина реагирует с различными формами гемоглобина, образуя до 6% HbFe2+NO и не образовывая SNO-Hb.

Глутатион может влиять на равновесие SNO-Hb и HbFe2+ NO , что может влиять на процессы оксигенации и деоксигенации крови в капиллярах малого и большого кругов кровообращения. NO, высвобождаемый из SNO – Hb в присутствии глутатиона, не вызывает заметных сосудистых эффектов в изолированном легком в связи с быстрым окислением NO и образования метгемоглобина. Главным продуктом взаимодействия GSH с SNO-Hb in vivo, вероятно, является HbFe2+NO, за счет чего происходит модификация СГК, сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо.

SNO-Hb(О2) +GSH + e- « HbFe2+NO + GS- + О2

Анализируя взаимодействие in vivo NO с Hb предполагается следующие соотношения между реакциями, ведущими к образованию NO-производных: метгемоглобин и NO3 + >>> HbFe2 + NO > SNO-Hb, хотя другие авторы указывают на более высокое содержание HbFe2+ NO и SNO-Hb, преобладающее над уровнем метгемоглобина. Связывание NO с оксигемоглобином является кооперативным, его окисление в метгемоглобин при физиологических условиях ограничено и преобладают реакции, ведущие к усиленному образованию HbFe2+NO. Исследование реакции с NO и гемоглобином, ведущих к образованию метгемоглобина, далеко не всегда доминируют в условиях in vivo. Взаимодействие NO с HbO2 не уничтожает его активность, а более того, обеспечивает его сохранение («гемоглобин рационально вводит новую химию, когда его насыщение кислородом высоко, лимитируя окисление NO и сохраняя его биоактивность»).

Источник

Гемоглобин (Нв) – основной компонент эритроцитов, благодаря которому эритроциты выполняют дыхательную функцию и поддерживают рН крови. По химической природе он относится к хромопротеидам. У мужчин в крови содержится в среднем 130-160 г/л гемоглобина, у женщин – 120-150 г/л. Молекулярная масса гемоглобина составляет около 60000 Да. Гемоглобин состоит из белка глобина и 4 молекул гема. Гем имеет в своем составе атом железа, способный присоединять или отдавать молекулу кислорода.

Гем содержит двухвалентное железо, которое играет ключевую роль в деятельности гемоглобина, являясь его активной (простетической) группой. Гемоглобин синтезируется эритро- и нормобластами костного мозга. Для нормального синтеза гемоглобина необходимо достаточное поступление железа с пищей. При разрушении эритроцитов гемоглобин, после отщепления гема, превращается в билирубин – желчный пигмент, который поступает, в основном, в кишечник в составе желчи, где превращается в стеркобилин, выводящийся из организма с каловыми массами. Часть билирубина удаляется с мочой в виде уробилина.

Основная функция гемоглобина – перенос кислорода и углекислого газа. Гемоглобин, присоединивший к себе кислород, превращается в оксигемоглобин. Соединение гемоглобина с кислородом происходит в капиллярах легких. Это соединение непрочное. В виде оксигемоглобина переносится большая часть кислорода. Гемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным, или дезоксигемоглобином. Гемоглобин, соединенный с углекислым газом носит название карбгемоглобина. Соединение гемоглобина с углекислым газом происходит в капиллярах тканей организма. Это соединение легко распадается. В виде этого соединения переносится 20 % СО2. Оксигемоглобин и карбгемоглобин являются физиологическими соединениями гемоглобина.

В скелетных и сердечной мышцах находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Он играет важную роль в снабжении кислородом работающих мышц, его можно рассматривать, как депо О2 в мышцах.

Имеется несколько форм гемоглобина, отличающихся строением белковой части – глобина. Первые 7-12 нед. внутриутробного развития зародыша его красные кровяные тельца содержат примитивный гемоглобин. У плода содержится гемоглобин F (80 %) или фетальный гемоглобин (от англ. Faetus – плод) гемоглобин. Он обладает более высокой способностью связывать кислород. Это помогает плоду не испытывать гипоксии при относительно низком парциальном напряжении кислорода в его крови. После рождения гемоглобин F практически полностью заменяется на взрослый – гемоглобин А (от англ. adult – взрослый). В эритроцитах взрослого человека содержатся гемоглобин А (95-98 % Hb A1 и 2-3 % HbA2 ).

Гемоглобин может вступать в соединение и с другими газами. Соединение гемоглобина с угарным газом (СО) называется карбоксигемоглобином – это патологическое соединение, в норме его не существует, т.к. в атмосфере отсутствует СО. Является прочным соединением. Гемоглобин блокирован в нем угарным газом и не способен осуществлять перенос кислорода. Сродство гемоглобина к угарному газу выше его сродства к кислороду, поэтому даже небольшое количество угарного газа в воздухе является опасным для жизни. При этом более критическим является не концентрация угарного газа, а длительность его вдыхания. Даже предельно низкое содержание СО в воздухе, но при длительном вдыхании, например, во время сна может оказаться летальным. Вследствие своего высокого сродства угарный газ в виде карбоксигемоглобина способен циркулировать в крови предельно долго.

Часто отравления угарным газом возникают у водителей при длительном нахождении в закрытом гараже с включенным двигателем автомобиля. Другим распространенным клинически значимым источником СО являются древесный дым, а также сырой кирпич печей изб и свежий печной лак. Поэтому при первом или после длительного перерыва протапливании таких печей необходимо тщательное проветривание помещения.

Особенностью угарного газа является то, что он не обладает запахом, поэтому отравление развивается незаметно. Часто пострадавший осознает это, когда проявляется миорелаксирующее (расслабление скелетной мускулатуры) действие угарного газа, при этом человек не может самостоятельно покинуть помещение.

Первая помощь при отравлении угарным газом. Пострадавшего следует переместить на свежий воздух. Следует учитывать, что при значительном отравлении сохранность самостоятельного дыхания не снимает необходимости проведения дальнейших действий по оказанию помощи. Наиболее оптимальным будет подача воздуха с повышенным содержание О2, например, из кислородной подушки. При отсутствии таковой – произвести искусственное дыхание. Во время искусственного дыхания в легкие потерпевшего воздух нагнетается под давлением, большим атмосферного.

При этом парциальное давление О2 в таком воздухе оказывается большим, чем в норме, что способствует его большему растворению в крови, а также лучшему вытеснению угарного газа из связи с гемоглобином. Если же пострадавший будет дышать самостоятельно, парциальное давление О2 во вдыхаемом воздухе окажется меньшим (примерно, 100 мм рт.ст.), что окажется недостаточным для вытеснения из карбоксигемоглобина угарного газа, т. к. сродство Нb к СО значительно выше, чем О2. В дальнейшем пострадавший должен быть доставлен в больницу.

При воздействии на гемоглобин экзогенных сильных окислителей происходит окисление железа гема с переходом его в 3-х валентную форму. В результате этого образуется метгемоглобин, который не способен присоединять ни О2, ни СО2. В результате окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и теряет способность отдавать его тканям, что может привести к гибели организма.

К подобным сильным окислителем относятся нитраты и нитриты, содержащиеся, например, в химических удобрениях, также опасность представляют пероксиды, нитрокраски, анилиновые красители и ряд других веществ бытовой химии. В норме ежедневно около 0,5 % всего гемоглобина превращается в метгемоглобин, но затем она снова восстанавливается в гемоглобин специальным ферментом метгемоглобинредуктазой. Встречаются наследственные метгемоглобинемии, когда снижена активность метгемоглобинредуктазы в эритроцитах, что вызывает кислородное голодание. Метгемоглобин, также как карбоксигемоглобин, относится к группе патологических соединений гемоглобина.

Источник

Гемоглобин и его соединения

Гемоглобин – особый белок хромопротеида, благодаря которому эритроциты выполняют дыхательную функцию и поддерживают рН крови. У мужчин в крови содержится в среднем 130–160 г/л гемоглобина, у женщин – 120–150 г/л.

Гемоглобин состоит из белка глобина и 4 молекул гема. Гем имеет в своем составе атом железа, способный присоединять или отдавать молекулу кислорода. При этом валентность железа, к которому присоединяется кислород, не изменяется, т. е. железо остается двухвалентным. Гемоглобин, присоединивший к себе кислород, превращается в оксигемоглобин. Это соединение непрочное. В виде оксигемоглобина переносится большая часть кислорода. Гемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным, или дезоксигемоглобином. Гемоглобин, соединенный с углекислым газом, носит название карбгемоглобина. Это соединение также легко распадается. В виде карбгемоглобина переносится 20% углекислого газа.

В особых условиях гемоглобин может вступать в соединение и с другими газами. Соединение гемоглобина с угарным газом (СО) называется карбоксигемоглобином. Карбоксигемоглобин является прочным соединением. Гемоглобин блокирован в нем угарным газом и неспособен осуществлять перенос кислорода. Сродство гемоглобина к угарному газу выше его сродства к кислороду, поэтому даже небольшое количество угарного газа в воздухе является опасным для жизни.

При некоторых патологических состояниях, например, при отравлении сильными окислителями (бертолетовой солью, перманганатом калия и др.) образуется прочное соединение гемоглобина с кислородом – метгемоглобин, в котором происходит окисление железа, и оно становится трехвалентным. В результате этого гемоглобин теряет способность отдавать кислород тканям, что может привести к гибели человека.

В скелетных и сердечной мышцах находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Он играет важную роль в снабжении кислородом работающих мышц.

Имеется несколько форм гемоглобина, отличающихся строением белковой части – глобина. У плода содержится гемоглобин F. В эритроцитах взрослого человека преобладает гемоглобин А (90%). Различия в строении белковой части определяют сродство гемоглобина к кислороду. У фетального гемоглобина оно намного больше, чем у гемоглобина А. Это помогает плоду не испытывать гипоксии при относительно низком парциальном напряжении кислорода в его крови.

Ряд заболеваний связан с появлением в крови патологических форм гемоглобина. Наиболее известной наследственной патологией гемоглобина является серповидноклеточная анемия. Форма эритроцитов напоминает серп. Отсутствие или замена нескольких аминокислот в молекуле глобина при этом заболевании приводит к существенному нарушению функции гемоглобина.

В клинических условиях принято вычислять степень насыщения эритроцитов гемоглобином. Это так называемый цветовой показатель. В норме он равен 1. Такие эритроциты называются нормохромными. При цветовом показателе более 1,1 эритроциты гиперхромные, менее 0,85 – гипохромные. Цветовой показатель важен для диагностики анемий различной этиологии.

Соединение азота с гемоглобином

Читайте также

Гемоглобин

Гликолизированный гемоглобин

Гемоглобин

Гемоглобин

Гликозилированный гемоглобин

Гемоглобин

«ГЕМОГЛОБИН»

ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

ХЛОРОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Гемоглобин

Как увеличить гемоглобин

Фенольные соединения

Скелет и его соединения