Валентность железа в гемоглобине
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.
Гемоглобин (Нb) это хемопротеин, содержащийся в эритроцитах. Его молекулярная масса 66’000 Дальтон. Молекулу гемоглобина образуют четыре субъединицы, каждая из которых включает гем, соединенный с атомом железом, и белковую часть – глобин. Гем синтезируется в митохондриях эритробластов, а глобин в их рибосомах. У взрослого человека гемоглобин содержит две альфа- и две бета-полипепетидных цепи. Он называется А-гемоглобином (adult-взрослый). В зрелом возрасте он составляет основную часть гемоглобина. В первые три месяца внутриутробного развития в эритроцитах находится гемоглобин типа G1 и G2 (GoVer). В последующие периоды внутриутробного развития и в первые месяцы после рождения основную часть составляет фетальный гемоглобин (F-гемоглобин). В его структуре две альфа- и две гамма-полипептидные цепи. При рождении до 50-80% гемоглобина составляет F-гемоглобин, а 20-40 % А-гемоглобин. Ранние гемоглобины имеют большую кислородную емкость.
Гем содержит атом 2-х валентного железа, который легко соединяется с кислородом и легко отдает его. При этом валентность железа не изменяется. Один грамм гемоглобина способен связывать 1,34 мл кислорода. Соединение гемоглобина с кислородом, образующееся в капиллярах легких, называется оксигемоглобином (НbО2). Он имеет ярко-алый цвет. Гемоглобин, отдавший кислород в капиллярах тканей, называется дезоксигемоглобином или восстановленным (Нb). У него темно-вишневая окраска. От 10 до 30% углекислого газа, поступающего из тканей в кровь, соединяются с амидной группировкой гемоглобина. Образуется легко диссоциирующее соединение карбгемоглобин (HbCO2). В этом виде часть углекислого газа транспортируется к легким.
В некоторых случаях гемоглобин образует патологические соединения. При отравлении угарным газом образуется карбоксигемоглобин (НbСО). Сродство гемоглобина с окисью углерода значительно выше, чем с кислородом, а скорость диссоциации карбоксигемоглобина в 200 раз меньше, чем оксигемоглобина. Поэтому присутствие в воздухе даже 1% угарного газа приводит к прогрессирующему увеличению количества карбоксигемоглобина и опасному угарному отравлению. Кровь теряет способность переносить кислород. Развивается гипоксия мозга и других тканей. Угарное отравление сопровождается сильной головной болью, тошнотой, рвотой, судорогами, потерей сознания и смертью.
При отравлении сильными окислителями, например нитритами, марганцевокислым калием, красной кровяной солью, образуется метгемоглобин (MetHb). В этом соединении гемоглобина железо становится трехвалентным. Поэтому метгемоглобин – очень слабо диссоциирующее соединение. Он не отдает кислород тканям.
Все соединения гемоглобина имеют характерный спектр. Восстановленный гемоглобин дает одну широкую полосу поглощения в желто-зеленой части спектра между линиями D и Е. Оксигемоглобин дает 2 узкие полосы поглощения в желто-зеленой части спектра между линиями D и Е. У карбоксигемоглобина такая же спектральная картина, как и оксигемоглобина. Поэтому для диагностики отравления угарным газом, в исследуемую кровь добавляют восстановитель, например реактив Стокса. Под их влиянием оксигемоглобин превращается в дезоксигемоглобин и появляется спектр восстановленного гемоглобина. Карбоксигемоглобин не восстанавливается. Метгемоглобин в зависимости от рН крови дает 3-5 полос поглощения. Одна из них находится в красной части, другие в желто-зеленой области спектра.
Гемоглобин образует с соляной кислотой соединение коричневого цвета – солянокислый гематин. Форма его кристаллов зависит от видовой принадлежности крови. В частности, кристаллы солянокислого гематина человека имеют форму прямоугольных пластинок.
Содержание гемоглобина определяют методом Сали. Гемометр Сали состоит из 3 пробирок, находящихся в специальном штативе. Две из них, расположенные по бокам от центральной, заполнены стандартным раствором солянокислого гематина коричневого цвета. Средняя пробирка имеет градуировку в единицах гемоглобина. В нее наливают 0,2 мл соляной кислоты. Затем мерной пипеткой набирают 20 мкл крови и выпускают ее в соляную кислоту. Перемешивают содержимое пробирки и выдерживают 5 мин. Полученный раствор солянокислого гематина разводят водой до тех пор, пока его цвет не станет таким же, как в боковых пробирках. По уровню жидкости в средней пробирке определяется содержание гемоглобина. В норме в крови мужчин содержится 132-164 г/л (13,2-16,4 г·%) гемоглобина. У женщин 115-145 г/л (11,5-14,5 г·%). Количество гемоглобина снижается при кровопотерях, интоксикациях, нарушениях эритропоэза, недостатке железа, витамина B12 и т.д.
Кроме этого определяют цветовой показатель. Он отражает степень насыщения эритроцитов гемоглобином. Это отношение содержания гемоглобина в крови к количеству эритроцитов. В корме его величина составляет 0,85-1,05.
Реакция оседания эритроцитов
Удельный вес эритроцитов выше, чем плазмы. Поэтому в капилляре или пробирке с кровью, содержащей вещества, препятствующие ее свертыванию, происходит оседание эритроцитов. Над кровью появляется светлый столбик плазмы. Это явление называется реакцией оседания эритроцитов.
В сосудистой системе эритроциты не оседают. Это связано с тем, что они имеют одинаковый отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга. Такой же отрицательный заряд имеет стенка сосудов. Способствуют взвешенному состоянию эритроцитов и низкомолекулярные белки плазмы – альбумины. Оседание эритроцитов вне организма обусловлено потерей ими заряда и образованием скоплений – агрегатов.
В норме скорость оседания эритроцитов (СОЭ) у мужчин 2-10 мм/час, у женщин 2-15 мм/час. Она возрастает при беременности. Особенно СОЭ повышается при различных заболеваниях. Например, при анемии она возрастает из-за снижения вязкости крови. СОЭ также увеличивается при инфекционных, воспалительных заболеваниях и особенно злокачественных опухолях. В этом случае ее возрастание объясняется накоплением в крови грубодисперсных глобулинов – агломеринов. Выдвинуто 2 теории, объясняющие повышение СОЭ:
1. Электрохимическая. Она связывает оседание эритроцитов с нейтрализацией их отрицательного заряда агломеринами.
2. Теория лабильности коллоидов. Объясняет агрегацию и оседание эритроцитов накоплением в крови агломеринов и фибриногена. Они, являются неустойчивыми коллоидами, поэтому осаждаются на эритроцитах. Клейкость их оболочки увеличивается и они склеиваются в агрегаты.
Скорость оседания эритроцитов определяют по методу Панченкова. Для этого используют капилляр Панченкова, имеющий градуировку от “0” до “100”, а также отметки “Р” (раствор) и “К” (кровь). До метки “Р” набирают 5% раствор цитрата натрия и выпускают его на стекло. Затем набирают кровь до отметки “К” и сливают ее в цитрат натрия. Перемешивают и набирают смесь до отметки “0”. Затем капилляр ставят в штатив на час.
Гемоглобин выполняет, в организме важную роль переносчика
кислорода и принимает участие в транспорте углекислоты.
Гемоглобин представляет собой сложное химическое соединение
(молекулярный вес 68 800). Он состоит из белка глобина и четырех молекул гема.
Молекула гема, содержащая атом железа, обладает способностью соединять и
отдавать молекулу кислорода. При этом валентность железа, к которому
присоединяется кислород, не изменяется, т. е. железо остается двухвалентным.
Если обработать гемоглобин раствором соляной кислоты, то от
глобина отщепляется гем. Вступая в соединение с соляной кислотой, он
превращается в гемин
(С34Н32N4O4FeCl), образующий
кристаллы характерной формы. Проба на образование гемина производится для
доказательства присутствия крови при судебномедицинских исследованиях.
В состав молекулы гема входят четыре пиррольных кольца (два из них имеют
характер щелочи, а два – кислоты). Атом железа, содержащийся в геме, связывает
гем с белковой частью глобином. Если гем теряет атом железа, а пирроловая его
структура сохраняется, то получается гематопорфирин. Это вещество в больших
количествах образуется в организме при некоторых отравлениях или нарушениях
обмена и может выделяться с мочой.
Гем является активной, или так называемой простатической, группой
гемоглобина, а глобин — белковым носителем гема. Гемоглобин, присоединивший
кислород, превращается в оксигемоглобин (его обозначают символом
НbO2). Оксигемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным,
или редуцированным, гемоглобином (Нb). Оксигемоглобин, гемоглобин и
некоторые другие соединения и производные гемоглобина дают характерные полосы
поглощения лучей спектра.
Так, пропуская луч света через раствор оксигемоглобина, можно Рис. 5. Спектры поглощения оксигемоглобина (сверху) и Оксигемоглобин несколько отличается по цвету от гемоглобина, поэтому |
Значительно большее поглощение световых лучей с длиной волны 620—680 ммк
гемоглобином по сравнению с оксигемоглобином легло в основу методики измерения
степени насыщения крови кислородом — оксигемометрии. При этой методике ушную
раковину или кювету с кровью просвечивают небольшой электрической лампой и
определяют с помощью фотоэлемента интенсивность светового потока указанной длины
волны, проходящего через ткань уха или кювету с кровью. По показаниям
фотоэлемента определяют степень насыщения гемоглобина кислородом.
Кровь взрослых людей содержит в среднем 14—15% гемоглобина (у мужчин
13,5—16%, у женщин 12,5—14,5%). Общее содержание гемоглобина равно примерно 700
г.
В эмбриональном периоде в крови человека имеются разные типы гемоглобина,
отличающиеся способностью присоединять кислород в некоторыми другими химическими
свойствами. Для определения и разделения разных типов гемоглобина применяют
методику измерения оптической плотности растворов гемоглобина до и после
денатурации его едкой щелочью. Разные типа гемоглобина условно обозначают НbA,
HbF, НbР, Гемоглобин НbР встречается только в первые 7—12 недель внутриутробного
развития зародыша. На 9-й неделе появляется в крови зародыша гемоглобин HbF и
гемоглобин взрослых НbA. Существенно важным представляется тот факт, что
эмбриональный гемоглобин HbF обладает более высоким сродством к кислороду и
может насыщаться на 60% при таком напряжении кислорода, когда гемоглобин матери
насыщается всего на 30%. У разных видов позвоночных животных имеются различия в
структуре гемоглобина. Гем разных типов гемоглобина при этом одинаков, глобины
же различаются по своему аминокислотному составу.
В организме постоянно происходит синтез и распад гемоглобина, связанные с
образованием и разрушением эритроцитов. Синтез гемоглобина совершается в
эритробластах красного костного мозга. При разрушении эритроцитов, которое
происходит в ретикуло-эндотелиальной системе, главным образом в печени и
селезенке, из красных кровяных клеток выходит гемоглобин. В результате
отщепления железа от гема и последующего окисления образуется из гемоглобина
пигмент билирубин, который затем с желчью выделяется в кишечник, где
превращается в стеркобилин и уробилин, которые выводятся с калом и мочой. За
сутки разрушается и превращается в желчные пигменты около 8 г гемоглобина, т. е.
несколько более 1 %.
В организме человека и животных могут образовываться и другие соединения
гемоглобина, при спектральном анализе которых обнаруживаются характерные спектры
поглощения. К числу таких соединений гемоглобина относятся метгемоглобин и
карбокенгемоглобин. Вещества эти образуются в результате некоторых
отравлений.
Метгемоглобин (MetHb) представляет собой прочное соединение
гемоглобина с кислородом; при образовании метгемоглобина меняется валентность
железа: двухвалентное железо, входящее в молекулу гемоглобина, превращается в
трехвалентное. В случае накопления в крови больших количеств метгемоглобина
отдача кислорода тканям становится невозможной и наступает смерть от
удушення.
Метгемоглобин отличается от гемоглобина коричневым цветом и наличием полосы
поглощения в красной части спектра. Метгемоглобин образуется при действии
сильных окислителей: феррицианида (красной кровяной соли), марганцовокислого
калия, амил- и пропилнитрита, анилина, бертолетовой соли, фенацетина.
Карбоксигемоглобин (НbСО) представляет собой соединение железа
гемоглобина с окисью углерода (СО) — угарным газом. Это соединение примерно в
150—300 раз прочнее, чем соединение гемоглобина с кислородом. Поэтому примесь
даже 0,1 % угарного газа во вдыхаемом воздухе ведет к тому, что 80% гемоглобина
оказываются связанными окисью углерода и не присоединяют кислород, что является
опасным для жизни.
Слабое отравление угарным газом — обратимый процесс. Прп дыхании свежим
воздухом СО постепенно отщепляется от карбоксигемоглобнна и
выделяется.
Вдыхание чистого кислорода увеличивает скорость расщепления
карбоксигемоглобина в 20 раз. В тяжелых случаях отравления необходимо
искусственное дыхание (стр. 171) газовой смесью с 95% содержания 02 и 5% СО2, а
также переливание крови.
Миоглобин. В скелетной и сердечной мышце находится мышечный
гемоглобин, называемый миоглобином. Его простетическая группа — гем — идентична
этой же группе молекулы гемоглобина, а белковая часть — глобин — обладает
меньшим молекулярным весом, чем белок гемоглобина.
Миоглобин человека способен связывать до 14% от общего количества кислорода в
организме. Это его свойство играет важную роль в снабжении кислородом работающих
мышц. Если при сокращении мышцы кровеносные капилляры ее сжимаются и кровоток в
некоторых участках мышцы прекращается, то все же благодаря наличию кислорода,
связанного с миоглобином, в течение некоторого времепп сохраняется снабжение
мышечных волокон кислородом.