Российский Университет Дружбы Народов

Аграрный факультет

Кафедра морфологии, физиологии животных и ветсанэкспертизы

Курсовая работа по нормальной физиологии

«Гемоглобин. Химическое строение, физиологическое значение»

выполнила Шуралёва Н. И.

группа: СВ-21

руководитель: к.в.н., доцент Забалуев Г.И.

зав. кафедрой: д.в.н., профессор Никитченко В.Е.

дата сдачи – 26.05.2005

личная подпись

г. Москва, 2005г.

ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Гемоглобин является наиболее распространенным кровяным пигментом. Он содержится в эритроцитах всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие), а также в корневых клубеньках некоторых бобовых растений.

В одном эритроците находится 340-400 млн. молекул гемоглобина. [1]

Гемоглобин позвоночных (за исключением круглоротых) – это вещество с молекулярной массой порядка 64 500дальтон, которое с химической точки зрения представляет собой сложный белок – хромопротеид, состоящий из белковой части и небелковой (пигментной) группировки, придающей гемоглобину, а следовательно и крови, красный цвет. [4]

Всоставе гемоглобина различают белокглобин, и небелковую пигментную группу – гем, соединенные между собой гистидиновым мостиком; каждая молекула гемоглобина содержит четыре гема и четыре полипептидные цепи. На долю гема по массе приходится 4% молекулы гемоглобина, глобина - 96 %. [8]

Б

Рис.1 Схема строения гема

елковая и простетическая части молекулы не только связаны, но и постоянно оказывают друг на друга сильное влияние. Глобин изменяет свойства гема определяя его способность к связыванию кислорода. В свою очередь, гем обеспечивает устойчивость глобина к действию физических факторов, расщеплению ферментами и т. д. [1]

Строение небелкового компонента

У всех видов животных гем имеет одинаковое строение, в то время как глобин несколько отличается по аминокислотному составу. [6] Гем в виде гем-порфирина является простетической группой не только гемоглобина и его производных, но и миоглобина, каталазы, пероксидазы и группы цитохромов. [5]

Гем построен из четырёх пирроловых колец и содержит двухвалентное железо. Атом двухвалентного железа образует координационные связи с четырьмя атомами азота, входящими в состав пиррольных группировок, точнее, с двумя атомами азота координационные связи, а с двумя другими – связи с замещением водорода. Оставшиеся две координационные связи используются для присоединения гема к имидазольному кольцу глобина и для связывания кислорода. Структура гема целиком расположена в одной плоскости.

При потере железа гем превращается в гематопорфирин. [5]

Строение белкового компонента, пространственная конфигурация молекулы

Большая часть молекулы гемоглобина, состоящей примерно из 10000 атомов, приходится на долю белкового компонента.

Э

Рис.2 Схематизированное изображение молекулы гемоглобина в «разобранном» виде. (McGilvery, 1970)

тот компонент состоит из четырех отдельныхполипептидных цепей, в состав каждой из которых входит более 140 аминокислотных остатков. Путем химического анализа установленыоаминокислотные0последователь-ности полипептидных цепей.

При помощи рентгеноструктурного анализа было установлено пространственное расположение этих цепей (Дж. Кендрью, М. Перутц, Нобелевская премия 1962 г.)

Вся молекула имеет приблизительно сферическую форму. Гемовые группы, изображенные в виде красных дисков, располагаются в нишах вблизи поверхности. [3]

Глобин относится к олигомерным белкам (состоящим из нескольких отдельных полипептидных цепей, которые связаны между собой нековалентными связями) и является тетрамером. Молекула состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых включает две полипептидные цепи (α–, содержат каждая 141 аминокислотный остаток и β–, содержат по 146 аминокислотных остатков). α– и β–цепи во многом сходны между собой, во многих последовательностях содержат одинаковые аминокислотные последовательности. Соответственно, гемоглобин диссоциирует на четыре субъединицы (протомера) примерно одинакового молекулярного веса, в состав каждой из которых входит одна полипептидная цепь и один гем. [5]

Диссоциация на две α– и две β–цепи как правило обратима, и может быть обусловлена присутствием солей, мочевины или резким изменением рН. После удаления этих факторов происходит автоматическая асоциация исходной молекулы гемоглобина. [5]

Химические свойства

Гемоглобин представляет собой своеобразное химическое вещество, вступающее в обратимое соединение с кислородом при любом его напряжении. [1]

Ключевую роль в активности гемоглобина играет ион железа, расположенный в центре молекулы протопорфирина. В процессе переноса кислорода гемоглобином молекула O₂ обратимо связывается с гемом, при этом валентность железа не изменяется.

П

Рис.3 Соединения, образуемые гемом (железо двухвалентное) и окисленным гемом (железо трёхвалентное). Протопорфириновые кольца лежат в одной плоскости.

рисоединяя кислород, гемоглобин (Нb) превращается в оксигемоглобин (НbO₂). Оксигемоглобин (НbО₂) имеет ярко-алый цвет, что и определяет цвет артериальной крови. Чтобы подчеркнуть тот факт, что валентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют не окислением, а оксигенацией; обратный процесс называется дезоксигенацией. [3]

Гемоглобин, отдавший кислород, называют дезоксигемоглобином, или редуцированным гемоглобином (Нb). Именно он определяет вишневый цвет венозной крови. [1]

Рис.3 Соединения, образуемые гемом (железо двухвалентное) и окисленным гемом (железо трёхвалентное). Протопорфириновые кольца лежат в одной плоскости.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению при действии сильных окислителей, таких как бертолетова соль, нитробензол, анилин и др. При этом железо становится из двухвалентного трехвалентным, гем приобретает коричневую окраску. [6]

Окисленный гем называется гематином (метгемом), а вся полипептидная молекула в целом – метгемоглобином. Метгемоглобин образуется в организме в естественных условиях, однако в эритроцитах содержится фермент метгемоглобинредуктаза, восстанавливающий его до «нормального» гемоглобина с двухвалентным железом. [4] В крови человека и животных метгемоглобин в норме содержится в незначительных количествах, но при некоторых заболеваниях и отравлениях некоторыми токсинами его содержание возрастает. [3]

В результате истинного окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и в итоге перестает быть его переносчиком. При наследственной метгемоглобинемии происходит нарушение равновесия между процессами окисления гемоглобина и метгемоглобина и восстановления гемоглобина. [1]

Реакция связывания гемоглобина с СО₂. сложнее, чем присоединение 0₂. Это объясняется прежде всего ролью СO₂ в создании кислотно-щелочного равновесия в организме. Механизмы, обеспечивающие транспорт газа, призваны также поддерживать и это равновесие. Гемоглобин, связанный с С0₂, называют карбогемоглобином. [1]

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом — оксидом углерода — СО. Происходит образование карбоксигемоглобина (НbСО), не способного к переносу 0₂. В этом случае закономерности его реакции те же, что и для кислорода, но химическое сродство СО к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к 0₂. Это означает, что достаточно в воздухе оказаться небольшому количеству СО, чтобы произошло образование значительного числа связанных молекул гемоглобина. Образовавшееся соединение — блокированный угарным газом гемоглобин — уже не может служить переносчиком кислорода. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказываются связанными не с кислородом, а с угарным газом. В результате в организме возникают тяжелые последствия кислородного голодания (рвота, головная боль, потеря сознания).

Слабые отравления угарным газом являются процессом обратимым: СО постепенно отщепляется и выводится при дыхании свежим воздухом. Использование искусственного дыхания чистым кислородом ускоряет примерно в 20 раз эту реакцию. При концентрации СО, равной 1%, через несколько минут наступает гибель организма. В нормальных условиях на долю НbСО приходится лишь 1% общего количества гемоглобина крови. [1]

При действии соляной кислоты на гемоглобин образуется гемин. В этом соединении железо находится в окисленной трёхвалентной форме. Для его получения каплю высушенной крови нагревают на предметном стекле с кристалликами поваренной соли и 1-2 каплями ледяной уксусной кислоты. Коричневые ромбические кристаллы гемина, хорошо различимые в микроскоп различаются по своей форме у разных видов животных. Данная реакция, получившая название геминовой пробы, может применятся для обнаружения следов крови и их видовой идентификации [6]