Обмен гемоглобина

В норме обмен Hb связан с порфиринами, железом, белком и занимает промежуточное положение между обменом порфиринов и желчными пигментами.

Hb это сложный белок-хромопротеид, но в это семейство включены также миоглобин и цитохромоксидазы, которые относят к классу дыхательных белков.

Гем является древней молекулой, существующей более 500 млн. лет

Эритроциты у взрослых

образуются (эритропоэз)

преимущественно в

костном мозге при активном участии специфического регулятора - эритропоэтина. Эритропоэтин (Эпо) человека – гликопротеин, состоящий из 166 аминокислот (ММ 34.000). Его количество в плазме определяется с использованием радиоиммунолических методов (РИА).

Эпо синтезируется главным образом почками и скорость его секреции в кровоток увеличивается при гипоксических состояниях. В костном мозге он взаимодействует с клетками предшественниками при участии специфического рецептора со свойствами тирозинкиназы. Действие Эпо усиливается другими факторами ( интерлейкином-3 и инсулиноподобным фактором роста). Получение рекомбинантного Эпо позволило использовать его в лечении анемий.

В процессе дифференцировки клетка приобретает способность синтезировать свой главный белок – гемоглобин, постепенно теряет ядро и другие органоиды и превращается в эритроцит, который чаще называют форменным элементом крови, чем клеткой. От более старых эритроцитов, которые уже находились в циркулирующей крови, молодые эритроциты можно отличить по выявляемой при помощи некоторых красителей сеточки, которая состоит из рибосомальной РНК( используемой для синтеза гемоглобина) и других органелл, которые могут функционировать некоторое время (48 часов) после поступления эритроцитов в сосудистую сеть. Такие эритроциты называют ретикулоцитами и их количество в крови составляющее в норме около 1% эритроцитов служит индикатором эритропоэза.

В норме у взрослых мужчина - 4.6-6.2 миллионов эритроцитов /мкл крови, а у женщин - 4.2-5.4 миллионов /мкл. Общее количество эритроцитов в кровотоке около 2.5 x 1013. Нормальный уровень Hb для мужчин - 140-180 г/л ( 14 –18 г на 100мл, 8,7-11.2 ммоль/л в пересчете на ММ мономера), и для женщин - 12-16 г/л. Значение гематокрита (объем упакованных эритроцитов) для мужчин и женщин - 42-52 % и .37-47% соответственно. Продолжительность жизни нормального эритроцита - 120 суток. Около 1 % популяции эритроцитов кровеносного русла (200 миллиардов клеток или 2 миллиона в секунду) заменяются ежедневно. Продолжительность жизни красной клетки крови резко сокращается при гемолитических анемиях. В этих состояниях число ретикулоцитов заметно увеличивается, поскольку костный мозг пытается компенсировать потери, увеличивая количество новых, молодых эритроцитов кровотоке.

«Стареющие» эритроциты захватываются клетками РЭС( селезенка, костный мозг и печень), где разрушаются. Образующиеся при распаде порфириновых колец желчные пигменты выделяются, а железо и аминокислоты глобина используются повторно. Повышение эритроцитов в крови называют полицетемией, снижение – анемией. В основе снижения может лежать гемолиз - повышенный распад эритроцитов, достигших нормального возраста ( гемолитическая анемия) или снижение биосинтеза из-за недостаточности железа (железодефицитные анемии) или витамина В12- (мегалобластическая анемия) При повреждение стволовых клеток костного мозга говорят об апластической анемии

Время жизни 120 дней (110-130).

Поверхность всех эритроцитов 3800 м^2.

Общее количество 25XI012.

Ежедневная потребность 208XI09.

Продукция эритроцитов в сек²,4XI06.

Путь, пробегаемый эритроцитами за 120 дней-400 км.

Вес эритроцита 3XI0^-11 г(=30пг)

Эритроцит

По структуре эритроцит представляет собой безъядерный, двояковогнутый диск с диаметром 69 мкм, толщиной-1мкм по центру, и по краям 2-2.5 мкм.

Мембрана Э толщиной 6 нм содержит:

49% белка, 44% липидов, 7% углеводов.

Главным катионом эритроцита является К+, затем Na+, Са++, Мg++. Анионы представлены Сl- и

НСО3-.Эритроцит содержит Нb. Рн. и

2,3 ДФГ.

Эритроцит является осмометром, ,который набухает и сжимается при увеличении и снижении осмотического давления.

В гипотоническом растворе Эритроциты

набухают и происходит их гемолиз.

В изотонической среде гемолиз Э вызывают детергенты, мыла, хлороформ.

Мембрана Э содержит Na-К –АТФ-азу, которая ингибируется сердечными гликозидами и влияет на проницаемость мембраны для ионов натрия и калия через мембрану Э и др. клеток. Концентрация глюкозы в составе Э равна ее концентрации в плазме, куда она поступает путем облегченной диффузии

Эритроциты легко меняют свою форму. Архитектура мембраны эритроцитов определяет ее механические свойства. Благодаря высокой способности изменять свою форму - поверхность уплощенного двояковогнутого эритроцита повышается до 140 мкм². Это связано с особенностями структуры мембран эритроцита.

Состав мембраны эритроцитов

Мембрана содержит 25% ХС, 60% фосфоглицеридов, и 5-10% гликолипидов.

Из 60% ФГ- 15-16% это сфингомиелин, причем ( 80-86%) его содержания находится на внешней стороне мембраны Э; 15-16% -фосфатидилхолин( находится снаружи), и 15-16 % представлен

-этаноламин.

Белки эритроцита

Эритроцит имеет как поверхностные так и интегральные белки.

У человека в Э более обнаружено, более 100 различных ферментативных активностей.Натрий-калий-АТФ-аза и Холинэстераза это ферменты, связанные с мембраной. Спектрин является белком, определяющим каркас Э и связан с актомиозином.

Интегральный белок мембраны-гликофорин является гликопротеидом, весьма чувствительным к токсинам, он выполняет функции антигена, конечный фрагмент молекулы гликофорина имеет структуру Fuc –Gal -N- acetyl, которая определяет группу крови у людей.

Метаболизм эритроцита

В Э нет ЭПР, нет ядра и митохондрий. Основными метаболическими путями являются анаэробный гликолиз и ПФП. При низкой ферментативной активности ферментов этих метаболических путей возникают гемолитические анемии, а также происходит нарушение структуры и функции Э. Анаэробный гликолиз является единственным способом извлечения энергии для Э. Метаболические процессы в эритроцитах отличаются рядом особенностей

Около 2% белка мембран эритроцитов составляет переносчик глюкозы. Он состоит из 492 аминокислот, уложенных в 12 трансмебранных сегментов, формирующих пору. Это один из 5 известных переносчиков глюкозы, обнаруженных в разных тканях. Поступление глюкозы в эритроцит не зависит от инсулина.

Глюкоза в эритроцитах используется в основном в гликолизе и ПФП.

Глюкоза основной источник энергии в эритроцитах. После поступления в клетку и фосфорилирования в глюкозу –6-фосфат при помощи гексокиназы около 5-10% глюкозы идет на образование НАДФН* Н+ в ПФП и 90-95% окисляется по гликолитическому пути с образованием АТФ. Особенностью обмена в эритроцитах является боковой путь, ответвляющийся на уровне 1.3-дифосфоглицерата.

Большинство белков мембраны являются гликопротеинами и являются интегральными белками мембраны.Что касается белков без углеводной части, то они находятся на внутренней поверхности: к ним относятся ферменты, дегидрогеназа 3 ФГА, структурные белки (спектрин или актин) и гемоглобин. Так как актиновые филаменты взаимодействуют с несколькими молекулами спектрина , образуются разветвления спектрина и формируется единая молекулярная сеть в мембране эритроцита .

Соединение мембранного скелета с бислоем липидов обеспечивает анкирин, который в районе головки спектрина связывается с цитозольном концом белка полосы 3. Анкирин чувствителен к протеолизу.

Гемоглобин –главный белок цитозоля эритроцитов

Одну треть клеточной массы эритроцитов составляет гемоглобин. Он же придает и красный цвет эритроциту и крови и выполняет следующие функции:

-Транспорт кислорода по крови

-Участие в транспорте диоксида углерода

-Участие в создании буферной системы, поддерживающей концентрацию ионов водорода во внеклеточном пространстве.

Содержание гемоглобина в одном эритроците можно рассчитать, зная общее содержание гемоглобина и количество эритроцитов При концентрации гемоглобина в 160 г/л крови, которая содержит 5000 млрд эритроцитов содержание Hb в одном эритроците 32 пиког ( в норме 27-54).

Спектрин главный белок цитоскелета является димером из двух длинных (100 нм в длину) полипептидных цепей (спектрин 1 и спектрин 2), которые уложены антипараллельно и формируют суперспираль. Своими головными концами спектриновые димеры путем самоассоциации образуют тетра- и олигомеры. Помимо домена используемого в образовании тетрамеров у спектрина есть участки связывания с анкирином, актином, и белком 4.1.

При переносе кислорода возможно образование метгемоглобина -гемоглобина с окисленным Fe^3+. За сутки в метгемоглобин окисляется около 3% всего гемоглобина. Восстановление железа метгемоглобина обеспечивается НАДН-цитохром b₅ метгемоглобин редуктазой. НАДН для этой реакции поставляется гликолизом., но образование метгемоглобина сопровождается образованием супероксидного аниона О²- , являющегося представителем активных форм кислорода, к которым относятся перекись водорода (H2O2), пероксильные радикалы (ROO-), и гидроксильные радикалы (ОН').

Последние - особенно активны и могут вступать в реакции с белками, нуклеиновыми кислотами, липидами, и другими молекулами, изменяя их структуру, что в конечном итоге приводит к нарушению функции клетки. Супероксидный анионный радикал может спонтанно дисмутировать с образованием H2O2 и O2; однако, скорость этой реакции значительно увеличивается под влиянием супероксид дисмутазы (СОД).

Ферменты АОЗ в Эритроцитах

- Это глютатионредуктаза,

- метгемоглобин редуктаза

- глутатионпероксидаза.

GluSH защищает ферменты Э от окисления по цистеиновым группам:

Glus-sulG-----à2GluSH ( Se- зависимая)

Hb(Fe++) + O2-----à MetHb(Fe+++) + O2-

O2- + 2H+ ----------àH2O2

Аналогично работают каталаза и СОД

Перекись водорода, образующаяся в этих реакциях, может разрушаться разными путями. В эритроцитах эту функцию выполняют фермент каталаза, превращая перекись в H2O и O2, и, содержащий селен фермент глютатионпероксидаза, который катализирует распад пероксида водорода, с образованием воды, окисляя глутатион. В присутствии Fe2+, пероксид водорода без участия ферментов распадается с образованием гидроксильных радикалов. Эти процессы могут значительно усиливаться при поступлении больших количеств железа.

ПФП окисления глюкозы в эритроцитах выполняет важную роль в поставке восстановительных эквивалентов системам, разрушающим активные формы кислорода. Врожденная недостаточность дегидрогеназы глюкозо-6-фосфата одно из наиболее распространенных и известных причин гемолитической анемии.

Описано свыше 300 генетических вариантов этого фермента и свыше 100 млн людей страдают от этого заболевания. Поступление в организм таких людей веществ, способствующих образованию пероксида водорода или супероксидного аниона кислорода вызывает активное потребление восстановленного глутатиона в глутатионпероксидазной реакции, а недостаточность дегидрогеназы глюкозо-6-фосфата не позволяет регенерировать глутатион и клетка подвергается окислительному стрессу, который завершается нарушением структуры липидов мембран и гемолизом.

В Э есть рудименты ЦТК- ферменты- изоцитрат ДГ, малат ДГ, а также АсАТ, АлАТ, Mg++ и Na-K-АТФ-азы. В Э есть восстановленный GluSH, необходимый для АОЗ.

В Э наблюдается биосинтез ЖК.

ХС в Э не синтезируется, но происходит быстрый обмен с ХС-содержащими фракциями ЛП крови.

Э может использовать уже готовые пурины.

Только в Э работает шунт Раппопорта,

образование 2,3 ДФГК- является своеобразным депо

Шунт Раппопорта конкурентно вытесняет О2 из HbO2 при состоянии гипоксии в ткани, а 2,3 ДФГ сдвигает кривую насыщения Hb кислородом вправо.

Гем – небелковая

часть гемоглобина.

Гем представляет

собой производное

порфирина, связанное

с железом. АЛК-дегидратазу называют также синтазой ПБГ. Этот фермент связывает восемь атомов Zn 2+, четыре из которых участвуют в механизме катализа. Zn2+-связывающие домены содержат цистеин и могут также связывать Pb2+, что вызывает торможение активности фермента. Повышенный уровень AЛК в крови является причиной некоторых неврологических проявлений отравления свинцом. Высокие уровни AЛК являются результатом наследственного дефицита некоторых ферментов пути синтеза гема. AЛК оказывает токсический эффект прежде всего на мозг, что по-видимому связано со структурным подобием AЛК с нейромедиатором g-аминомасляной кислотой. При аутоокислении AЛК образуются активные формы кислорода.

Следующий этап катализируется уропорфилиноген –I-синтазой или дезаминазой ПБГ. Дезаминаза ПБГ вначале из двух молекул ПБГ синтезирует свою простетическую группу (дипиррометан), а затем присоединяет еще 4 молекулы ПБГ. Такая гексапиррольная структура удерживается на ферменте благодаря большой конформационной гибкости фермента, который состоит из 3-х подвижных доменов. Гидролиз связи к дипиррометану высвобождает гидроксиметилбилан, который представляет линейную тетрапиррольную структуру. Под влиянием уропорфириноген III синтазы линейный тетрапиррол превращается в макроциклический уропорфириноген III.