Тема 2. Гемоглобін та білки плазми крові

План

1. Гемоглобін: структура, властивості, похідні

2. Основні білкові фракції плазми крові

2.1. Альбуміни

2.2. Глобуліни

2.3. Ліпопротеїни

2.4. Деякі «індикаторні» білки крові

2.5. Фібриноген

1. Гемоглобін: структура, властивості, похідні

Гемоглобін (Hb, від грец. haima — кров і лат. globus — куля) – складний залізовмісний білок еритроцитів тварин і людини, здатний зворотньо зв'язуватися з киснем, забзпечуючи його перенесення до тканин. Гемоглобін є складним білком класу хромопротеїнів, тобто таких, що містять простетичну групу, в якості якої виступає особлива пігментна група, що містить хімічний елемент залізо, — гем.

У крові новонароджених концентрація Нb становить 192-232 г/л, у дорослих жінок – 120-150 г/л, чоловіків – 130-160 г/л. Молекулярна маса гемоглобіну людини — близько 66,8 кДа.

Гемоглобін виконує три основні фізіологічні функції:

1) дихальну – бере участь у транспорті кисню та вуглекислого газу;

2) забезпечує сталість рН (гемоглобінова буферна система є найбільш потужною системою підтримки рН крові).

3) транспортну – транспорт дихальних газів.

Рис. 6. Структура гемоглобіну

Гемоглобін є тетрамером, тобто складається з чотирьох субодиниць (рис. 6). Кожна субодиниця містить гем, що зв’язаний з білковою частиною через залишок гістидину. До складу молекули Hb входять по два поліпептидних ланцюги різних видів. У дорослої людини вони представлені поліпептидними ланцюгами α₁, α₂, β₁ і β₂. Субодиниці сполучені одна з одною за принципом ізологічного тетраедра. Основний внесок до взаємодії субодиниць вносять гідрофобні взаємодії.

Синтез гемоглобіну відбувається в попередниках еритроцитів, які містять ядро. Для синтезу гему необхідні залізо і антианемічні вітаміни - В₁₂ (ціанокобаламін) і фолієва кислота, а для синтезу глобіну - амінокислоти, джерелом яких є повноцінні білки їжі. При нестачі цих факторів, а також при вродженому дефіциті окремих ферментів обміну глюкози (глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, піруваткінази та ін.) розвиваються анемії. Причиною ще однієї групи анемій - гемолітичних, є прискорене руйнування еритроцитів (гемоліз).

Розрізняють гемоглобін ембріональний (гемоглобін плоду (foetus) – HbF) та гемоглобін дорослих (adult) - HbA. Так, основний гемоглобін дорослої людини – HbА₁ (96-99% усього гемоглобіну) - містить два α- та два β-ланцюги (α₂β₂). Частина HbА₁ глікозильована – це глікозильований гемоглобін HbА_1с, який утворюється в результаті неферментативного глікування гемоглобіну залишками глюкози. Нормальна концентрація HbА_1с – 4-7% (рис.4).

Поряд з цією основною формою (HbA₁) в крові присутні незначні кількості (2-3 %) іншої форми з більш високою спорідненістю до O₂ , в якої β-ланцюги замінені δ-ланцюгами (HbA₂, α₂δ₂). Дві інші форми Hb зустрічаються тільки в ембріональному періоді розвитку організму. У перші три місяці утворюються ембріональні гемоглобіни складу ξ₂ε₂ і α₂γ₂. Потім аж до народження домінує фетальний гемоглобін (HbF, α₂γ₂), який поступово замінюється на першому місяці життя на HbА.

Рис. 7. Експресія генів гемоглобіну до і після народження. Також вказані типи клітин та органи, в яких відбувається експресія гена (дані по Wood WG, 1976. Br. Med. Bull. 32, 282).

Фетальний гемоглобін має більш високу спорідненість до О₂ в порівнянні з HbА, так як він повинен переносити кисень з системи материнського кровообігу. За своїми кисеньзв’язуючими властивостями HbF близький до міоглобіну; крива зв’язування кисню у фетального гемоглобіну є гіперболічною, тобто він не здатний до швидкої дисоціації з вивільненням O₂ при зниженні парціального тиску кисню, подібно до HbA. В разі спадкового персистування HbF його концентрація в крові дорослої людини може бути збільшеною в 10-20 разів, що клінічно проявляється важкою гіпоксією внаслідок нездатності такого гемоглобіну до нормального транспорту кисню між артеріальною та венозною кров’ю.

Гем є комплексом протопорфірину IX, що відноситься до класу порфіринових сполук, з атомом заліза (II) (рис. 6). Ця простетична група нековалентно зв'язується з гідрофобною западиною молекул гемоглобіну і міоглобіну. Залізо(II) характеризується октаедричною координацією, тобто зв'язується з шістьма лігандами. Чотири з них представлені атомами азоту порфіринового кільця, що лежать в одній площині. Дві інших координаційних позиції лежать на осі, перпендикулярній площині порфірину. Одна з них зайнята азотом залишку гістидіну в 93 положенні поліпептидного ланцюга (ділянка F). Молекула кисню, що зв'язується гемоглобіном, координується до заліза зі зворотного боку і виявляється поміщеною між атомом заліза і азотом ще одного залишку гістидіну, розташованого в 64 положенні ланцюга (ділянка E). Всього в гемоглобіні чотири ділянки зв'язування кисню (один гем на кожну субодиницю), тобто одночасно може бути зв'язано чотири молекули кисню на комплекс гемоглобіну.

Похідні гемоглобіну

Розрізняють наступні сполуки гемоглобіну:

НbО₂ – оксигемоглобін – має яскраво-червоний колір.

Утворення його відбувається в капілярах легень і залежить від парціального тиску (напруги) кисню. Валентність заліза при цьому не змінюється, воно залишається двовалентним.

Крива зв’язування гемоглобіном кисню та, відповідно, дисоціації оксигемоглобіну, має S-подібну форму, що свідчить про кооперативний характер процесу (рис. 8).

Рис. 8. Залежність ступеня оксигенації (% від максимальної) від парціального тиску О₂ для гемоглобіну (II) та міоглобіну

(I) — кисеньзв’язуючого білка м’язів, що не має кооперативних властивостей

Дійсно, приєднання молекули О₂ до першої субодиниці гемоглобіну внаслідок конформаційних змін, що відбуваються, підвищує здатність гемопротеїну до взаємодії з подальшими трьома молекулами кисню. Таким чином, спорідненість гемоглобіну до четвертої молекули кисню майже в 300 разів вища, ніж до першої.

Оксигемоглобін – більш сильна кислота у порівнянні з дезоксигемоглобіном і легше віддає протони. В еритроцитах катіонів калію витісняють протони із оксигемоглобіну з утворенням його калієвої солі (К⁺НbО₂):

Н⁺Нb^- + О₂ + К⁺ → К+НbО₂- + Н⁺

У капілярах легенів, де напруга O₂ близько 100 мм рт.ст., гемоглобін з'єднується з O₂ (процес оксигенації), перетворюючись на оксигенований гемоглобін - оксигемоглобін. У капілярах тканин, де напруга O₂ значно нижча (бл. 40 мм рт.ст.), відбувається дисоціація оксигемоглобіну на гемоглобін і O₂; останній надходить в клітини органів і тканин, де парціальний тиск O₂ ще нижче (5-20 мм рт. ст.); в глибині клітин вона падає практично до нуля. Різниця парціального тиску О₂ між альвеолярним повітрям та міжклітинною рідиною, куди кисень потрапляє з крові, дорівнює 65 мм рт.ст. Ця значна різниця забезпечує перехід кисню із альвеол у кров і далі - в міжклітинну рідину. Крім того, функціонування цитохромоксидази дихального ланцюга призводить до безперервного використання кисню і зниження парціального тиску кисню в мітохондріях до 4-5 мм рт.ст. Таким чином, практично створюється «кисневий вакуум» у мітохондріях, що спрямовує потік кисню в клітини.

У вигляді HbO₂ транспортується значна частина кисню. В 1 л плазми крові розчинено тільки близько 3,2 мл О₂. Гемоглобін, що міститься в еритроцитах, здатний зв'язати 220 мл О₂/л. Інтенсивність утворення HbО₂ залежить від парціального тиску крові, значення рН, концентрації СО₂ та вмісту 2,3-дифосфогліцерату (2,3-ДФГ).

НHb – дезоксигемоглобін, або відновлений гемоглобін (віддає кисень) – має темно-червоний колір, що визначає колір венозної крові. Утворюється він у капілярах тканин, де менше кисню, його парціальний тиск нижчий і тут оксигемоглобін розпадається на гемоглобін і кисень.

НbСО₂ – карбгемоглобін (СО₂ з’єднується з N-кінцевими групами гемоглобіну) має вишневий колір і утворюється при проходженні крові через тканини. У складі цього похідного транспортується до 20% СО₂. Негативний вплив зменшення pH та збільшення концентрації діоксиду вуглецю (СО₂) на утворення оксигемоглобіну має назву ефекту Бора. Молекулярні механізми ефекту Бора пов’язані з конформаційними змінами в молекулі гемопротеїну, що відбуваються при його взаємодії із зазначеними лігандами. Процеси, що лежать в основі здатності гемоглобіну брати участь у транспорті СО₂, описуються такими рівняннями реакцій:

А. В легеневих капілярах

Оксигенація гемоглобіну, що збільшує його кислотні властивості (тобто ступінь дисоціації кислотних груп його білкової частини):

H Hb + O₂ HHbO₂

Взаємодія кислотної форми гемоглобіну з бікарбонатом калію, що надходить всередину еритроциту з плазми крові:

H HbO₂ + KHCO₃ KHbO₂ + H₂CO₃

Розщеплення вугільної кислоти, що утворилась, під дією ферменту карбоангідрази:

H ₂CO₃ H₂O + CO₂

Б. В капілярах периферичних тканин.

Відщеплення кисню від калієвої солі оксигемоглобіну:

K HbO₂ KHb + O₂

Утворення всередині еритроцитів вугільної кислоти з діоксиду вуглецю, що генерується за рахунок процесів декарбоксилювання:

C O₂ + H₂O H₂CO₃

Утворення в еритроцитах бікарбонату при взаємодії вугільної кислоти з калієвою сіллю гемоглобіну:

K Hb + H₂CO₃ HHb + KHCO₃

Бікарбонат (HCO₃^–), що утворився в цій реакції, надходить з еритроциту в плазму крові (за рахунок іонного обміну з аніоном Cl^–) і транспортується в легені.

НbСО – карбоксигемоглобін має яскравий червоний колір і утворюється при наявності СО в навколишньому повітрі. Спорідненість Hb до СО у 200 разів вище, ніж до кисню, тому утворення карбоксигемоглобіну блокує утворення оксигемоглобіну і транспорт кисню (рис. 9).

Рис. 9. Схематичне зображення блокування чадним газом утворення оксигемоглобіну і транспорту кисню

Саме тому навіть незначні кількості чадного газу в повітрі є небезпечними для життя. Карбоксигемоглобіну в осіб, які не палять, міститься 0,5-1,5 % Нb; в осіб, які палять, – 8-9 % (особливо кількість його зростає після глибокої затяжки).

НbОН (MetHb) – метгемоглобін має бурий колір. Він утворюється при деяких патологічних станах, наприклад при отруєннях потужними окисниками (перманганат калію, бертолетова сіль, сульфаніламідні препарати та ін.), залізо у складі гему при цьому окиснюється до тривалентного стану. Вміст метгемоглобіну становить 0-37 мкмоль/л. Цей похідний гемоглобіну не може зв’язувати кисень. У нормі в еритроцитах міститься до 2% метгемоглобіну, який утворюється в результаті аутоокиснення. Така незначна кількість не пригнічує газообміну. Накопиченню метгемоглобіну перешкоджає функціонування ферменту метгемоглобінредуктази, яка відновлює MetHb. Метгемоглобінемія (підвищення концентрації MetHb) може мати спадковий характер (при дефіциті метгемоглобін редуктази) та розвиватися внаслідок надходження в організм значної кількості окисни ків – нітритів, аніліну, нітробензолу та ін. (розвивається гостра токсична метгемоглобінемія).

Зв’язування гемоглобіну з різними лігандами, такими, як Н⁺ (при зниженні рН) та СО₂ призводить до конформаційних змін у молекулі гемоглобіну і змінює спорідненість Hb до кисню. У тканинах СО₂ витісняє О₂ з гемоглобіну, в легенях, навпаки, кисень витісняє СО₂ з крові в альвеолярне повітря. Це явище відоме під назвою ефект Бора. Цей ефект також бере участь у регуляції рН крові. У капілярах тканин відбувається приєднання протона до гемоглобіну, і, таким чином, це запобігає закисненню середовища. Крім того, в тканинах збільшення кількості Н⁺ (при утворенні вугільної кислоти із СО₂) знижує спорідненість Hb до кисню. У капілярах легень, навпаки, протон вивільняється, і О₂ зв’язується з Hb.

2,3-ДФГ – метаболіт, який утворюється з 1,3-ДФГ (проміжний продукт гліколізу) та знижує спорідненість гемоглобіну до кисню, що сприяє вивільненню О₂ у тканинах.

При порушенні синтезу гемоглобіну виникають гемоглобінопатії і таласемії, які мають спадковий характер і належать до «молекулярних хвороб».

Гемоглобінопатії є наслідком зміни кількісного або якісного амінокислотного складу поліпептидних ланцюгів гемоглобіну, тому вони належать до якісних гемоглобінопатій.

Таласемії (греч. thalassa - море) – це найбільш поширені спадкові захворювання людини. Залежно від того, порушення синтезу яких ланцюгів гемоглобіну спостерігається при цій патології, таласемії прийнято поділяти на дві групи: α- та β-таласемії. Альфа-таласемія обумовлена порушенням синтезу α-ланцюгів Hb (внаслідок делеції або інактивації одного з чотирьох генів альфа-ланцюгів глобіну). Бета-таласемія розвивається внаслідок порушення синтезу β-ланцюгів.

При альфа-таласемії в організмі дорослої людини формуються бета₄-тетрамери – це гемоглобін Н (HbH). Ці тетрамери нестабільні, крива дисоціації оксигемоглобіну не має S-подібної форми. У хворих спостерігається мікроцитарна гіпохромна анемія. Гемолітичні прояви захворювання обумовлені кількістю таких тетрамерів.

При бета-таласемії надлишок α-ланцюгів гемоглобіну не утворює тетрамерів, α-ланцюги Нb зв’язуються з мембранами еритроцитів та пошкоджують їх. Гомо- та гетерозиготи мають різні за тяжкістю клінічні прояви. Варіації симптомів можуть бути від тяжкої анемії з клінічною симптоматикою, яка не дозволяє людині жити довше ніж до 20 років (анемія Кулі), до легкої мікроцитарної анемії.

Для гемоглобінопатій і таласемій характерний синдром еритропатій, який супроводжується: скороченням тривалості життя еритроцитів, підвищеним гемолізом, порушенням функцій еритроцитів. Відомо близько 300 аномальних гемоглобінів, але не всі патології мають клінічні прояви. Перші аномальні гемоглобіни називали за літерами латинського алфавіту, але, оскільки існує велика кількість патологічних форм, до назв цих гемоглобінів почали включати назви місць їх відкриття (Москва, Boston) або назви шпиталів.

Найчастіше при гемоглобінопатіях спостерігаються гемоглобіни S, C, D, E, H.

HbS – мутантний гемоглобін, у -ланцюгах якого в 6-му положенні глутамінова кислота замінена на валін (6_Glu6_Val). Валін має неполярний радикал, тому така заміна призводить до зниження розчинності гемоглобіну. Внаслідок синтезу HbS змінюється структура еритроцитів – кристалізація гемоглобіну у вигляді тектоїдів супроводжується розтягненням оболонки і вони набирають форми серпа. Тому ця патологія має назву серпоподібноклітинна анемія (Sickle cell anemia — англ.). У результаті спостерігаються підвищення в’язкості крові, зменшення швидкості кровотоку, зниження механічної резистентності еритроцитів - вони втрачають здатність проходити через дрібні капіляри. Такі еритроцити застряють у капілярах, руйнуються і утворюють тромби, наслідком чого є хронічна капіляропатія.

HbC – аномальний гемоглобін, в якому в 6-му положенні β-ланцюга глутамінова кислота замінена на лізин (6_Glu6_Lys). Цей гемоглобін також кристалізується в еритроцитах, які гемолізують, результатом чого є розвиток анемії. Високий вміст HbC призводить до розвитку легкої форми гемолітичної анемії.

HbD – гемоглобін, в 121-му положенні бета-ланцюга якого глутамінова кислота (Глу) замінена на глутамін (Глн). При високому вмісті такого аномального гемоглобіну розвивається легка форма гемолітичної анемії.

HbЕ – гемоглобін, в 26-му положенні β-ланцюга якого глутамінова кислота (Глу) замінена на лізин (Ліз). Внаслідок дефіциту нормальних β-ланцюгів за симптоматикою ця гемогло-бінопатія подібна до β-таласемії і супроводжується розвитком мікроцитарної гіпохромної анемії та наявністю мішенеподібних еритроцитів. Бувають також більш тяжкі форми цієї патології, які супроводжуються вираженою спленомегалією.

HbM – існує група гемоглобінів М, в поліпептидних ланцюгах яких залишок гістидину, що бере участь у зв’язуванні із залізом гему, заміщений на іншу амінокислоту. Зокрема, в гемоглобіні HbM_Бостон присутня заміна (α 58_His58_Tyr) в HbM_{Саскатон} – заміна (β 63_His63_Tyr). У гемоглобінах, що містять такий молекулярний дефект, атом заліза Fe³⁺ не може відновлюватися метгемоглобінредуктазою до Fe²⁺, у зв’язку з чим в еритроцитах накопичується метгемоглобін (містить Fe³⁺ у складі гему), що не здатний до нормального транспорту кисню. Така метгемоглобінемія найбільш виражена в гомозиготному стані, внаслідок чого хворі гинуть в умовах важкої гіпоксії.