Гемоглобин

Г лавная функция эритроцитов (см. с. 268) — транспорт кислорода от легких в ткани и СО₂ от тканей обратно в легкие. Высшие организмы нуждаются для этого в специальной транспортной системе, так как молекулярныйкислород плохо растворим в воде: в 1 л плазмы крови растворимо только около 3,2 мл О₂. Содержащийся в эритроцитах белок гемоглобин (Hb) способен связать в 70 раз больше — 220 мл О₂/л. Содержание Hb в крови составляет 140-180 г/л у мужчин и 120-160 г/л у женщин, т. е. вдвое выше по сравнению с белками плазмы (50-80 г/л). Поэтому Hb вносит наибольший вклад в образование рН-буферной емкости крови (см. с. 280).

А. Структура гемоглобина

Гемоглобин взрослого организма (HbA, см. ниже) является тетрамером, состоящим из двух α- и двух β-субьединиц с молекулярными массами примерно 16 кДа. α- и β-цепи отличаются аминокислотной последовательностью, но имеют сходную конформацию. Примерно 80% аминокислотных остатков глобина образуют α-спирали, обозначенные буквами А-Н (см. схему). Каждая субъединица несет группу гема (формулу см. на рис. 197) с ионом двухвалентного железа в центре. При связывании O₂ с атомом железа в геме (оксигенация Hb) и отщеплении O₂ (дезоксигенация) степень окисления атома железа не меняется. Окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ в геме носит случайный характер. Окисленная форма гемоглобина, метгемоглобин, не способна переносить O₂. Доля метгемоглобина поддерживается ферментами на низком уровне и составляет поэтому обычно только 1-2%.

Четыре из шести координационных связей атома железа в гемоглобине заняты атомами азота пиррольных колец, пятая — остатком гистидина глобина (проксимальный остаток гистидина), а шестая — молекулой кислорода в оксигемоглобине и, соответственно, Н₂О в дезоксигемоглобине.

Б. Аллостерические эффекты в гемоглобине

Аналогично аспартат-карбамоилтрансферазе (см. с. 118) Hb может находиться в двух состояниях(конформациях): обозначаемых как Т- и R-формы соответственно. Т-Форма (напряженная от англ. tense) обладает существенно более низким сродством к O₂ по сравнению с R-формой (на схеме справа). Связывание O₂ с одной из субъединиц Т-формы приводит к локальным конформационным изменениям, которые ослабляют связь между субъединицами. С возрастанием парциального давления O₂ увеличивается доля молекул Hb в высокоаффинной R-форме (от англ. relaxed). Благодаря кооперативным взаимодействиям между субъединицами с ростом концентрации кислорода повышается сродство Hb к O₂, в результате чего кривая насыщения имеет сигмоидальный вид (см. с 276).

На равновесие между Т- и R-формами влияют различные аллостерические эффекторы, регулирующие связывание O₂ гемоглобином (желтые стрелки). К наиболее важным эффекторам относятся CO₂, Н⁺ и 2,3-дифосфоглицерат [ДФГ (BPG)] (см. с. 276).

Дополнительная информация

Hb взрослого организма состоит, как упомянуто выше, из двух α- и двух β-цепей (α₂β₂). Наряду с этой основной формой (HbA₁) в крови присутствуют незначительные количества второй формы с более высоким сродством к O₂, у второй β-цепи заменены δ-цепя-ми (HbA₂, α₂δ₂). Две другие формы Hb встречаются только в эмбриональном периоде развития. В первые три месяца образуются эмбриональные гемоглобины состава ξ₂ε₂и α₂γ₂. Затем вплоть до рождения доминирует фетальный гемоглобин (HbF, α₂δ₂), который постепенно заменяется на первом месяце жизни на HbА. Эмбриональный и фетальный гемоглобины обладают более высоким сродством к О₂ по сравнению с HbА, так как они должны переносить кислород из системы материнского кровообращения.

276-277 

Ткани и органы. Кровь

Транспорт газов

Б ольшинство тканей для поддержания своего окислительного потенциала постоянно снабжаются молекулярным кислородом (O₂). Из-за плохой растворимости O₂ связывается и транспортируется в крови гемоглобином (см. с.274). Свойства Hb таковы, что он не только обеспечивает транспорт кислорода, но и создает благоприятные условия для связывания O₂ в легких и передачи его тканям.

А. Регуляция транспорта O₂

ЕСЛИ фермент реагирует на эффекторы (субстрат, активатор или ингибитор) повышением или понижением активности благодаря конформационным изменениям, то в этом случае говорят об аллостерической регуляции(см. с. 118). Аллостерические ферменты являются, как правило, олигомерами, состоящими из нескольких субъединиц, которые взаимно влияют друг на друга.

Хотя гемоглобин не является ферментом (он связывает и отдает кислород неизмененным), он имеет все признаки аллостерического белка. Его эффектором служит кислород, который как положительный гомотропный эффектор с повышением концентрации увеличивает константу связывания (см. с. 274). Криваянасыщения гемоглобина O₂ имеет ярко выраженный сигмоидальный характер (2, кривая 2). Для сравнения приведена несигмоидальная кривая насыщения мышечного белка миоглобина (2, кривая 1). Миоглобин (см. с.328) похож по структуре на гемоглобины, но, являясь мономером, не обнаруживает аллостерических свойств.

В качестве гетеротропных эффекторов гемоглобинов выступают СO₂ и Н⁺-ионы (см. Б) и в особенности метаболит эритроцитов 2,3-дифосфоглицерат [ДФГ (BPG)]. ДФГ синтезируется из 1,3-дифосфоглицерата (1), промежуточного продукта гликолиза (см. с. 152). ДФГ может снова участвовать в гликолизе, превращаясь в 2-фосфоглицерат, при этом напрасно пропадает АТФ. ДФГ избирательно связывается с дезокси-Hb и увеличивает вследствие этого его равновесную долю в паре Hb/дезокси-Hb. Результатом является повышенное высвобождение O₂ при постоянстве рO₂. На диаграмме это соответствует смещению кривой насыщениявправо (2, кривая 3). Аналогично ДФГ действуют CO₂ и H⁺-ионы. Такое влияние на положение кривой долгое время было известно под названием эффект Бора. Действия СO₂ и ДФГ являются аддитивными. В присутствии обоих эффекторов кривая насыщения изолированного Hb похожа на кривую, полученную для нативной крови (2, кривая 4).