Задача;49

Курение при беременности вызывает нарушения в организме плода, замедляется его рост и приводит к хронической гипоксии. Никотин — мощный вазоконстриктор и может ограничить маточный кровоток. Никотин сигаретного дыма вместе с СО проникает в кровь. Эти два вещества нарушают перенос 0₂ и питательных веществ к плоду. Объясните, от каких факторов зависит количество 0₂, доставляемого в ткани. При ответе:

а) охарактеризуйте все уровни структурной организации основного белка эритроцитов;

б) изобразите схему функционирования НЬ;

в) назовите лиганды, с которыми способна связываться молекула НЬ;

г) укажите, как изменится функциональная активность гемоглобина при взаимодействии с этими лигандами.

Ответ:

А) Молекула гемоглобина здорового взрослого человека неоднородна. Основная фракция гемоглобина — гемоглобин А — составляет около 96% всего гемоглобина; 4% приходится на малые фракции; 3,5% составляют гемоглобин А2 и 1—1,5% — гемоглобин F. Эти гемоглобины отличаются друг от друга аминокислотным соста-вом.

Все три фракции гемоглобина состоят из одинакового количества аминокислот —574, которые располагаются в виде полипептидных цепей. Каждый гемоглобин содержит 4 попарно одинаковых полипептидных цепи. Эти цепи называют буквами греческого алфавита в зависимости от аминокислотной последовательности. Гемоглобин А состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, гемоглобин А2— из двух α-цепей и двух δ-цепей, гемоглобин F содержит две β-цепи и две γ-цепи- α-Цепь гемоглобина состоит из 141 аминокислоты, а α-, β- и δ-цепи содержат по 146 аминокислот. Таким образом, все основные нормальные типы гемоглобина содержат одну одинаковую для всех цепь — α-цепь и вторую, отличающуюся от первой. Так, β-цепь, входящая в состав гемоглобина F, отличается от β-цепи, входящей в состав гемоглобина А, порядком аминокислот в 39 позициях, а α-цепь, входящая в состав гемоглобина Аз, отличается от β-цепи порядком аминокислот в 10 позициях.

Порядок расположения аминокислот в цепях гемоглобина — это первичная структура; она в на-стоящее время хорошо известна для всех нормальных гемоглобинов. Следующий уровень организации — это вторичная структура. Большая часть полипептидных цепей гемоглобина закручена вокруг своей продольной оси и составляет к-спираль. В полипептидных цепях глобина около 75% составляют спиральные отрезки и 25% — неспиральные участки. Третичная структура отражает пространственное расположение спирализованной полипептидной цепи в белковой молекуле. Perutz и соавт. при помощи рентгеноструктурного анализа показали, что существует некоторое пространство, составленное главным образом гидрофобными группами аминокислот, в котором помещается молекула гема, прикрепленная к глобину 12 аминокислотами. Под четвертичной структурой гемоглобина понимают связь между полипептидными цепями.

Б) Поступающий с пищей гемоглобин в желудочно-кишечном тракте распадается на глобин и гем. Глобин как белок гидролизуется до АК. Гем окисляется в гематин и выводится с калом. Эндогенный гемоглобин разрушается главным образом в печени, а также в селезенке, костном мозге и других органах. Начальный этап распада гемоглобина - разрыв метинового мостика и образование вердоглобина. Вердоглобин еще содержит в соем составе железо и глобин. Процесс начинается с окисления гема и разрыва системы порфириновых колец. Двухвалентное железо гемоглобина превращается при этом в трехвалентное. Это вердоглобин - от него спонтанно отщепляется белок глобин и освобождается железо. Дальнейшие превращения приводят к потере железа и глобина, в результате чего происходит развертывание порфиринового кольца и образование желчного пигмента биливердина. Глобин гидролизуется до АК, а железо соединяется с белком и под названием ферритина откладывается в организме как запасная форма железа. Оставшаяся небелковая часть биливердина восстанавливается в билирубин. Билирубин транспортируется кровью в печень, где освобождается от белка и обезвреживается путем образования диглюкуронидов. Образующийся же в печени билирубин находится в связанной форме. Из печени билирубин поступает в желчный пузырь и подвергается превращениям. Дальнейшие продукты восстановления получили название уробилиногеновых тел. Почти весь выделяющийся печенью билирубин превращается в стеркобилиноген. У здорового человека ежедневно образуется 250-300 мг билирубина, который почти полностью удаляется из организма. содержание его в крови 0,4-0,8 мг%. повышение содержания билирубина в крови свыше 2 мг% сопровождается развитием желтухи. Железо, освобождающееся в клетках ретикуло-эндотелия при распаде гемоглобина и других хромопротеидов не удаляется из организма, а используется в синтезе нового хромопротеида - ферритина, выполняющего роль депо железа в организме. 2/3 общего количества ферритина содержится в печени. Из печени железо ферритина транспортируется в место синтеза гемоглобина (костный мозг) в виде железосодержащего белка - трансферина.

В) Основным лигандом гемоглобина является кислород, который связывается с гемоглобином кооперативным связыванием, помимо него, лиганды гемоглобина также включают в себя конкурентные ингибиторы, такие как окись углерода (СО), и аллостерические лиганды, такие как двуокись углерода (СО2) и окись азота (NO). Диоксид углерода связан с аминогруппами белков глобина как карбогемоглобин, и, как полагают, составляет около 10% транспорта двуокиси углерода у млекопитающих. Оксид азота связан конкретными тиольными группами в глобине белка с образованием S-нитрозотиолов, которые снова диссоциируют в свободный оксид азота и тиол, когда гемоглобин выпускает кислород из его расположения в геме. Этот транспорт азотной окиси в периферические ткани, как предполагается, помогает транспорту кислорода в тканях, выпуская сосудорасширяющий оксид азота в тканях, в которых уровень кислорода является низким. г) Лиганд- кислород:

В тетрамерной форме нормального гемоглобина взрослого человека связывание кислорода является кооперативным процессом. Первый связанный кислород влияет на форму места связывания следующего кислорода. Это положительное кооперативное связывание достигается за счет стерических конформационных изменений комплекса белка гемоглобина, как описано выше, т.е. когда одна субъединица белка гемоглобина становится кислородом, во всей области инициируются конформационные или структурные изменения, в результате чего другие субъединицы получают повышенное сродство к кислороду. Как следствие, изгиб связывания кислорода имеет сигмоидальную или S-образную форму, в отличие от нормальной гиперболической кривой при некооперативном связывании.

Остальные лиганды:

Связывание кислорода зависит от молекул, таких как окись углерода (СО) (возникающего, например, из-за курения табака, выхлопных газов автомобилей, неполного сгорания в печах). CO конкурирует с кислородом в месте связывания гема. Сродство связывания с СО в 250 раз больше, чем его сродство с кислородом, это означает, что небольшие количества СО резко уменьшают способность гемоглобина переносить кислород. Так как окись углерода представляет собой бесцветный, без вкуса и запаха газ, и представляет собой потенциально смертельную угрозу, в продаже появились детекторы, предупреждающие об опасном уровне этого газа в жилых домах. Когда гемоглобин соединяется с CO, он образует состав очень яркого красного цвета, названный карбоксигемоглобином, который может привести к тому, что кожа жертв отравления СО приобретает розовый цвет после смерти, вместо белого или синего цвета. Когда во вдыхаемом воздухе содержится уровень СО около 0,02%, начинается головная боль и тошнота, а если концентрация СО повышается до 0,1%, то следует потеря сознания. У заядлых курильщиков до 20% активного приема кислорода может быть заблокировано СО. Аналогичным образом, гемоглобин также имеет конкурентное связывание с цианидом (CN-), окисью серы (SO), оксидом азота (NO) и сульфидами (S2-), в том числе с сероводородом (H2S). Все они связываются с железом в геме без изменения его степени окисления, но, тем не менее, они ингибируют связывающий кислород, причиняя тяжелое отравление. Атом железа в геме должен сначала находится в степени окисления (Fe2 +) для связывания и транспортировки кислорода и других газов (временно переключается на Fe3 + во время связывания кислорода, как описано выше). Начальное состояние окисления железа (Fe3 +) без кислорода преобразует гемоглобин в «метгемоглобин», который не может связывать кислород. Гемоглобин в нормальных эритроцитах защищен специальной системой, чтобы этого не происходило. Оксид азота может преобразовывать небольшую часть гемоглобина в метгемоглобин в эритроцитах. Последняя реакция является остатком деятельности более древней функции оксида азота диоксигеназы глобинов. Диоксид углерода находится в различных местах связывания гемоглобина. Диоксид углерода легче растворяется в венозной крови, что облегчает его удаление из организма после того, как кислород был выпущен в ткани при метаболизме. Это повышенное сродство к двуокиси углерода венозной крови известно как эффект Халдейна. С помощью фермента карбоангидразы диоксид углерода вступает в реакцию с водой с получением угольной кислоты, которая разлагается на бикарбонат и протоны: CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3 - + H + Поэтому кровь с высоким уровнем углекислого газа также имеет более низкий рН (более кислая). Гемоглобин может связывать протоны и диоксид углерода, который вызывает изменение конформации белка и облегчает выделение кислорода. Протоны связываются в различных местах белка, в то время как диоксид углерода связывается по α-аминогруппе. Диоксид углерода связывается с гемоглобином и формирует карбогемоглобин. Это снижение сродства гемоглобина с кислородом путем связывания двуокиси углерода и кислоты известно как эффект Бора (сдвигает O2-насыщенную кривую вправо). И наоборот, когда уровень углекислого газа в крови снижается (т.е. в капиллярах легких), двуокись углерода и протоны освобождаются от гемоглобина, увеличивая сродство к кислороду белка.