1. Обмен железа: основные функции, пул железа в организме, всасывание в жкт, «ферритиновый блок».

В организме содержится 4—5 г железа: в виде резервного (1/4) и функционально-активного (3/4). 62—70 % железа находится в гемоглобине эритроцитов, 5—10 % — в миоглобине, остальное — в тканях, где оно участвует во многих метаболических процессах: в составе энзимов—цитохромов, которые обеспечивают митохондриальный транспорт электронов, синтез ДНК и деление клеток, метаболизм гормонов мозгового вещества надпочечников, детоксикационные механизмы, с участием цитохрома Р₄₅₀. Резервное железо постоянно переходит в функциональное и обратно. Так, за счет повторного использования костный мозг получает ежесуточно 20—25 мг железа.

Всасывание в жкт

Поступает с пищей Fe³⁺ астирбат и переводит в Fe^2+. Всасывание железа начинается уже в желудке, где под действием соляной кислоты желудочного сока происходит освобождение Fe из органических кислот, диссоциация комплексов и образование ферро- и ферри– ионов. Железо поглощается в двух видах: Fe²⁺ и в геме. Восстанавливающие агенты, HC1 и протеазы переводят железо гема в гемин, а в слизистой желудка, ксантиноксидаза отделяется железо от портифиринового кольца. (Геминного железа в желудке поглащается в 10 раз больше негеминного.)

Наибольшее количество железа всасывается в 12 перстной и тощей кишках.

Существует 2 системы транспорта Fe в кровь: быстро обменивающаяся и медленно обменивающаяся.

Клеточный трансферрин – компонент быстро обменивающей транспортной системы между просветом кишки и кровью. Если возникнет необходимость при дефиците железа в крови увеличивается содержание трансферрина, т. е. повышается Fe²⁺ из просвета кишки в кровь.

Апоферритин – компонент медленно обменивающегося пула железа в энтероцитах. Апоферритин связывает железо 1 м – до 3000 ионов Fe и превращает в ферритин, который остается (депонируется) в энтероцитах. Таким образом апоферритин препятствует поступлению в кровь – это называется «апоферритиновый блок», иными словами: если железа в крови достаточно и потребность в железе не велика, скорость синтеза апоферритина повышается, т.е. железо депонируется. Напротив, при недостатке железа в крови, синтез апоферритина тормозится, «апоферритиновый блок» снимается и железо из депо (кишечника) поступает в плазму кровь.

Транспорт железа в плазме крови. Железодефицитные состояния, гемосидероз.

В плазме крови железо транспортируется в комплексе с трансферрином.

Трансферрин – транспортный белок, относится к группе β – глобулинов, имеет молекулярную массу 88000 Д.

Место синтеза: в основном – печень, в небольших количествах в лимфоидной ткани, молочной железе, половых железах.

Поступление экзогенного железа в ткани из кишечника

Желудок и полость тонкого кишечника	Энтероцит	Кровь	Ткани
Пища с Fe3+ Аскорбат Fe2+	Fe2+ - - - - - - - - - - - Апоферритин ферритин (Fe3+)	Fe2+ Fe3+ Циррулоплазмин (феррооксидаза) трансферрин (2Fe3+) СО32- комплекс трансоэяцин – 2 33%	Синтез железо - содержащих белков печень, селезенка, костный мозг, ферритин (Fe3+) В печени гемосидерм

В крови Fe²⁺ окисляется церулоплариином (ферроксидазой) в Fe³⁺, образуя в комплексе трансферритин 2. Тоесть каждая молекула трансферрина связывает 2 атома трехвалентного железа, но одновременно с двух валентным анионом CO ₃^{2 -}, с образаванием комплекса трансферрин – 2 (Fe3+, CO ₃² ) . В норме степень насыщения 30 – 33 %.

Гемосидероз — отложение гемосидерина в тканях организма из-за избыточного образования его макрофагами при усиленном распаде эритроцитов.

Заболевание возникает в результате нарушения утилизации гемосидерина в процессе эритроцитопоэза, он усиленно всасывается в кишечнике, нарушается обмен железосодержащих пигментов. В организме человека содержится 4-5 граммов железа, которое содержится в составе гемопротеидов, ферритина и гемосидерина. При избытке железа гемосидерин накапливается в тканях организма, что приводит к повреждению лизосом.

Гемосидероз обычно является симптомом какого-либо заболевания:

• наследственных гемолитических анемий — энзимопатии, гамоглобинопатии

• приобретенных гемолитических анемий — аутоиммунных

• при гипопластических и рефракторных анемиях

• инфекционных заболеваниях (бруцеллезе, возвратном тифе, малярии)

• отравлениях гемолитическими ядами

• частых гемотрансфузиях

• циррозе печени

В качестве самостоятельных заболеваний выделяют:

• эссенциальный легочный гемосидероз (поражается только легочная ткань)

• гемохроматоз (наследственное заболевание, нарушение всасывания железа в кишечнике, и накопление его в тканях)

• гемосидероз кожи (гемосидерин откладывается в коже нижних конечностей. Проявляется пятнами коричнево-красного цвета, не пропадающими при надавливании. Может быть спровоцировано расстройством кровообращения конечностей. Чаще всего встречается у мужчин.)

Виды гемосидероза

Местный гемосидероз. Развивается при внесосудистом (экстраваскулярном) гемолизе в местах кровоизлияний. Накопление гемосидерина не повреждает ткань или орган, но если онсочетается со склерозом, то функция органа или ткани нарушается.

Общий гемосидероз. Развивается при избытке железа из-за внутрисосудистого (интраваскулярного) гемолиза или при повышении всасывания железа из пищи. Гемосидерин откладывается преимущественно в гепатоцитах, макрофагах печени, селезёнки, костного мозга и других органах. Как правило, пигмент не повреждает паренхиматозные клетки и не вызывает нарушений функций органа. В случае, если избыток железа сочетается с повреждением тканей с атрофией паренхимы, склерозом, снижением функции органа, то это называется гемохроматоз.

Лечение

Для диагностики проводится анализ крови для определения содержания железа и железосвязывающей способности крови. С помощью биопсии и трепанобиопсии получают ткани печени или костного мозга для гистологического исследования, в которых выявляют железо. Еще одним из методов диагностики является десфераловая проба: пациенту вводят внутримышечно десферал, а затем в течение 6-24 часов собирают мочу, в которой определяют количество железа.

Лечение заключается в выявлении и терапии основного заболевания.

23. Гемоглобин, структура и функции. Типы гемоглобина чело- века, смена типов в онтогенезе. Кооперативные свойства гемо- глобина. Гемоглобинопатии. Железодефицитные анемии.

Гемоглобин: структура, типы гемоглобинов. Кооперативные свойства гемоглобина. Роль протонов и 2,3 – БФГ в функционировании гемоглобина.

Гемоглобин (НЬ) - сложный олигомерный белок, состоящий из 4 протомеров двух типов (2α и 2β), включающих 574 аминокислотных остатка. Содержится в эритроцитах, на его долю приходится до 90% массы белков клетки. Гемоглобин обеспечивает перенос кислорода из легких в ткани и удаление диоксида углерода из тканей.

Гемоглобин является сложным белком класса гемопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает гем — порфириновое ядро, содержащее железо. Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из 4 протомеров. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α₁, α₂, β₁ и β₂. Субъединицы соединены друг с другом по принципу изологического тетраэдра. Основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия. И α-, и β-цепи относятся к α-спиральному структурному классу, так как содержат исключительно α-спирали. Каждая цепь содержит восемь спиральных участков, обозначаемых буквами от A до H (от N-конца к C-концу).

Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа(II). Этот кофактор нековалентно связан с гидрофобной впадиной молекул гемоглобина и миоглобина.

Железо(II) характеризуется октаэдрической координацией, то есть связывается с шестью лигандами. Четыре из них представлены атомами азота порфиринового кольца, лежащими в одной плоскости. Две другие координационные позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93-м положении полипептидной цепи (участок F). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу с обратной стороны и оказывается заключённой между атомом железа и азотом ещё одного остатка гистидина, располагающегося в 64-м положении цепи (участок E).

Всего в гемоглобине человека четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может связываться четыре молекулы. Гемоглобин в лёгких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гема на 6-ю координационную связь. На эту же связь присоединяется и монооксид углерода, вступая с кислородом в «конкурентную борьбу» за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин.

Связь гемоглобина с монооксидом углерода более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с монооксидом углерода, не участвует в транспорте кислорода. В норме у человека образуется 1,2 % карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.

Гемоглобины могут различаться по белковой части. Различают физиологические и аномальные типы гемоглобинов.

Физиологические типы образуются на разных этапах нормального развития организма, а аномальные - вследствие нарушения последовательности аминокислот в белке глобине физиологических типов гемоглобина.

Физиологические типы гемоглобинов отличаются друг от друга набором полипептидных цепей или субъединиц, образующихся на разных этапах развития организма человека – от эмбрионального до взрослого состояния. Различаются следующие физиологические типы гемоглобинов:

а) примитивный НвР, появляется на самых ранних стадиях развития эмбриона (1 – 2 недели) Эмбриональный гемоглобин – тетрамер (2α ,2ε);

б) фетальный гемоглобин НвF НвF является главным типом гемоглобина плода и составляет к моменту рождения 70% всего гемоглобина – это тетрамер (2α, 2γ);

в) гемоглобин взрослого НвА, НвА₂, НвА₃ НвА появляется на более поздних стадиях развития плода, в крови взрослого человека примерно 95 – 96% НвА – это тетрамер (2α, 2β). Гемогловин А2 – тетрамер (2α, 2σ). Его содержание в эритроцитах взрослого человека равно 2%.

Кооперативные свойства

В легких после удаления угольной кислоты в виде СО2 из крови и одновременном увеличении концентрации кислорода, высвобождаются ионы протона из гемоглобина.

H-Hb+ O2 ó HbO2+ H (легкие ó ткань)

При изменении сродства гемоглобина к кислороду в тканях и легких происходит перестройки глобиновой части молекулы. В тканях ионы Н присоединяются к остаткам гистидина, образуя восстановленный гемоглобин (H-Hb) с низким сродством к O2. В легких поступающий кислород вытесняет ион водорода из связи с остатком гистидина гемоглобиновой молекулы.

Кооперативный эффект – В ходе оксигенации процесс присоединения кислорода возрастает.

молекулы кислорода в конце присоединяются в 500 раз быстрее.

2,3-БФГ образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного метаболита гликолиза, в реакциях, получивших название шунт Раппопорта. 

2,3-БФГ располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемоглобина и связывается с β-цепями, образуя поперечный солевой мостик между атомами кислорода 2,3-дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих β-цепей, также аминогруппами радикалов лизина и гистидина.

Функция 2,3-БФГ заключается в снижении сродства гемоглобина к кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при нехватке кислорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза.

Гемоглобинопатии.

Гемоглобинопатии – наследственные изменения структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина вследствие точечных мутаций генов. Известно около 300 вариантов HbA, имеющих в первичной структуре α- или β-цепи незначительные изменения. Некоторые из них практически не влияют на функции белка и здоровье человека, другие – вызывают значительные нарушения функции HbA и развитие заболеваний различной степени тяжести.

а) серповидноклеточная анемия – наследственное заболевание, обусловленное точечной мутацией гена, кодирующего структуру β-цепей гемоглобина. Поэтому в эритроцитах больных присутствует НЬS (в 6 положении вместо глутаминовой кислоты содержится валин).

б) талассемии – наследственное заболевание, обусловленное отсутствим или снижением синтеза α- и β-цепей гемоглобина. В ходе таких нарушений образуются тетрамеры гемоглобина, состоящие из одинаковых протомеров.

В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

· находящиеся на поверхности белка;

· участвующие в формировании активного центра;

· аминокислоты, замена которых нарушает трехмерную конформацию молекулы;

· аминокислоты, замена которых изменяет четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.