БИОХИМИЯ КРОВИ

Нормальные формы

Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина:

o HbF – фетальный гемоглобин, содержит 2α и 2γ-цепи, появляется через 12 недель внутриутробного развития и является основным после 3

месяцев,

o HbA – гемоглобин взрослых, доля составляет 98%, содержит 2α и 2β-

цепи, у плода появляется через 3 месяца жизни и к рождению составляет 80%

всего гемоглобина,

o HbA2 – гемоглобин взрослых, доля составляет 2%, содержит 2α и 2δ-

цепи,

o HbO2 – оксигемоглобин, образуется при связывании кислорода в легких, в легочных венах его 94-98% от всего количества гемоглобина,

o HbCO2 – карбогемоглобин, образуется при связывании углекислого газа в тканях, в венозной крови составляет 15-20% от всего количества гемоглобина.

Патологические формы гемоглобина

HbS – гемоглобин серповидно-клеточной анемии. При этом нарушении в ДНК в результате точковой мутации триплет ЦТТ заменен на триплет ЦАТ,

что влечет за собой включение в 6-м положении β-цепи вместо глутамата аминокислоты валина. Изменение свойств β-цепи влечет изменение свойств всей молекулы и формирование на поверхности гемоглобина "липкого"

участка. При дезоксигенации гемоглобина участок "раскрывается" и

связывает одну молекулу гемоглобина S с другими подобными. Результатом является полимеризация гемоглобиновых молекул и образование крупных белковых тяжей, вызывающих деформацию эритроцита и при прохождении капилляров гемолиз.

MetHb – метгемоглобин, форма гемоглобина, включающая трехвалентный ион железа вместо двухвалентного. Такая форма образуется спонтанно, но обычно ферментативных мощностей клетки хватает на его

восстановление. При использовании сульфаниламидов, употреблении нитрита натрия и нитратов пищевых продуктов, при недостаточности аскор-

биновой кислоты ускоряется переход Fe2+ в Fe3+. Образующийся metHb не способен связывать кислород и возникает гипоксия тканей. Для восстановления ионов железа в клинике используют аскорбиновую кислоту и метиленовую синь.

Hb-CO – карбоксигемоглобин, образуется при наличии СО (угарный газ) во вдыхаемом воздухе. Он постоянно присутствует в крови в малых концентрациях, но его доля может колебаться от условий и образа жизни.

HbA1С – гликированный гемоглобин. Концентрация его нарастает при хронической гипергликемии и является хорошим скрининговым показателем уровня глюкозы крови за длительный период времени.

Талассемии.

Талассемии - наследственные заболевания, обусловленные отсутствием или снижением скорости синтеза α- или β-цепей гемоглобина. В результате несбалансированного образования глобиновых цепей образуются тетрамеры гемоглобина, состоящие из одинаковых протомеров. Это приводит к нарушению основной функции гемоглобина - транспорту кислорода к тканям.

При β-талассемии не синтезируются β-цепи гемоглобина. Это вызывает образование нестабильных тетрамеров, содержащих только α-цепи.

При этом заболевании в костном мозге из-за преципитации нестабильных α-

цепей усиливается разрушение эритробластов, а ускорение разрушения эритроцитов в циркулирующей крови приводит к внутрисосудистому гемолизу. Как известно, для образования фетального гемоглобина β-цепи не требуются, поэтому клинически β-талассемия не проявляется до рождения,

после чего происходит переключение синтеза HbF на HbА.

В случае α-талассемии недостаток образования α-глобиновых цепей приводит к нарушению образования HbF у плода. Избыточные γ-цепи образуют тетрамеры, называемые гемоглобином Барта. Этот гемоглобин при

физиологических условиях имеет повышенное сродство к кислороду и не проявляет кооперативных взаимодействий между протомерами. В результате гемоглобин Барта не обеспечивает развивающийся плод необходимым количеством кислорода, что приводит к тяжёлой гипоксии.

При α-талассемии отмечают высокий процент внутриутробной гибели плода. Выжившие новорождённые при переключении с γ- на β-ген синтезируют β-тетрамеры или HbН, который, подобно гемоглобину Барта,

имеет слишком высокое сродство к кислороду, менее стабилен, чем HbА и быстро разрушается. Это ведёт к развитию у больных тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения.

Строение миоглобина. Отличие от гемоглобина

Миоглобин также как и гемоглобин относится к группе гемопротеинов,

является сложным белком, состоящим из белка глобина и простетической группы - гема. Однако, в отличие от гемоглобина является белком третичной структуры, состоит из 153 аминокислот с молекулярной массой 17 кДа и по структуре сходен с β-цепью гемоглобина. Белок локализован в мышечной ткани скелетных мышц и миокарда. Миоглобин обладает более высоким сродством к кислороду по сравнению с гемоглобином и его оксигенирование не подчиняется кооперативному аллостерическому эффекту.

Функции миоглобина:

1.Транспорт кислорода внутри мышечной клетки.

2.Депонирование кислорода в мышечной клетке и использование его только при значительном уменьшении парциального давления О2 в мышце

(до 1-2 мм рт.ст).

Биосинтез гема в организме человека: локализация, субстраты,

ферменты, этапы и регуляция.

Гем в составе гемоглобина синтезируется клетками костного мозга на

этапе преобразования эритробластов в ретикулоциты, а затем в эритроциты.

Локализация биосинтеза: гем синтезируется во всех клетках, но наиболее активно в печени и костном мозге. Эти ткани нуждаются в больших количествах гема, необходимого для образования гемоглобина и цитохромов.

Рис. Синтез гема

Ключевой реакцией синтеза порфиринов является реакция образования аминолевулиновой кислоты. Эту реакцию катализирует пиридоксальфосфат зависимый фермент митохондрий эритробластов 5-

аминоаминолевулинатсинтаза. Активность аминолевулинатсинтазы регулируется аллостерически и на уровне транскрипции гена фермента. Гем и гемоглобин являются аллостерическими ингибиторами и репрессорами синтеза аминолевулинатсинтазы. На этапе трансляции синтез аминолевулинатсинтазы регулирует и концентрация ионов железа.

Стероидные гормоны, эстрогены, прогестины и некоторые лекарственные препараты (барбитураты, диклофенак, сульфаниламиды) являются индукторами синтеза аминолевулинатсинтазы.

Транспорт гема осуществляется белком гемопексином (фракция β-

глобулина). Это предотвращает повреждение почечного фильтра прооксидантом Fe2+ и сохраняет гем и Fe2+ в организме.

В результате генетических дефектов или нарушения регуляции ферментов, участвующих в биосинтезе гема, развиваются порфирии.

Порфирии – это группа гетерогенных наследственных заболеваний,

возникающих в результате нарушения синтеза гема и повышения содержания порфиринов и их предшественников в организме.

Выделяют наследственные и приобретенные формы порфирии.

Приобретенные формы порфирий носят токсический характер и вызываются действием гексахлорбензола, солей свинца и других тяжелых металлов (ингибирование порфобилиногенсинтазы, феррохелатазы и др.),

лекарственными препаратами (антигрибковый антибиотик гризеофульфин).

При наследственных формах дефект фермента имеется во всех клетках организма, но проявляется только в одном типе клеток. Можно выделить две большие группы порфирий:

1. Печеночные – группа заболеваний с аутосомно-доминантными нарушениями ферментов различных этапов синтеза протопорфирина IX.

Наиболее ярким заболеванием этой группы является перемежающаяся острая порфирия, при которой у гетерозигот активность уропорфириноген-I-синтазы снижена на 50%.

Заболевание проявляется после достижения половой зрелости из-за повышенной потребности гепатоцитов в цитохроме Р450 для обезвреживания половых стероидов. Обострение состояния также часто бывает после приема лекарственных препаратов, метаболизм которых требует участия цитохрома Р450.

Потребление гема, необходимого для синтеза цитохрома Р450, и

снижение его концентрации активирует аминолевулинатсинтазу. В

результате больные экскретируют с мочой большие количества порфобилиногена и аминолевулиновой кислоты. На свету порфириноген окисляется в окрашенные порфобилин и порфирин, и это является причиной потемнения мочи при ее стоянии на свету при доступе воздуха. Симптомами являются острые боли в животе, запоры, сердечно-сосудистые нарушения,

нервно-психические расстройства.

2. Эритропоэтические – аутосомно-рецессивные нарушения некоторых ферментов синтеза протопорфирина IX в эритроидных клетках.

При этом смещается баланс реакций образования уропорфириногенов в сторону синтеза уропорфириногена I. Симптомы заболевания схожи с предыдущим, но дополнительно наблюдается светочувствительность кожи, обусловленная наличием уропорфириногенов, кроме этого отмечаются трещины на коже и гемолитические явления.

Связывание гемоглобина с кислородом (триггерный механизм),

кооперативный эффект. Кривая насыщения гемоглобина кислородом.

Дыхательная функция крови состоит в доставке кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким.

Кровь осуществляет дыхательную функцию прежде всего благодаря наличию в ней гемоглобина.

В тканях диффундирующий в кровь из клеток СО2 большей частью

(около 90%) попадает в эритроциты. Движущей силой этого процесса является быстрая, постоянно идущая реакция превращения его в угольную кислоту при участии фермента карбоангидразы. Угольная кислота диссоциирует и подкисляет содержимое эритроцита, что улучшает отдачу оксигемоглобином кислорода..

Одновременно с концевыми NH2-группами β-цепей гемоглобина связывается 10-12% карбонат-иона с образованием карбаминогемоглобина

(карбогемоглобин, H-HbCO2).

Hb-NH2 + CO2 → Hb-NH-COO– + H+

Остальные бикарбонаты выходят в плазму крови в обмен на ионы хлора (гипохлоремический сдвиг).

В легких в альвеолярном воздухе имеется высокая концентрация кислорода и относительно низкая концентрация углекислого газа. Поэтому идет высокоэффективная диффузия СО2 из плазмы через альвеолярные мембраны и его удаление с выдыхаемым воздухом. Далее происходит:

o уменьшение концентрации СО2 в плазме стимулирует его образование в карбоангидразной реакции внутри эритроцита и снижает в нем концентрацию иона HCO3– ,

o одновременно высокая концентрация кислорода вытесняет СО2 из комплекса с гемоглобином с образованием оксигемоглобина – более сильной кислоты, чем угольная,

o диссоциирующие от оксигемоглобина ионы Н+ нейтрализуют поступающий извне ион HCO3– с образованием угольной кислоты. После карбоангидразной реакции образуется СО2, который выводится наружу.

Триггерный механизм присоединения кислорода к гемоглобину

При оксигенации гемоглобина запускается механизм конформационных переходов, который заключается в изменении распределения электронов в Fe2+ по d-орбиталям и их спиновом состоянии,

что ведет к изменению ионного радиуса железа.

В молекуле дезоксигемоглобина из шести 3d электронов железа Fe(2+)

два электрона спарены на одной из низших d-орбиталей, а четыре электрона занимают оставшиеся d-орбитали, их спиновые моменты, согласно правилу Хунда, параллельны и суммарный спин S = 2. Железо находится над плоскостью порфиринового кольца.

Присоединение кислорода ведет к спариванию электронов на 3d

подуровне. Все шесть d-электронов спарены на трех низших d-орбиталях, S = 0, радиус уменьшается, и ион железа втягивается в плоскость порфиринового кольца.

Таким образом, связывание О2 с атомом Fe2+ вызывает его перемеще-

Как только первая гемсодержащая полипептидная субъединица свяжет молекулу кислорода, она передает информацию об этом остальным субъединицам, у которых сразу же резко повышается сродство к кислороду.

Такой обмен информацией между четырьмя гемсодержащими полипептидными субъединицами гемоглобина обусловлен кооперативным взаимодействием между субъединицами.

Кривая насыщения гемоглобина кислородом.

Для миоглобина и гемоглобина характерны разные кривые связывания кислорода Кривая насыщения миоглобина кислородом имеет вид простой гиперболы, а кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сигмовидную, т.е. S-образную, форму.