1 курс / Биохимия / Timin__Lektsii_po_biokhimii

o железо из депо (ферритин),

o затем в клетках (кроме эритроидных) снижается количество гемопротеинов до жизнеспособного минимума,

o далее истощаются запасы сывороточного железа (трансферрин), o в последнюю очередь страдает синтез гемоглобина.

Таким образом, железодефицитная анемия является проявлением крайнего дефици-

та железа и нормальная концентрация гемоглобина крови не должна быть критерием обеспеченности организма железом!

Дети, страдавшие железодефицитными анемиями в 4 месяца, и получившие их адекватную коррекцию, тем не менее, к 1 году отставали от сверстников в интеллектуальном развитии – IQ=94 балла, против 104 баллов в контроле, физическом развитии – 86 баллов против 96. В пятилетнем возрасте отставание еще сохранялось.

Причины

Причинами железодефицита являются недостаток его в пище, заболевания ЖКТ со снижением всасывания (гастриты), потери железа с кровью при менструальных, кишечных или иных кровотечениях. У новорожденных и грудных детей недостаток железа связан в первую очередь с недополучением его при внутриутробном развитии, и также в связи с ускоренным ростом в первый год жизни (физиологическая анемия).

Симптомы

Недостаточный синтез цитохромов, железосодержащих белков и нарушение доставки кислорода к тканям (при снижении содержания гемоглобина) вызывает ряд специфических и неспецифических симптомов:

o ухудшение внимания и памяти у детей и взрослых, o иногда детская гиперактивность,

o уплощение, неровность и ломкость ногтей, появление исчерченности, белых пятен и полосок на ногтях,

o выпадающий и секущийся волос,

o поражение эпителия, проявляющееся в сухости и трещинах кожи рук и ног,

o неинфекционный ларингофаринготрахеит (гиперемия и охриплость), что дезориентирует врача,

oмышечная слабость:

-общая утомляемость,

-недостаточное сокращение сфинктеров мочевого пузыря, при этом характерным признаком является выделение нескольких капель мочи при резком кашле, смехе, чихании,

-недостаточное сокращение сфинктеров пищевода, что позволяет забрасываться соляной кислоте в пищевод и вызывать изжогу,

o атрофический гастрит – может быть как причиной, так и следствием железодефицита,

половина больных гастритом имеет недостаток железа,

o обострение ИБС и других сердечно-сосудистых заболеваний, так как усиливает гипоэнергетическое состояние клеток (снижение содержания цитохромов в миокардиоцитах),

o извращение обонятельных предпочтений – нравится запах краски, бензина, выхлопных газов, резины, мочи,

o извращение вкусовых предпочтений – больные едят мел, штукатурку, уголь, песок, мясной фарш, лед.

ГЕМОПРОТЕИНЫ. ОБМЕН ГЕМА

Гемопротеины являются подвидом хромопротеинов и подразделяются на неферментативные белки и ферменты:

o гемоглобин (82% общего количества гема организма) локализован в эритроцитах и клетках костного мозга,

o миоглобин скелетных мышц и миокарда (17%),

oферменты дыхательной цепи, P450, цитохромоксидаза, гомогентизатоксидаза, пероксидаза, миелопероксидаза, каталаза, тиреопероксидаза и т.д. – менее 1%.

С Т Р О Е Н И Е И С И Н ТЕ З Г Е М А

Гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями эритроцитов.

Синтез гема в основном идет в предшественниках эритроцитов, в клетках печени, почек, слизистой кишечника, в меньшем количестве в остальных тканях.

Первая реакция синтеза с участием-аминолевулинат-синтазы ( - греч. "дельта") происхо-

дит в митохондриях.

Следующая реакция при участии аминолевулинатдегидратазы протекает в цитозоле.

После синтеза порфобилиногена четыре его молекулы конденсируются в тетрапиррол. Различают два вида тетрапирролов – уропорфириноген типа I и уропорфириноген типа III. В синтезе обоих видов порфиринов принимает участие уропорфириноген I – синтаза, в образования уропорфириногена III дополнительно принимает участие фермент уропорфирино-

ген III – косинтаза.

Далее уропорфириногены превращаются в соответствующие копропорфириногены. Копропорфириноген III переходит в протопорфириноген IX и далее в протопорфирин IX. Последний после связывания с железом образует гем, реакцию катализирует феррохелатаза

(гемсинтаза).

Р Е Г У Л Я Ц И Я С И Н Т Е З А Г Е М А

Скорость синтеза глобиновых цепей зависит от наличия гема, он ускоряет биосинтез "своих" белков.

Основным регуляторным ферментом синтеза гема является аминолевулинатсинтаза. Гем после взаимодействия с молекулой белка-репрессора формирует активный репрессорный комплекс, связывается с ДНК и подавляет транскрипцию, мРНК для фермента не образуется и синтез фермента прекращается. Также имеется отрицательный аллостерический эффект гема на фермент.

С другой стороны, достаточное количество ионов железа оказывает положительный эффект при синтезе молекулы аминолевулинатсинтазы. В клетке имеется особый железосвязывающий белок, который в отсутствии ионов железа обладает сродством к мРНК фермента и блокирует ее трансляцию в рибосоме, т.е. синтез белковой цепи. Ионы железа связываются с этим железосвязывающим белком, образуя с ним неактивный комплекс.

Положительным модулятором этого же фермента служит гипоксия тканей, которая в эритропоэтических тканях индуцирует синтез фермента.

В печени повышение активности аминолевулинатсинтазы вызывают соединения, усиливающие работу микросомальной системы окисления (жирорастворимые токсины, стероиды) – при этом возрастает потребление гема для образования цитохрома Р450, что снижает внутриклеточную концентрацию свободного гема. В результате происходит дерепрессия синтеза фермента.

М И О Г Л О Б И Н

Миоглобин является одиночной полипептидной цепью, состоит из 153 аминокислот с молекулярной массой 17 кДа и по структуре сходен с β-цепью гемоглобина. Белок локализован в мышечной ткани. Мио-

глобин обладает более высоким сродством к кисло-

роду по сравнению с гемоглобином. Это свойство обуславливает функцию миоглобина – депонирование кислорода в мышечной клетке и использование его только при значительном уменьшении парциального давления О2 в мышце (до 1-2 мм рт.ст).

Кривые насыщения кислородом показывают отличия миоглобина и гемоглобина:

o одно и то же 50%-е насыщение достигается при совершенно разных концентрациях кислорода – около 26 мм рт.ст. для гемоглобина и 5 мм рт.ст. для миоглобина,

o при физиологическом парциальном давлении кислорода от 26 до 40 мм рт.ст. гемоглобин насыщен на 50-80%, тогда как миоглобин – почти на 100%.

Таким образом, миоглобин остается оксигенированным до того момента, пока количество кислорода в клетке не снизится до предельных

величин. Только после этого начинается отдача кислорода для реакций метаболизма.

ГЕ М О Г Л О Б И Н

СТ Р О Е Н И Е Г Е М О Г Л О Б И Н А

Гемоглобин представляет собой белок, включающий 4 гемсодержащие белковые субъединицы. Протомеры соединяются друг с другом благодаря образованию гидрофобных, ионных, водородных связей. При этом они взаимодействуют не произвольно, а определенным участком – контактной поверхностью. Этот процесс высокоспецифичен, контакт происходит одновременно в десятках точек по принципу комплементарности. Взаимодействие осуществляют разноименно заряженные группы, гидрофобные участки, неровности на поверхности белка.

Белковые субъединицы в нормальном гемо-

глобине могут быть представлены различными типами полипептидных цепей: α ("альфа"), β ("бета"), ε ("'эпсилон"), ("гамма"), ("дельта"), ("кси"). В состав молекулы гемоглобина входят по две цепи двух разных типов.

Гем соединяется с белковой субъединицей, вопервых, через остаток гистидина координационной связью железа, во-вторых, через гидрофобные связи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот. Гем располагается как бы "в кармане" своей цепи и формируется гемсодержащий протомер.

НО Р М А Л Ь Н Ы Е И П А Т О Л О Г И Ч Е С К И Е

ФО Р М Ы Г Е М О Г Л О Б И Н А

Нормальные формы

Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина:

o HbР – примитивный гемоглобин, содержит 2 - и 2 -цепи, встречается в эмбрионе между 7-12 неделями жизни,

o HbF – фетальный гемоглобин, содержит 2α- и 2 -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 2 -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

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 обычно образуется спонтанно, в этом случае ферментативных мощностей клетки хватает на его восстановление. При использовании сульфаниламидов, употреблении нитрита натрия и нитратов пищевых продуктов, при недостаточности аскорбиновой 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.

Если у горожан доля Hb-CO составляет около 2%, то у курильщиков – до 10% от всего гемоглобина. Опасность наличия такой формы заключается в увеличенном в 200 раз сродстве гемоглобина к угарному газу по сравнению с O2.

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

РЕ Г У Л Я Ц И Я П Р И С О Е Д И Н Е Н И Я К И С Л О Р О Д А

КГ Е М О Г Л О Б И Н У

Изменение рН среды

Влияние рН на сродство гемоглобина к кислороду носит название эффекта Бора. При закислении среды сродство снижается, при защелачивании – повышается.

При повышении концентрации протонов (закисление среды) в тканях возрастает освобождение кислорода из оксигемоглобина, в легких после удаления угольной кислоты (в виде СО2) из крови и одновременном увеличении концентрации кислорода высвобождаются ионы Н+ из гемоглобина.

Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином упрощенно имеет вид:

H-Hb + O2  HbO2 + H+

конформацию второй субъединицы, облегчая присоединение последующих молекул кислорода и изменение других протомеров.

Роль 2,3-дифосфоглицерата

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

При снижении концентрации кислорода в эритроцитах повышается содержание 2,3-дифосфоглицерата. Он 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, аминогруппами радикалов лизина и гистидина.

Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродства гемоглобина к кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при длительной 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.

Н А Р У Ш Е Н И Е С И Н Т Е З А Г Е М О Г Л О Б И Н А

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 актив-

ность уропорфириноген-I-синтазы снижена на 50%.

Заболевание проявляется после достижения половой зрелости из-за повышенной по-

требности гепатоцитов в цитохроме Р450 для обезвреживания половых стероидов, обострение состояния также часто бывает после приема лекарственных препаратов, метаболизм которых

требует участия цитохрома Р450. Потребление и снижение концентрации гема, необходимого для синтеза цитохрома Р450, 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.

ТАЛАССЕМИИ

Для талассемий характерно снижение синтеза α-цепей гемоглобина (α-талассемия) или β-цепей (β-талассемия). Это приводит к нарушению эритропоэза, гемолизу и тяжелым анемиям.

ДЫ Х АТ Е Л Ь Н АЯ Ф У Н К Ц И Я К Р О В И

Втканях диффундирующий в кровь из клеток СО2 большей частью (около 90%) попадает в эритроциты. Движущей силой этого процесса является быстрая, постоянно идущая ре-

акция превращения его в угольную кислоту при участии фермента карбоангидразы. Угольная кислота диссоциирует и подкисляет содержимое эритроцита, что улучшает отдачу оксигемоглобином кислорода (см выше "Эффект Бора").

Одновременно с концевыми NH2-группами -цепей гемоглобина связывается 10-12% карбонат-иона с образованием карбаминогемоглобина (H-HbCO2).

Hb-NH2 + CO2 → Hb-NH-COO– + H+

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

Влегочных капиллярах имеется относительно низкая концентрация углекислого газа

вальвеолярном воздухе:

o поэтому происходит высокоэффективная диффузия СО2 из плазмы через альвеолярные мембраны и его удаление с выдыхаемым воздухом,

o уменьшение концентрации СО2 в плазме стимулирует его образование в карбоангидразной реакции внутри эритроцита и снижает здесь 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.

К АТ АБ О Л И З М Г Е М А

За сутки у человека распадается около 9 г гемопротеинов, в основном это гемоглобин эритроцитов. Эритроциты живут 90-120 дней, после чего лизируются в кровеносном русле или в селезенке.

При разрушении эритроцитов в кровяном русле высвобождаемый гемоглобин образует комплекс с белком-переносчиком гаптоглобином (фракция α2-глобулинов крови) и переносится в клетки ретикуло-эндотелиальной системы селезенки (главным образом), печени и костного мозга.