Лекция по крови №3

Лекция. Гемоглобин Гемоглобин (Г) – сложный белок, который относят к гемопротеидам.

– содержат в качестве небелкового компонента Гем.

Гемциклический тетрапиролл (или протопорфирин), содержащий 1 атом железа.

Тетрапиррол состоит из 4 молекул пиррола, соединённых метиленовыми мостиками с образованием кольцевой сопряжённой (чередование = и – связей) структуры. В центре плоского кольца протопорфирина находится один атом Fe в ферро состоянии (Fe2+).

Гемоглобин

Нв А- основной гемоглобин взрослого человека имеет 2-L цепи (141 ак) и

2-B цепи (146 ак), т.е. 4 субъединицы, являясь олигомерным белком. В молекуле Гемоглобина 4 гема, т.е. 4 участка связывания О2.

1. Конфигурация ППЦ в Г. Предназначена для акцептирования и транспорта

О2.

Г- акцептирует и транспортирует О2.

2.Гемоглобин имеет четыре уровня структурной организации. Четвертый уровень структурной организации приводит к появлению новых свойств.

3.Это свойство: регуляция специфическими компонентами внутренней среды (H+, СО2, 2-3 ДФГ).

Эти компоненты связываются с Г не в области гема, а в других

(«аллостерических») участках белка, и влияют на способность Г связывать О2.

Это аллостерическое взаимодействие и Г-аллостерический белок. Следствием этого являются аллостерические эффекты (их 3): -кооперативное связывание О2 с Г.

-эффект Бора -влияние 2-3 ДФГ на сродство Г к О2.

Белковая часть содержит 10 участков, из которых 8 спирализованы, а 2 нет. Спирализованные участки обозначаются латинскими буквами от А до Н.

А В С D E F G H

Внутренняя часть глобулы содержит лишь неполярные гидрофобные R (ост) а.к., и поэтому защищена от взаимодействия с H2O/

Во внутренней части имеется 2 поляризованных R гистидина.

1. В местах изгибов цепи М- 4 остатка пролина.

2. Плоское кольцо гема лежит в гидрофобном кармане миоглобина.

Атом Fe2+ имеет 6-координационных связей:

4 с атомами N-4* пиррольных колец в одной плоскости. 5 с белковой частью ч/з проксимальный гис F-8.

6 для О2.

Вблизи 6-й коорд. Связи расположен дист. гис Е-7.

Он не соединён с гемом, но близкое его расположение обусловливает угловое присоединение молекул О2.

О2 – занимает угловое присоединение (L=1210)

Е7 обеспечивает угловое присоединение О2, но с гемом не соединяется.

3.Атом Fe2+ имеет различное расположение относительно плоскости гема: В неоксигенированном гемоглобине (без О2) ат Fe2+ выступает из плоскости гема на 0,3 А0 в сторону проксимального гист F8.

В оксигенированном гемоглобине О2 занимает 6-ое положение и атом Fe2+ подтягивается к плоскости гема на 0,2 А0, а за ним тянется прокс. гис F8 и полипептидная цепь.

Таким образом гем не является жёсткой структурой и белковая глобула может принимать новую конформацию.

4.Полипептидное окружение гема обеспечивает обратимость оксигенирования (связыв с О2) и нечувствительность к окислению.

Типы гемоглобинов

HbAгемоглобин взрослого человека

Hb CO-карбоксигемоглобин (гемоглобин легко соединяется с СО и более прочно с ним связывается чем с О2. Из-за высокого сродства к СО гемоглобин теряет способность связывать О2 и наступает смерть от недостаточного снабжения тканей кислородом. Однако повышение

парциального давления О2 во вдыхаемом воздухе приводит к частичному вытеснению СО из гемоглобина.

При отравлении оксидами азота, парами нитробензола часть гемоглобина переходит в метгемоглобин. Мет Hb-метгемоглобин содержит Fe3+, и теряет способность связывать O2, у него отсутствуют аллостерические эффекты. При этом смерть наступает от недостатка кислорода. Если вовремя повысить парциально давление кислорода (вдыхание чистого кислорода), то больного можно вывести из опасного состояния. У метгемоглобина отсутствует эффект Бора отсутствует.

HbFфетальный гемоглобин, имеет более высокое сродство к О2. Фетальный гемоглобин (гемоглобин новорожденных) состоит из двух α и двух γ цепей.

Смена типов гемоглобина в онтогенезе:

Кровь новорожденного ребенка содержит до 80% из фетального гемоглобина (HbF), но к концу первого года жизни она почти целиком заменяется на гемоглобин взрослого человека (HbA). Однако, в крови взрослого человека может содержаться до 1,5% фетального гемоглобина от общего количества гемоглобина.

Также у человека может встречаться несколько сотен мутантных гемоглобинов, например HbS-гемоглобин при серповидно-клеточной анемии (имеет форму серпа).

Кооперативное связывание Г с О2.

В Г. присоединение О2 к первому гему облегчает присоединение О2 к 3-м другим гемам той же молекулы (в лёгких при высоком pO2) и обратный процесс: отщепление О2 от 1-го гема, облегчает отщепление О2 от остальных (в тканевых капиллярах при низком рО2 )

Механизм кооперативного эффекта

Рассмотрим 2 формы Г:

Оксигенированную и дезоксигенированную.

Таким образом, присоединение мол О2 к первому гему вызывает конформационные изменения во всей молекуле, и облегчает присоединение последующих молекул О2 , т. к. затраты энергии на разрыв связи уменьшаются. При переходе Т-формы в R-форму сродство к О2 – увеличивается в 300 раз!

Структура полностью оксигенированного Г не содержит ни одной пары солевых мостиков. Она подвижна и очень легко присоединяет и отдаёт О2.

Графически выразим характер кривой насыщения Г О2

Кривая насыщения для Нв носит S- образный характер, т. к. Г обладает аллостерическими эффектами.

Миоглобин не обладает аллостерическими эффектами, и поэтому кривая носит характер гиперболы.

Гемоглобинопатии

Болезни гемоглобинов называют гемоглобинозами. Их насчитывают более 200 видов. Принято делить их на гемоглобинопатии и талассемии. В основе гемоглобинопатий лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина. Примером гемоглобинопатии является серповидно-клеточная анемия. При этом заболевании в β цепи 6-ом положении глутаминовая аминокислота заменяется на валин, в результате гемоглобин приобретает форму серпа и не способен связывать кислород. Талассемии характеризуются снижением скорости синтеза α-цепи гемоглобина (α талассемии) или β-цепей (β талассемии). Это приводит к анемии, которая может принимать очень тяжелую форму.

Дыхательная функция крови:

1.Эффект Бора.

-это влияние величины рН (или конц {Н+ } ) и конц СО2 на связывание O2 гемоглобином.

Г связывает с одной стороны О2, а с другой Н+ и Со2.

Между этими процессами существует обратимая зависимость.

! Если рО2 велико (около 100 мм рт ст), как в лёгких, Г связыв О2, освобождая Н+ и Со2.

! Если рО2 низкое (около 40 мм рт ст ), как в тканевых капиллярах, Г отдаёт О2 и связывает Н+ и Со2.

Двуокись углевода (СО2) образуется ежесуточно в большом количестве в периферических тканях, реагирует с Н2О образуя угольную кислоту (Н2 СО3), которая диссоциирует на бикарбонат ион Н СО3- и ион Н+

связывает 2Н+ на каждые 4 освободившиеся молекулы О2.

Связывание Н+ происходит в Rах –гистидина ( концевых) в В-цепях. Протонирование Нв и связывание его с СО2 способствует стабилизации Т- формы и уменьшению сродства Нв к О2.

Гемоглобин присоединивший 2Н+ и СО2 называется карбаминогемоглобин (он же Т-форма).

В лёгких: наоборот, связывание О2, при высоком рО2 способствует высвобождению Н+ и выдыханию СО2.

В первой ткани в процессе катаболизма из ЦТК выделяется СО2

2.Влияние 2-3 ДФГ(БФГ) на сродство Hb к O2

2-3 ДФГ вырабатывается в эритроцитах при анаэробном гликолизе. Он является аллостерическим регулятором гемоглобина, и легко присоединяется к нему в аллостерическом центре (в соотношении 1:1), который содержит NH3-группы лизина и гистидина. Образуются дополнительные ионные (или солевые или электростатические) связи к 8 уже имеющимся.

2-3 ДФГ присоединяется уже к дезоксигинированному гемоглобину (Т- форме).

При этом Т-форма еще более ужесточается (стабилизируется), и сродство к О2 снижается. Hb уже не способен обратно захватывать О2. Доставка О2 в ткани увеличивается. В легких высокое рО2 приводит к оксигенированию гемоглобина. Разрыв ионных связей сопровождается расслаблением белковой молекулы, уменьшением центральной полости, и высвобождением 2-3 ДФГ.

Hb F- гемоглобин плода.

в отличие от HbA взрослого человека обладает более высоким сродством к O2 т.к в меньшей степени связывает 2-3ДФГ. У HbF в аллостерическом центре связывания не гистидин, а серин. HbF хуже отдает O2, чем HbA.

Буферные системы крови. Нарушения кислотно-основного равновесия

Бикарбонатная (гидрокарбонатная) БС – мощная система плазмы крови,

составляющая примерно 10% от её общей буферной ёмкости. В норме соотношение компонентов (гидрокарбонат-анион / угольная кислота) равно

20.

Н2СО3

НСО3-(+Na+)

Механизм действия бикарбонатной БС в организме аналогичен таковому ацетатной БС, с той лишь разницей, что при увеличении концентрации угольной кислоты, она интенсивно разлагается под действием фермента

карбоангидразы:

Н2СО3 ↔ Н2О + СО2↑.

Образующийся при этом углекислый газ удаляется с выдыхаемым воздухом. Фосфатная БС. Образована двумя ионами: гидро- и дигидрофосфат-

анионами. Н2РО4- НРО42-

Первый из них выполняет роль соли, второй – слабой кислоты. На долю фосфатной БС приходится примерно 1% буферной ёмкости крови. Механизм её действия аналогичен описанному выше.

Белковая БС имеет меньшее значение в поддержании рН. Благодаря амфотерным свойствам белков, состав белковой БС условно можно представить, как белок-кислоту (НООС–Pr–NH3+) и белок-основание (-ООС– Pr–NH2), где Pr – протеин (белок). При добавлении в систему протонов они последовательно будут связываться с оснόвными группами:

-ООС–Pr–NH2 + Н+ → -ООС–Pr–NH3+, -ООС–Pr–NH3+ + Н+ → НООС–Pr–NH3+.

При добавлении в систему гидроксид-ионов они последовательно будут нейтрализоваться протонами, отщепляющимися от кислотных групп:

НООС–Pr–NH3+ + ОН- → -ООС–Pr–NH3+ + Н2О, -ООС–Pr–NH3+ + ОН- → -ООС–Pr–NH2 + Н2О.

Гемоглобиновая БС – самая мощная в организме. Она действует в эритроцитах, обеспечивая примерно 75% буферной ёмкости крови. Она состоит из 2 сопряжённых кислотно-основных пар:

HHb иH++HbO2- K+ +Hb-

где HHb – дезоксигемоглобин, K+ + Hb- - его калиевая соль; H++ HbO2- - оксигемоглобин, являющийся более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин, а K++HbO2- - калиевая соль оксигемоглобина. Действует гемоглобиновая БС согласованно в периферических тканях и лёгких. В лёгочных капиллярах при высоком парциальном напряжении кислорода гемоглобин на 98% насыщается кислородом, образуя оксигемоглобин. Оксигемоглобин как более сильная кислота, чем угольная, вытесняет её из гидрокабонат-аниона, поступающего из периферических тканей. Выделившаяся угольная кислота под действием фермента карбоангидразы разлагается на воду и углекислый газ, удаляемый с выдыхаемым воздухом:

вкапилярах: HHb +О2 → HHbO2 (высокое парциальное напряжение)

HHbO2 + КНСО3 → KHbO2 + Н2СО3

(выдох: Н2СО3 →Н2О + СО2↑ фермента карбоангидраза)

В капиллярах периферических тканей, при низком парциальном напряжении кислорода последний освобождается и используется в процессах биологического окисления. Дезоксигемоглобин, будучи более слабой кислотой, чем угольная, образует молекулярную форму:

втканях: KHbO2→ KHb + О2 (низкое парциальное напряжение)

KHb + Н2СО3 = HHb + КНСО3;

Н2О (ЦПЭ) + СО2 (ЦТК) = Н2СО3 = H++ НСО3 -