4. Гемоглобин, строение, свойства, биологическая роль.

Гемоглобин является сложным белком, хромопротеидом, состоящим из белка (глобина) и простетической группы — гема. Одна молекула гемоглобина содержит 4 гема. Гем представляет собой комплекс закисного железа с протопорфирином — сложным органическим соединением, принадлежащим очень важному классу веществ — порфиринам. Гемоблобины выполняют 2 важные функции:

• перенос О₂ из лёгких к периферическим тканям;

• участие в переносе СО₂ и протонов из периферических тканей в лёгкие для последующего выведения из организма.

Таким образом, олигомерный белок гемоглобин, в отличие от мономерного родственного белка миоглобина, способен присоединять к специфическим участкам 4 различных лиган-да: О₂, Н⁺, СО₂ и БФГ. Все эти лиганды присоединяются к пространственно разобщённым участкам, но конформационные изменения белка в месте присоединения одного лиганда передаются на весь олигомерный белок и изменяют сродство к нему других лигандов. Так, количество поступающего в ткани О₂ зависит не только от парциального давления О₂, но и концентрации аллостерических лигандов, что увеличивает возможность регуляции функций гемоглобина.

Как мы уже рассматривали выше, в капиллярах работающей мышцы увеличение концентрации СО₂ и Н⁺ уменьшает сродство гемоглобина к О₂ и увеличивает отдачу его в ткани. При длительной гипоксии усиливается синтез 2,3-БФГ в эритроцитах, что также снижает сродство гемоглобина к О² и при том же парциальном давлении О² увеличивает его транспорт в ткани.

Следовательно, благодаря воздействию регуляторных лигандов олигомерные белки способны приспосабливать свою конформацию и фунцию к изменениям, происходящим в окружающей среде.

5. Варианты первичной структуры гемоглобина человека. Гемогло­би­но­­­па­­тии.

Гемоглобины взрослого человека

В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.

• Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из 2 полипептидных цепей и 2 ? (2?2?).

• Гемоглобин A₂ находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2 ?- и 2 ?-цепей.

• Гемоглобин А_1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (так называемый гликозилированный гемоглобин).

Гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода:

• Эмбриональный гемоглобин синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Представляет собой тетрамер 2?2?. Через 2 нед после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться гемоглобин F, который к 6 мес замещает эмбриональный гемоглобин.

• Гемоглобин F - фетальный гемоглобин, синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2 ?- и 2 ?-цепей. После рождения ребёнка постепенно замещается на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода.

Гемоглобинопатии

Серповидноклеточная анемия - тяжёлое наследственное заболевание, обусловленное точечной мутацией гена, кодирующего структуру β-цепи гемоглобина (см. раздел 4). В результате в эритроцитах больных присутствует HbS, β-цепи которого в шестом положении вместо гидрофильной глутаминовой кислоты содержат гидрофобную аминокислоту валин. Появление гидрофобной аминокислоты недалеко от начала молекулы способствует возникновению нового центра связывания, поэтому при низком парциальном давлении кислорода тетрамеры дезокси-HbS ассоциируют, образуя длинные микротрубчатые образования, которые полимеризуются внутри эритроцитов. Полимеризация приводит к нарушению структуры эритроцитов, они приобретают серповидную форму и легко разрушаются. При этом заболевании отмечают анемию, прогрессирующую слабость, отставание в развитии и желтуху.

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. Нарушение эритропоэза и ускоренный гемолиз эритроцитов и клеток-предшественников при талассемиях приводит к анемии.

Наследственный сфероцитоз. Причиной этой патологии чаще всего является дефект белков цитоскелета эритроцитов - спектрина или ан-кирина, которые обеспечивают поддержание двояковогнутой формы клетки и эластичности мембраны. Эритроциты приобретают шарообразную форму, что приводит к уменьшению площади их поверхности и снижению скорости газообмена. Потеря эластичности клеточной мембраны приводит к повышению хрупкости и травматичности клеток и, как следствие, к ускорению их разрушения в сосудистом русле и селезёнке. Заболевание сопровождается анемией и желтухой. Удаление селезёнки (спленэктомия) при наследственном сфероцитозе улучшает состояние больных, так как предотвращает разрушение сфероцитов в селезёнке.

Мегалобластная (макроцитарная) анемия развивается при дефиците фолиевой кислоты или витамина В₁₂.

Фолиевая кислота в виде кофермента (Н₄-фолата) участвует в синтезе нуклеотидов. Недостаток фолиевой кислоты приводит к снижению скорости синтеза ДНК в быстроделящихся клетках, и в первую очередь в предшественниках эритроцитов. Клетки дольше пребывают в интерфазе, синтезируя гемоглобин, и становятся крупнее. Кроме того, из-за недостатка нуклеотидов они реже делятся, и количество эритроцитов снижается, а крупные мегалобласты быстрее разрушаются. Всё это в конечном итоге приводит к развитию анемии.

Аналогичная симптоматика развивается при недостатке в организме витамина В₁₂.

6. Схема связывания газов гемоглобином. Карбокси- и метгемоглобин.

 Реакцию оксигенации можно записать следующим образом:

НЬ+4O₂ ↔НЬ(O₂)₄.

Связывание гемоглобина с оксидом углерода (карбоксигемоглобин):

НЬ + СО ↔ НbСО.

Связывание СO_2:

Hb—NH₂ + СO₂ ↔ Hb—NHCOOH^– + Н⁺

Метгемоглобин (methemoglobin) - Форма гемоглобина (иногда обозначается как гемоглобин М), в геме которого железо окислено до трехвалентного; неспособен связывать кислород. Метгемоглобин образуется при метгемоглобинемиях. В норме его содержание в крови не превышает 3%.

7. Транспорт кровью кислорода и двуокиси углерода (схема).

8. Биосинтез гема (формулы, ферменты) и его регуляция.

Регуляторную реакцию синтеза гема катализирует пиридоксальзависимый фермент аминолевулинатсинтаза. Скорость реакции регулируется аллостерически и на уровне трансляции фермента.

Аллостерическим ингибитором и корепрессором синтеза аминолевулинатсинтазы является гем. В ретикулоцитах синтез этого фермента на этапе трансляции регулируетжелезо. Дефицит пиридоксальфосфата и лекарственные препараты, которые являются его структурными аналогами, снижают активность аминолевулинатсинтазы.