12.2.2. Похідні гемоглобіну. Молекула гемоглобіну, взаємодіючи з різними лігандами, утворює похідні (рис. 12.2).

Рис.12.2. Схема утворення похідних гемоглобіну

Оксигемоглобін (HbО₂) – сполука гемоглобіну з киснем. У ньому кисень, крім заліза, зв’язується слабким зв’язком з залишком другого гістидину молекули глобіну (рис. 12.1). Такий зв'язок легко руйнується сумішшю ацетону та хлоридної кислоти з утворенням денатурованого глобіну, який випадає в осад, та гему, в якому залізо окиснюється до тривалентного.

Метгемоглобін (МеtHb) містить іон Fе³⁺. У молекулі метгемоглобіну кисень замінений групою ОН^-, тому метгемоглобін не може слугувати носієм кисню. У крові дорослої людини завжди є невелика кількість метгемоглобіну (0,3 - 3 г/л), однак його концентрація за умов норми не повинна перевищувати 20 г/л. За такої концентрації метгемоглобін відіграє захисну роль. Зокрема, (знешкоджує) ціаніди, перетворюючи їх на порівняно нешкідливий ціанметгемоглобін. Весь метгемоглобін крові людини може зв'язати до 1/3 смертельної дози ціанистих отрут (від 10 до 20 мг). Тому для лікування отруєнь ціанідами застосовують метгемоглобіноутворювачі (нітрит натрію).

Крім того, метгемоглобін знешкоджує гідрогенсульфід, масляну кислоту та інші речовини; проявляє більш виражену пероксидазну дію порівняно з гемоглобіном. Значення цього процесу полягає не тільки в руйнуванні токсичних для організму перекисів, але і в тому, що метгемоглобін при цьому відновлюється в гемоглобін.

Властивість відновлювати метгемоглобін має також аскорбінова кислота і глутатіон. В еритроцитах існує спеціальна ферментна система: НАДФН₂-залежна метгемоглобінредуктаза (діафораза), яка каталізує відновлення метгемоглобіну на гемоглобін:

Патологічні метгемоглобінемії можуть бути природженими (первинними) і набутими (вторинними). Перші зумовлені, головним чином, атиповою будовою гемоглобіну (HbМ) або дефектами ферментних систем, що беруть участь у відновленні метгемоглобіну в гемоглобін. Набуті метгемоглобінемії виникають при отруєнні різними хімічними сполуками. Метгемоглобін має темніше забарвлення порівняно з гемоглобіном, тому при надмірній його концентрації в крові з'являється ціанотичне забарвлення шкіри.

Карбоксигемоглобін (HbCO) утворюється при отруєнні монооксидом вуглецю (чадним газом). Оскільки спорідненість монооксиду вуглецю до гемоглобіну значно вища, ніж у кисню (приблизно в 300 разів), то навіть при невеликих концентраціях його в крові він швидко сполучається з гемоглобіном. Так, при концентрації СО в повітрі 0,07 %, а О₂ - 21 % вже 50 % гемоглобіну перетворюється на карбоксигемоглобін, а при наявності в повітрі 1 % СО фактично весь гемоглобін перетворюється на карбоксигемоглобін. Токсична дія моноксиду вуглецю виявляється при концентраціях його 0,11 мг/л. Моноксид вуглецю може сполучатися як з гемоглобіном, так і з оксигемоглобіном, в останньому випадку кисень витісняється.

Карбгемоглобін (HbCO₂) – сполука гемоглобіну з СО₂. Проте СО₂ приєднується не до гему, а до NH₂-груп глобіну: НbNH₂ + СО₂ → НbNНСОО^- + H⁺. Дезоксигемоглобін зв'язує СО₂ значно швидше, ніж оксигемоглобін. Шляхом утворення карбгемоглобіну виводиться 10 - 15 % СО₂ з організму.

Сульфогемоглобін (HbSO) утворюється під час взаємодії оксигемоглобіну з сіркою або гідрогенсульфідом. Поява сульфогемоглобіну є наслідком тривалого зловживання медикаментами (наприклад, фенацетину) і називається сульфогемоглобінемією.

12.2.3. Механізм зв’язування гемоглобіном кисню. Як вже зазначалося, основна функція гемоглобіну полягає в зв’язуванні кисню та перенесенні його від легенів до тканин. Еритроцит містить біля 400 млн молекул гемоглобіну, кожна з яких може зв’язати 4 молекули О_2, тобто по одній на субодиницю. Процес приєднання гемоглобіну до кисню називають оксигенацією.

Перша молекула О₂ приєднується до α₁-субодиниці гему (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Схема зв’язування кисню із гемоглобіном: послідовне приєднання до гему кисню і розрив іонних зв’язків між однаковими субодиницями

При цьому два іонні зв'язки α₁ – α₂ розриваються, що дає можливість іншим гемам прийняти вигідне положення для приєднання кисню. Третя молекула О₂ приєднується до β₁-субодиниці. Один із іонних зв'язків β₁-β₂ розривається, тим самим полегшує доступ кисню до останнього атома заліза β₂-субодиниці гему. При цьому розривається останній іонний зв’язок β₁ - β_2. Найважче приєднується перша молекула кисню, а кожна наступна все легше (наприклад, четверта (остання) малекула кисню звя'зується у 300 разів швидше, ніж перша).

Зміна конформації всіх протомерів олігомерного білка при приєднанні ліганда лише до одного з них називається кооперативними змінами конформації протомерів і має важливе фізіологічне значення. Оксигемоглобін звільняється від кисню всього на 80 % при чотирикратному перепаді парціального тиску кисню з 10,6 до 2,6 кПа. Якби геми працювали автономно, то таке звільнення гемоглобіну від кисню вимагало б 90-кратного перепаду тиску. Оскільки це не можливо, то основна частина кисню не могла б відірватися від гемоглобіну і використовуватися тканинами. Людина задихнулася б навіть в атмосфері чистого кисню.

М

Рис. 12.4. Залежність ступеня оксигенації (% від максимального) від парціального тиску О₂ для гемоглобіну (ІІ) та для міоглобіну(І)

аючи здатність приєднувати молекулу О₂ при його високому парціальному тиску і віддавати — при низькому, тим самим молекула гемоглобіну виконує свою основну фізіологічну функцію транспортера кисню. Ефективність цього процесу відображає крива дисоціації оксигемоглобіну (характеризує ступінь насичення гемоглобіну киснем залежно від парціального тиску кисню, СО₂, концентрації протонів (рН) крові та її температури), а також киснева ємність (максимальна кількість кисню, яку може зв'язати кров).

Крива зв'язування гемоглобіном кисню та, відповідно, дисоціації оксигемоглобіну, має S-подібну форму, що свідчить про кооперативний характер процесу, оскільки приєднання молекули О₂ до першої субодиниці гемоглобіну внаслідок конформаційних змін, що відбуваються, підвищує здатність гемопротеїну до взаємодії з наступними трьома молекулами кисню (рис. 12.4). У капілярах м’язів у стані спокою тиск О₂ становить ~ 40 мм рт.ст. і більша частина кисню повертається назад у легені в складі оксигемоглобіну. При фізичному навантаженні тиск О₂ у капілярах м’язів падає до 10 – 20 мм рт.ст., тому саме в цій ділянці ( від 10 до 40 мм рт.ст.) розташовується «опукла частина» S-подібної кривої, де найбільшою мірою виражена кооперативна робота протомерів.

Завдяки своїй унікальній структурі міоглобін здатний приєднувати вивільнений гемоглобіном О₂, накопичувати в клітинах і віддавати при потребі. Він має високу спорідненість до кисню, тому навіть при парціальному тиску 1 – 2 мм рт.ст. міоглобін залишається зв’язаним з киснем на 50 %.

На відміну від міоглобіну, гемоглобін має значну нижчу спорідненість з киснем, ступінь його оксигенації (утворення НbО₂) залежить від низки чинників: парціального тиску кисню; значення рН; концентрації діоксиду вуглецю; концентрації 2,3-дифосфогліцерату.

Зазначимо також, що вивільненню кисню з оксигемоглобіну в периферичних тканинах значною мірою сприяє градієнт його парціального тиску в напрямку альвеоли (100 мм. рт. ст.) → артеріальна кров (90 мм.рт.ст.) → венозна кров (40 мм.рт.ст.) → мітохондрії клітин (0-5 мм.рт.ст.). Використання кисню в цитохромоксидазній реакції створює в мітохондріях "кисневий вакуум", завдяки якому в клітини дифундує кисень з еритроцитів.

12.2.4. Механізми транспорту діоксиду вуглецю від тканин до легенів. Крім транспорту молекул О₂ від легенів до капілярів периферичних тканин, гемоглобін відіграє також суттєву роль у перенесенні від тканин до легенів СО₂, який утворюється в клітинах у реакціях декарбоксилювання. У організмі людини, що не виконує фізичної роботи (стан спокою), від тканин до легенів кожну хвилину переноситься приблизно 180 мл вуглекислого газу. В організмі існує декілька механізмів перенесення СО₂ від тканин до легенів. Частина його переноситься у розчиненому вигляді. Деяка кількість СО₂ може переноситися у вигляді карбамінової форми. Виявилось, що СО₂ може приєднуватися до гемоглобіну за допомогою карбамінового зв'язку, утворюючи карбгемоглобін або карбаміногемоглобін.

R – NH₂ + CO₂ → R – NHCOO^- + H⁺

Гемоглобін Карбгемоглобін

Карбгемоглобін – дуже нестійка сполука, яка надзвичайно швидко дисоціює в легеневих капілярах з відщепленням СО₂.

Кількість карбамінової форми невелика: у артеріальній крові становить 3 об %, у венозній - 3,8 об %. У вигляді карбамінової форми з тканини до легенів переноситься від 3 до 10 % всього вуглекислого газу, що поступає з тканин в кров. Основна кількість СО₂ транспортується з кров'ю до легенів у формі бікарбонату (понад 80 % від всієї кількості вуглекислого газу), при цьому найважливішу роль відіграє гемоглобін еритроцитів.

Діоксид вуглецю, що надходить у кров, транспортується в еритроцити. Там під впливом карбоангідрази відбувається утворення карбонатної кислоти (Н₂СО₃), яка може дисоціювати на Н⁺ та НСО₃^-. надлишок водневих іонів зв'язується з гемоглобіном, що віддав кисень, а аніони НСО₃ виходять з еритроцита в плазму:

КНb + Н₂СО₃ → К⁺ + НСО₃^- + ННb

В обмін на ці іони в еритроцит поступають аніони хлору, тоді як натрій - інший складовий елемент хлориду натрію, що міститься в крові, залишається в плазмі. У результаті в плазмі крові підвищується вміст бікарбонату натрію. Цей процес сприяє відновленню лужного резерву крові, тобто бікарбонатна буферна система знаходиться в досить тісних функціональних зв'язках з буферною системою еритроцитів.

Приєднання трьох пар протонів до гемоглобіну зменшує його спорідненість до кисню та посилює транспорт О₂ у тканини, які його потребують. Збільшення вивільнення О₂ гемоглобіном у залежності від концентрації Н⁺ називають ефектом Бора (Х.Бор – фізіолог, який відкрив це явище). У капілярах легенів високий парціальний тиск О₂ спричинює оксигенацію гемоглобіну та видалення 6 протонів. Отже збільшення концентрації протонів у середовищі знижує спорідненість О₂ до гемоглобіну і посилює його транспорт у тканини. Приєднання СО₂ до гемоглобіну теж знижує його спорідненість до О₂.

12.2.5. Деякі форми молекулярної патології гемоглобінів. Аномалії гемоглобінів (гемоглобінози) поділяють на гемоглобінопатії, в основі яких лежать спадкові зміни структури гемоглобіну і таласемії, що зумовлені порушенням синтезу одного з ланцюгів молекули гемоглобіну.

Гемоглобінопатії - це спадкові аномалії, пов’язані з порушенням глобіну за нормальної структури гему. Аномальні гемоглобіни різняться за своїми фізико-хімічними властивостями (електрофоретичною рухливістю, стійкістю до дії основ, розчинністю, ізоелектричною точкою).

Появу аномальних гемоглобінів пояснюють мутаційною теорією, а передавання нащадкам аномального гена здійснюється за законами спадковості. Встановлено понад 200 аномальних гемоглобінів: В (S), С, В, Е, К, L, М, N, О, Р, Q тощо, а також можливі їх комбінації (SС, SD тощо)

Гемоглобінопатії у гетерозиготній і гомозиготній формі поширені в Екваторіальній Африці, країнах Середземномор’я, на Аравійському півострові, у Південній Індії, на острові Шрі-Ланка, у Південному Китаї, південних районах США. Причину появи аномальних гемоглобінів пояснюють за допомогою малярійної гіпотези, згідно з якою мутації в гені, що контролює утворення гемоглобіну, виникли в країнах зі значним поширенням тропічної малярії. Було встановлено, що наявність аномального гена в гетерозиготній формі підвищує стійкість людей до захворювання, створює імунітет до малярії, оскільки зміни молекули гемоглобіну запобігають використанню його малярійним плазмодієм.

При гемоглобінопатіях молекулярний дефект полягає у змінах первинної структури поліпептидних ланцюгів, які формують а- або β-субодиниці молекул гемоглобіну (амінокислотні заміни, делеції або вставки) з утворенням аномальних форм гемоглобінів. Такі аномальні гемоглобіни позначають великими літерами латинського алфавіту, або за місцем, де був вперше виявлений даний дефект.

НbS — мутантний гемоглобін, відкритий в 1949 році Полінгом і Утано, відрізняється від нормального гемоглобіну А тим, що в шостому положенні двох β-ланцюгів місце глутамінової кислоти займає валін. Внаслідок таких відносно невеликих змін редукована форма гемоглобіну S слабкіше і повільніше зазнає оксигенації і гірше (майже в 25 разів) розчиняється, ніж НbА.

У капілярах під час віддавання кисню гемоглобін S випадає в осад у формі веретеноподібних кристалоїдів (тактоїдів). Це породжує осмотичну нестійкість еритроцитів, зміну їх форми з двоввігнутої в серпоподібну. Серпоподібні еритроцити легко гемолізуються вже в судинному руслі. Клінічні прояви цієї хвороби змінються від ледь помітних (гетерозиготна форма серпоподібноклітинної анемії) до тих, що спричинюють летальний кінець в ранньому віці (гомозиготні форми).

НbС — аномальний гемоглобін, у молекулі якого існує заміна залишку глутамінової кислоти в 6-му положенні β-ланцюга на лізин. Еритроцити, що містять такий аномальний гемоглобін, здатні до гемолізу, що також супроводжується розвитком анемії. Наявність гена С в гомозиготному стані призводить до розвитку вираженої спленомегалії, помірної мікроцитарної анемії. За наявності комбінації гемоглобінів С і S анемія вияляється в тяжчій формі.

НbМ — існує група гемоглобінів М, в поліпептидних ланцюгах яких залишок гістидину, який бере участь у зв'язуванні гему з залізом, заміщений на іншу амінокислоту.

У гемоглобінах, які містять такий молекулярний дефект, залізо (Fe³⁺) не може відновлюватися метгемоглобінредуктазою до Fe²⁺, у зв'язку з цим в еритроцитах накопичується метгемоглобін, який не здатний до нормального транспорту кисню. Така метгемоглобінемія найбільш виражена в гомозиготному стані, внаслідок чого хворі гинуть в умовах тяжкої гіпоксії.

НbА_1C — глікозильований гемоглобін, який з'являється в еритроцитах за умов некомпенсованого цукрового діабету. Цей гемоглобін — стабільний комплекс глюкози з мінорною А_1C фракцією гемоглобіну, який утворюється між аміногрупою валіну - N-кінцевою амінокислотою β-глобіну і карбоксильною групою вуглеводу:

У нормі концентрація глікозильованого гемоглобіну становить 5 - 7 % від загальної кількості, тобто 8 - 10 г/л. Гіперглікемія впродовж 10 - 12 годин сприяє збільшенню кількості глікозильованого гемоглобіну. Глікозилювання гемоглобіну підвищує його спорідненність до кисню в тканинах, крім цього, утруднює приєднання 2,3 -дифосфогліцерату. У клініці показник рівня глікозильованого гемоглобіну використовують для діагностики цукрового діабету та інших порушень вуглеводного обміну.

HbD спричинює мікроцитоз, слабкий анізо - та пойкілоцитоз і зміну еритроцитів.

HbЕ зумовлює мікроцитоз, який компенсується розвитком еритроцитозу (до7-8∙10¹²/л).

Інші гемоглобінози поширені значно менше, а їх клінічні прояви слабко виражені. У разі тяжких форм гемоглобінопатій морфологічні зміни в печінці, що виникають унаслідок гемохроматозу, можуть істотно впливати на кровоплин і супроводжуватися порушенням механізмів регуляції гемостазу.

Таласемія - спадкове захворювання, спричинене порушенням синтезу одного з ланцюгів гемоглобіну.

Якщо пригнічено синтез α-ланцюгів, то спостерігається α-таласемія, при генетичному дефекті синтезу β-ланцюгів - β-таласемія. При всіх видах таласемій порушується продукування еритроцитів кістковим мозком і насичення гемоглобіну киснем.

В основі α-таласемії лежать порушення синтезу α -ланцюга, що призводять до порушення утворення всіх фізіологічних видів гемоглобіну. Ланцюги β і γ, які з’являються в надлишку, не можуть взаємодіяти з α -ланцюгами, внаслідок виникає два види гемоглобінів — Нbβ₄ (НbН) і Нbγ₄ (Нb Бартса). Ці дві форми нестабільні й мають низьку спорідненість до кисню. У гомозигот гемоглобін представлений здебільшого Нb Бартса (загибель настає вже в період внутрішньоутробного розвитку). У гетерозигот наявна суміш Нb Бартса — НbН (прояви захворювання зводяться до незначного гемолізу без істотних наслідків для загального стану).

β-Таласемія зумовлюється порушенням синтезу β-ланцюгів, що призводить до відносного надлишку α-ланцюгів і посиленого утворення НbF (α₂γ₂) і HbA₂ (α₂δ₂).

σ-Таласемія пов’язана з гальмуванням синтезу β- і σ-ланцюгів і підвищеним утворенням НbF.

Часто зустрічаються комбіновані форми гемоглобінозів, які можуть поєднуватися з дефіцитом глюкозо-6-фосфатдегідрогенази в еритроцитах, що ще більше посилює розвиток захворювання (анемії).