Гемоглобин

Красящее вещество красных кровяных телец ‒ эритроцитов. Гемоглобин представляет собой соединение белка глобина с гемохромогеном (рис.8.5). Гемоглобин, соединяясь с кислородом, превращается в оксигемоглобин, который, отдавая свой кислород другим веществам, снова превращается в гемоглобин. Гемоглобин играет роль переносчика кислорода от легких к тканям. Образовавшийся в легких оксигемоглобин кровью разносится по телу и, отдавая свой кислород, способствует протеканию в организме окислительных процессов. Кроме того, гемоглобин вместе с плазмой крови осуществляет регуляцию величины рН крови и перенос углекислоты в организме.

Характерной особенностью гемоглобина является его способность соединяться с окисью углерода, после чего он теряет способность соединяться с кислородом. Этим объясняется ядовитое действие окиси углерода.

Рис.8.5. Гемоглобин: а – олигомер гемоглобина; б – субъединица гемоглобина; в – структура гема

Вне организма гемоглобин, при действии воздуха, превращается в метгемоглобин, который отличается от оксигемоглобина прочностью связи с кислородом. При обработке ледяной уксусной кислотой метгемоглобин расщепляется с образованием глобина и гематина. При обработке метгемоглобина тем же реактивом, но в присутствии NаСl, получается хлористая соль гематина, называемая гемином. Гемин образует характерные красно-коричневые ромбики, которые позволяют обнаружить открыть присутствие крови в пятнах даже через несколько лет. Гематин очень близок гемохромогену, но все же отличается от него.

Белковая структура гемоглобина более сложна. Гемоглобин млекопитающих (в том числе человека) имеет молекулярную массу 64500 Да и состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых содержит свой собственный гем. Преобладающая форма гемоглобина у взрослых людей – гемоглобин А – имеет две пары полипептидных цепей (α-цепей, каждая из которых состоит из 141 аминокислотного остатка, и β-цепей – по 146 остатков в каждой). Несмотря на то, что аминокислотные последовательности полипептидных цепей гемоглобина и миоглобина в значительной степени различаются; – трехмерные структуры их сходны и гемы в молекулах того и другого занимают гидрофобные полости внутри свернутых полипептидных цепей.

Четыре полипептидные цепи гемоглобина ассоциированы в тетраэдрическую структуру и образуют сферическую молекулу. Каждая из α-цепей контактирует с двумя β-цепями, в то время как между двумя α-цепями или между двумя β-цепями взаимодействие почти отсутствует. Каждый из четырех гемов гемоглобина способен присоединить одну молекулу кислорода. Кислородсодержащая форма гемоглобина называется оксигемоглобином, а форма, не содержащая кислорода, – дезоксигемоглобином. Когда дезоксигемоглобин поглощает кислород, в его трехмерной структуре происходит ряд изменений, главным образом перемещение атома Fe²⁺ в плоскость системы колец гема. Как и в случае миоглобина, окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ приводит к образованию неактивной формы гемоглобина ‒ метгемоглобина, который не способен присоединять молекулярный кислород.

Способность обратимо образовывать комплексы с кислородом обусловливает жизненно важную роль гемоглобина как переносчика кислорода у животных. Способность артериальной крови переносить кислород в присутствии гемоглобина в 70 раз выше, чем в его отсутствие.

Характерные особенности связывания кислорода гемоглобином:

1) кривая связывания ‒ освобождения кислорода гемоглобином имеет сигмоидную форму, что свидетельствует о том, что связывание кислорода гемом ‒ кооперативный процесс, т.е. связывание кислорода одним гемом облегчает его связывание другими генами;

2) сродство гемоглобина к кислороду зависит от величины рН и содержания СО₂;

3) органические фосфаты, особенно 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ), также оказывают влияние на сродство гемоглобина к кислороду.

Аллостерические свойства гемоглобина обусловлены взаимодействием четырех субъединиц его молекулы. При связывании кислорода происходит перемещение атома железа гема в плоскость гема оксигемоглобина, а проксимальный гистидин приближается к кольцу гема. Такое перемещение вызывает последующие небольшие изменения третичной структуры субъединицы, в частности, изменяется положение тирозинового остатка и смежной С-концевой аминокислоты. В результате исчезают некоторые взаимодействия между субъединицами и четвертичная структура дестабилизируется. При этом изменяется конформация других субъединиц, что облегчает связывание ими кислорода. И, наоборот, освобождение кислорода одним из гемов приводит к изменениям конформации и взаимодействия между субъединицами, что облегчает освобождение кислорода другими гемами.

С понижением значения рН освобождение О₂ гемоглобином упрощается. То же самое происходит при повышении концентрации СО₂. Это важно с физиологической точки зрения, т.к. в тканях с быстро протекающим обменом веществ образуется много СО₂ и кислот. Высокие уровни СО₂ и Н⁺ стимулируют освобождение О₂ из гемоглобина, и таким образом удовлетворяется потребность в большом количестве кислорода. После освобождения кислорода дезоксигемоглобин присоединяет Н⁺ и СО₂. Для альвеолярных капилляров легких характерна высокая концентрация кислорода, и там по мере связывания кислорода дезоксигемоглобином происходит освобождение Н⁺ и СО₂.

Структурные превращения, которые претерпевает молекула гемоглобина, были подробно изучены. При переходе от оксигемоглобина к дезоксигемоглобину в результате конформационных изменений карбоксилсодержащие аминокислотные остатки приближаются к некоторым гистидиновым остаткам и концевым NH₂-группам. С изменением локального заряда микроокружения повышается величина рК кислого остатка и таким образом возрастает его сродство к НСО₃^-, которая значительно легче связывается с дезоксигемоглобином, чем с оксигемоглобином. Она связывается с концевой NH₂-группой каждой цепи с образованием карбаминопроизводных.

У человека 2,3-дифосфоглицерат снижает сродство гемоглобина к кислороду в 26 раз. Это важно с физиологической точки зрения, поскольку в отсутствие этого механизма гемоглобину было бы трудно освобождать много кислорода в капиллярах тканей. Такое действие 2,3-дифосфоглицерата обусловлено его способностью связываться с дезоксигемоглобином, а не с оксигемоглобином. 2,3-ДФГ связывается с гемоглобиновым тетрамером, располагаясь в центральном пространстве, в непосредственной близости от всех четырех субъединиц. Связывание 2,3-дифосфоглицерата и О₂ – взаимоисключающие процессы. В ходе оксигенации конформационные изменения приводят к значительному уменьшению центрального пространства в гемоглобиновом тетрамере и молекула 2,3-дифосфоглицерата вытесняется. При этом необходимо нарушение 2,3-дифосфоглицерат-белкового взаимодействия, что затрудняет связывание кислорода гемоглобином. Для поглощения 2,3-дифосфоглицерата требуется расщепление связи гемоглобин-О₂, так что 2,3-дифосфоглицерат упрощает высвобождение кислорода.

Сродство гемоглобина к окиси углерода больше, чем к кислороду; следовательно, СО может вытеснять кислород из оксигемоглобина. Образующийся карбоксигемоглобин не способен служить переносчиком кислорода, и поэтому окись углерода является весьма эффективным ядом. Карбоксигемоглобин имеет вишневокрасную окраску, характерную для цвета лица людей, отравившихся окисью углерода, что позволяет легко диагностировать отравление. Функционирование гемоглобина могут серьезно нарушать различные лекарственные препараты. Продукты метаболизма ацетанилида, фенацетина и некоторых других индуцируют окисление гемоглобина до Fе³⁺-формы, приводя к серьезному снижению кислородпереносящей способности крови.

Так же, как и у большинства других животных, у человека на разных стадиях развития организма имеются различные типы гемоглобина в крови. Гемоглобин плода и гемоглобин взрослого человека различаются по спектрам поглощения света и электрофоретическим свойствам. В крови зародыша на ранних стадиях его развития присутствует гемоглобин третьего типа. Зародышевый гемоглобин F обладает более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин А взрослых людей. Благодаря этому возможен оптимальный перенос кислорода от гемоглобина А матери к гемоглобину F плода. Более высокое сродство гемоглобина F к кислороду подтверждается также тем, что он связывает 2,3-дифосфоглицерат менее прочно, чем гемоглобин А.

Существует много генетических вариаций человеческого гемоглобина. Наиболее известная из них найдена при «серповидно-клеточной анемии» – мутации одного гена, которая в гомозиготном состоянии вызывает деформацию эритроцитов с образованием клеток, имеющих форму серпа. Гемоглобин S серповидных клеток отличается от нормального гемоглобина одним аминокислотным остатком в β-цепях. В нем происходит замена полярной глутаминовой кислоты на неполярную аминокислоту валин, что приводит к очень сильному снижению растворимости дезоксигемоглобина S, хотя растворимость оксигемоглобина при этом остается нормальной. Дезоксигемоглобин S образует волокнистый осадок, который вызывает деформацию и разрушение эритроцитов и, как следствие, – хроническую гемолитическую анемию.

В настоящее время известны более 100 мутантных гемоглобинов. Некоторые из замен являются безвредными «поверхностными» заменами, тогда как другие, затрагивающие кислородсвязывающие участки, третичную структуру или взаимодействия субъединиц в четвертичной структуре (что сказывается на аллостерических эффектах), могут очень сильно влиять на связывание кислорода.