Пользовательский поиск

Гемоглобин повышенный, нормальный и пониженный

Гемоглобин, сокращенно Hb, является железосодержащим металлопротеином, транспортирующим кислород в красных клетках крови всех позвоночных (за исключением рыб семейства Channichthyidae), а также в тканях некоторых беспозвоночных. Гемоглобин в крови переносит кислород из органов дыхания (легкие или жабры) к остальной части тела (например, ткани), где он высвобождает кислород для сжигания питательных веществ и получения энергии для снабжения функций организма, а также собирает полученный диоксид углерода, чтобы вернуть его в дыхательные органы и вывести из организма.

Продолжение ниже

Современное состояние искусственных носителей кислорода

... эффективности, обсуждаются побочные действия. Искусственные носители кислорода подразделяют на растворы, содержащие модифицированный гемоглобин (НЬ) и эмульсии перфторуглеродов (ПФУ). Искусственные носители кислорода (О 2 ) предназначены для улучшения доставки кислорода ...

Читать дальше...

всё на эту тему


У млекопитающих белок составляет около 97% сухого содержания эритроцитов (по весу) и около 35% от общего содержания (включая воду). Он обладает способностью связывать кислород в соотношении 1,34 мл О2 на грамм гемоглобина, что увеличивает общую емкость насыщения кислородом в семьдесят раз по сравнению с растворенным кислородом в крови. Молекула гемоглобина млекопитающих может связывать (переносить) до четырех молекул кислорода.

Содержание статьи:

  1. Видео о гемоглобине
  2. История исследования
  3. Генетика гемоглобина
  4. Синтез
  5. Структура
    1. Насыщение кислородом
    2. Оксигемоглобин
    3. Венозный гемоглобин
  6. Состояние окисления железа в оксигемоглобине
  7. Связывание лигандов, отличных от кислорода
    1. Кооперативное связывание
    2. Конкурентное связывание
    3. Аллостерическое связывание
  8. Типы у людей
  9. Разрушение клеток у позвоночных животных
  10. Роль в болезнях
  11. Диагностическое использование
  12. Аналоги у беспозвоночных организмов
  13. Другие белки, связывающие кислород
  14. Наличие в других клетках
  15. В истории, искусстве и музыке

Видео о гемоглобине


Гемоглобин участвует в транспорте других газов: переносит часть отработанного диоксида углерода из тела (около 10% от общего количества) в качестве карбогемоглобина, в котором СО2 связан с глобином белка. Молекула также несет важную регуляторную молекулу оксида азота, связанную с тиоловой группой глобина белка, выпуская его в то же время, что и кислород.

Гемоглобин также можно обнаружить за пределами красных кровяных клеток и их линии предшественников. Другие клетки, которые содержат гемоглобин, включают в себя A9 дофаминергические нейроны в черном веществе, макрофаги, альвеолярные клетки, и мезангиальные клетки в почках. В этих тканях он выполняет другую функцию в качестве антиоксиданта и регулятора метаболизма железа.

Гемоглобин и подобные ему молекулы также найдены у многих беспозвоночных, грибов и растений. В этих организмах гемоглобин может переносить кислород или же он может действовать для транспортировки и регулирования других веществ, таких как диоксид углерода, оксид азота, сероводород и сульфид. Вариант молекулы, называемой легоглобин, используется, чтобы поглощать кислород от анаэробных систем, таких как азотфиксирующие клубеньки бобовых растений, чтобы кислород не отравил всю систему.

История исследования

В 1825 Энгельхард обнаружил, что соотношение Fe к белку идентично в гемоглобине нескольких видов. Исходя из известной атомной массы железа, он рассчитал молекулярную массу гемоглобина по формуле N × 16000 (N = количество железа в гемоглобине, сейчас известно, что составляет 4), впервые определив молекулярную массу белка. Этот «поспешный вывод» обратил на себя много насмешек ученых того времени, так как они не могли поверить, что молекула может быть настолько большой. Жильберт Смитсон Адэр подтвердил результаты Энгельхарда в 1925 году путем измерения осмотического давления растворов гемоглобина.

Белок-гемоглобин, переносящий кислород, был обнаружен Хюнефельдом в 1840 году. В 1851 году немецкий физиолог Отто Функе опубликовал серию статей, в которых он описал выращивание кристаллов гемоглобина путем последовательного разбавления эритроцитов растворителем, таким как чистая вода, спирт или эфир, с последующим медленным выпариванием растворителя из полученного раствора белка. Обратимая оксигенация была описана через несколько лет Феликсом Хоппе-Сейлером.

В 1959 году Макс Перутц определил молекулярную структуру миоглобина (по аналогии с гемоглобином) с помощью рентгеновской кристаллографии. В результате этой работы он совместно с Джоном Кендрю получил в 1962 году Нобелевскую премию по химии.

Роль гемоглобина в крови была выяснена французским физиологом Клодом Бернаром. Название гемоглобин происходит от слов гем и глобин, отражая тот факт, что каждая субъединица является глобулярным белком со встроенной группой гема. Каждая группа гема содержит один атом железа, который может связывать одну молекулу кислорода посредством ионно-дипольных сил. Наиболее распространенный тип гемоглобина у млекопитающих содержит четыре таких единицы.

Генетика гемоглобина

Гемоглобин состоит в основном из белковых субъединиц (молекулы «глобина»), и эти белки, в свою очередь, являются сложенными цепями с большим количеством различных аминокислот, называемых полипептидами. Аминокислотная последовательность любого полипептида, созданного клеткой, в свою очередь определяется участками ДНК, называемыми генами. Во всех белках эта аминокислотная последовательность определяет химические свойства белка и функции.

Существует более чем один ген гемоглобина. Аминокислотные последовательности белков глобина гемоглобина обычно отличаются между видами. Эти различия растут вместе с эволюционным расстоянием между видами. Например, наиболее распространенные последовательности гемоглобина в организме человека и шимпанзе почти идентичны и отличаются только одной аминокислотой в альфа- и бета-цепях глобина белка. Эти различия становятся большими между менее тесно связанными видами.

Даже в пределах одного вида, различные варианты гемоглобина всегда существуют, хотя одна последовательность обычно является «наиболее распространенной» в каждом видов. Мутации генов белка приводят к различным вариациям. Многие из этих мутантных форм гемоглобина не вызывают болезней. Некоторые из этих мутантных форм, однако, вызывают группу наследственных заболеваний, называемых гемоглобинопатиями. Наиболее известной гемоглобинопатией является серповидно-клеточная анемия, которая была первой болезнью человека, механизм которой был понят на молекулярном уровне. Отдельный ряд заболеваний, называемых талассемией, включает в себя недопроизводство нормального или иногда производство ненормального гемоглобина из-за проблем и мутаций в регуляции генов глобина. Все эти болезни приводят к анемии.

Вариации в последовательностях аминокислот гемоглобина, как и других белков, могут быть адаптивными. Например, недавние исследования показали, что генетические вариации у одного вида мышей, помогают объяснить, как эти мыши, живущие в горах, в состоянии выжить в разреженном воздухе на больших высотах. Исследователь из Университета Небраски-Линкольна обнаружил мутации в четырех различных генах, которые могут объяснить различия между мышами, которые живут в низменностях прерий относительно горных мышей. После изучения диких мышей как с нагорья, так и низменности, было установлено, что гены из двух пород «практически идентичны, за исключением тех, которые регулируют кислородную емкость гемоглобина». «Генетическое различие позволяет горным мышам сделать более эффективным использование кислорода», так как его меньшее количество доступно на больших высотах, например, в горах. В гемоглобине мамонта были найдены признаки мутации, которые позволяли захват кислорода при более низких температурах, что позволяло мамонтам мигрировать в более высокие широты в плейстоцене.

Синтез

Гемоглобин (Hb) синтезируется за счет серии комплексных шагов. Гем синтезируется за счет процессов в митохондриях и цитозоле незрелых эритроцитов, в то время как белок глобин синтезируется рибосомами в цитозоле. Производство гемоглобина продолжается в клетке на протяжении всего раннего периода развития от проэритробластов к ретикулоцитам в костном мозге. В этот момент ядро теряется в эритроците млекопитающих, но этого не происходит у птиц и многих других видов. Даже после потери ядра у млекопитающих, остаточная рибосомная РНК позволяет дальнейший синтез ретикулоцитов гемоглобина, пока не потеряет свою РНК вскоре после входа в кровообращение (эта синтезирующая РНК на самом деле дает ретикулоцитам их сетчатый внешний вид и название).

Структура

Гемоглобин имеет четвертичную структуру, характерную для большого числа глобулярных белков, состоящих из множественных субъединиц. Большинство аминокислот в гемоглобине формируют альфа-спирали, соединенные короткими неспиральными сегментами. Водородные связи стабилизируют спиральные секции внутри белка, в результате чего происходит притяжение в молекуле и скручивание каждой полипептидной цепи в конкретную форму. Четвертичная структура гемоглобина происходит из четырех субъединиц, имеющих примерно тетраэдрическое расположение.

У большинства позвоночных молекулы гемоглобина являются сборкой из четырех глобулярных белковых субъединиц. Каждая субъединица состоит из белковой цепи, тесно связанной с небелковой группой гема. Каждая белковая цепь выстраивается в группу альфа-спиральных структурных сегментов, соединенных вместе в складке глобина. Она так называется, потому что такое расположение является «основной темой», которая используется в других гемах/белках глобина, таких как миоглобин. Этот образец складки содержит «карман», который жестко связывает гем.

gemoglobin.jpg

Гем состоит из иона железа (Fe) иона (заряженных атомов), находящихся в гетероциклическом кольце, известном как порфирин. Это порфириновое кольцо состоит из четырех молекул пиррола, циклически связанных друг с другом (метиновыми мостами) и связанных с ионом железа в центре. Ион железа, который является участком связывания кислорода, связан с четырьмя атомами азота в центре кольца, все из которых лежат в одной плоскости. Железо связано сильно (ковалентно) с глобулярным белком через имидазольное кольцо остатка гистидина F8 (также известного как проксимальный гистидин) ниже порфиринового кольца. Шестую позицию может обратимо связывать кислород путем донорно-акцепторной связи, завершая октаэдрическую группу из шести лигандов. Геометрически кислород связывается под углом, где один атом кислорода связывает Fe, а остальные выступают под углом по отношению к ним. Когда кислород не связан, очень слабо связанные молекулы воды заполняют его место, формируя искаженный октаэдр.

Даже если гемоглобин переносит диоксид углерода, он не конкурирует с кислородом за позицию, связывающую железо, а в действительности он связан с белком цепью структуры.

Ион железа может быть в состоянии либо Fe2 + или Fe3 +, но ферригемоглобина (метгемоглобин, Fe3+) не может связывать кислород. Во время связывания кислород временно и обратимо окисляется (Fe2+) до (Fe3+), а кислород временно превращается супероксид, поэтому железо должно существовать в окислении 2+, чтобы связывать кислород. Если ион супероксида, связанный с Fe3+ протонируется гемоглобином, то железо останется окисленным и неспособным связывать кислород. В таких случаях фермент редуктаза метгемоглобина сможет, в конечном счете, активировать метгемоглобин, уменьшая центр железа.

У взрослых людей наиболее распространенный тип гемоглобина представляет собой тетрамер (который содержит четыре субъединицы белков), называемый гемоглобин А, состоящий из двух α и β субъединиц, нековалентно связанных, каждая из которых состоит из 141 и 146 аминокислотных остатков, соответственно. Это обозначается как α2β2. Субъединицы структурно похожи и имеют примерно такой же размер. Каждая субъединица имеет молекулярную массу приблизительно 16000 дальтон, на общую молекулярную массу тетрамера около 64000 дальтон (64458 г/моль). Таким образом, 1 г/дл = 0,1551 ммоль/л. Гемоглобин А является наиболее интенсивно изучаемой молекулой.

У младенцев молекула гемоглобина состоит из 2 α цепей и 2 γ цепей. Гамма-цепи постепенно заменяются β цепями, когда ребенок растет.

Четыре полипептидные цепи связаны друг с другом солевыми мостиками, водородными связями и гидрофобным эффектом.

Насыщение кислородом

В общем, гемоглобин может быть насыщен молекулой кислорода (оксигемоглобин) или ненасыщен молекулами кислорода (деоксигемоглобин).

Оксигемоглобин

Оксигемоглобин образуется при физиологическом дыхании, когда кислород связывается с компонентом гема белка гемоглобина в красных кровяных клетках. Этот процесс происходит в легочных капиллярах, прилегающих к альвеолам ​​легких. Кислород затем проходит через поток крови, который будет доставлен в клетки, где он используется в качестве акцептора электронов в производстве АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Это, однако, не помогает противодействовать снижению рН крови. Вентиляция или дыхание, может изменить это состояние путем удаления диоксида углерода, тем самым вызывая сдвиг рН.

Гемоглобин существует в двух формах: плотной форме и расслабленной форме. Различные факторы, такие как низкий рН, высокое содержание CO2 на уровне ткани способствуют плотной форме, которая имеет низкое сродство с кислородом и высвобождает кислород в тканях. С другой стороны, высокое значение рН, низкий CO2 способствуют расслабленной форме, которая может лучше связывать кислород. Парциальное давление системы также влияет на сродство O2, где при высоком парциальном давлении кислорода (например, в альвеолах), расслабленная форма с высоким сродством более благоприятна. И наоборот, при низком парциальном давлении (например, в дышащих тканях) низкое сродство в плотном состоянии более благоприятно. Кроме того, связывание кислорода с гемом железо-II тянет в плоскость порфириновое кольцо, в результате чего происходит небольшой конформационный сдвиг. Из-за сдвига кислород связывается с тремя оставшимися гемами в гемоглобине (таким образом, связывание кислорода является кооперативным).

Венозный гемоглобин

Венозный гемоглобин представляет собой форму гемоглобина без связанного кислорода. Спектры поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина отличаются. Оксигемоглобин имеет значительно более низкую поглощающую длину волны (660 нм), чем деоксигемоглобин, так как его поглощающая длина волны немного выше (940 нм). Эта разница используется для измерения количества кислорода в крови пациента с помощью прибора, называемого пульсоксиметром. Эта разница объясняет и появление цианоза, синего или пурпурного цвета тканей, который возникает при гипоксии.

Состояние окисления железа в оксигемоглобине

Определение окисления гемоглобина является трудным, потому что оксигемоглобин (Hb-O2), при экспериментальных измерениях, диамагнитен (нет чистых непарных электронов), но низкоэнергетическая конфигурации электронов кислорода и железа является парамагнитной (предполагая, по крайней мере, наличие одного неспаренного электрона в комплексе). Наименее энергетическими формами кислорода, и соответственно, окисления железа, являются:

  • Триплетный кислород, наименее энергетическая молекулярная форма кислорода, имеет два неспаренных электрона в антисвязывающих π * молекулярных орбиталях.
  • Железо (II) в основном существует в высокой спиновой конфигурации, где непарные электроны существуют в Eg антисвязывающих орбиталях.
  • Железо (III) имеет нечетное число электронов, и, следовательно, должно иметь один или несколько неспаренных электронов в любом энергетическом состоянии.

Все эти структуры являются парамагнитными (имеют неспаренные электроны), а не диамагнитными. Таким образом, неинтуитивное (например, имеющее более высокую энергию, по меньшей мере, у одного вида) распределение электронов в комбинации железа и кислорода должно существовать для того, чтобы объяснить наблюдаемый диамагнетизм и отсутствие неспаренных электронов.

Три логические возможности производить диамагнитный HB-O2:

  1. Низкоспиновый Fe2+ связывается с синглетным кислородом. Как низкоспиновое железо, так и синглетный кислород диамагнитны. Тем не менее, синглетная форма кислорода является молекулой более высокой энергетической формы.
  2. Низкоспиновый Fe3+ связывается с .O2- (супероксид-ион) и два непарных электрона образуют антиферромагнитную пару, приобретая диамагнитные свойства.
  3. Низкоспиновый Fe4 + связывается с пероксидом O22-. Оба диамагнитны.

Прямые экспериментальные данные:

  • Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия предполагает, что железо имеет степень окисления около 3,2.
  • Инфракрасная спектроскопия связи O-O предполагает, что длина связи сходна с супероксидом (связь около 1,6, а в супероксиде 1,5).
  • Рентгеновское поглощение вблизи пограничных структур на К-крае железа. Сдвиг энергии 5 эВ между дезоксигемоглобином и оксигемоглобином, как и для всех видов метгемоглобина, наводит на мысль о состоянии более близком к Fe3+, чем Fe2+.

Таким образом, ближайшее формальное состояние окисления железа в Hb-О2 - это состояние +3, когда у кислорода оно имеет значение в -1 (как у супероксида .O2-). Диамагнетизм в этой конфигурации возникает от того, что один неспаренный электрон супероксида выравнивается антиферромагнитно от одного неспаренного электрона железа. Это не дает никакого результирующего спина всей конфигурации, в соответствии с диамагнитным оксигемоглобином из эксперимента.

Второй выбор из трех логических возможностей, названных выше, для диамагнитного оксигемоглобина был найден за счет постановки верного эксперимента. Синглетный кислород (вариант № 1) и большое расстояние от заряда (вариант № 3) являются неблагоприятными высокоэнергетическими состояниями. Сдвиг железа к более высокой степени окисления в Hb-O2 уменьшает размер атома, и это позволяет попасть в плоскость порфиринового кольца, вытягивая скоординированный остаток гистидина и инициируя аллостерические изменения, наблюдаемые в глобулине.

Ранние постулаты бионеорганической химии утверждают, что вариант № 1 (см. выше) был правильным и что железо должно существовать в степени окисления II. Это казалось особенно вероятно, так как состояние окисления железа III (метгемоглобин), которое не сопровождается супероксидом .O2- для «задержания» окислененного электрона, как известно, делает гемоглобин неспособным связываться с нормальным O2 триплетом, как это происходит в воздухе. Таким образом, было предположено, что железо оставалось Fe(II), когда кислород был связан в легких. Химия железа в этой предыдущей классической модели была элегантной, но необходимое наличие нужного диамагнитного синглетного кислорода с высокой энергий никогда не объяснялось. Классически утверждалось, что связывание молекулы кислорода находится в железе (II) с высоким спином в октаэдрической области сильного поля лигандов; это изменение в поле приведет к увеличению энергии кристалла поля расщепления, в результате чего электроны железа создадут пару в области низкой спиновой конфигурации, которая была бы в диамагнитном Fe(II). Это вынудило считать, что низкоспиновое спаривание действительно произойдет в железе, когда кислород связывается, но этого не достаточно, чтобы объяснить изменения железа в размерах. Экстракция дополнительного электрона из железа кислородом требуется, чтобы объяснить меньший размер железа, наблюдаемую повышенную степень окисления, более слабую связь кислорода.

Следует отметить, что назначение целого числа окисления является формальностью, так как ковалентные связи не обязаны иметь идеальный порядок связи с участием полного переноса электронов. Таким образом, все три модели для парамагнитного Hb-O2 могут способствовать появлению в некоторой степени электронной конфигурации Hb-O2 . Однако модель железа Fe(III) в Hb-O2 является более правильной, чем классическая идея, что он остается Fe(II).

Связывание лигандов, отличных от кислорода

Помимо лиганда кислорода, который связывается с гемоглобином кооперативным связыванием, лиганды гемоглобина также включают в себя конкурентные ингибиторы, такие как окись углерода (СО), и аллостерические лиганды, такие как двуокись углерода (СО2) и окись азота (NO). Диоксид углерода связан с аминогруппами белков глобина как карбогемоглобин, и, как полагают, составляет около 10% транспорта двуокиси углерода у млекопитающих. Оксид азота связан конкретными тиольными группами в глобине белка с образованием S-нитрозотиолов, которые снова диссоциируют в свободный оксид азота и тиол, когда гемоглобин выпускает кислород из его расположения в геме. Этот транспорт азотной окиси в периферические ткани, как предполагается, помогает транспорту кислорода в тканях, выпуская сосудорасширяющий оксид азота в тканях, в которых уровень кислорода является низким.

Кооперативное связывание

Когда кислород связывается с комплексом железа, это заставляет атом железа вернуться к центру плоскости порфиринового кольца. В то же время имидазоловая боковая цепь остатка гистидина, взаимодействующая на другом полюсе железа, притягивается к порфириновому кольцу. Это взаимодействие заставляет плоскость кольца двигаться в боковом направлении наружу от тетрамера, а также вызывает деформацию в белковой спирали, содержащей гистидин, когда она движется ближе к атому железа. Этот напряжение передается в остальные три мономера в тетрамере, где происходит аналогичное конформационное изменение в других местах гема, так что связывание кислорода в этих местах становится легче.

В тетрамерной форме нормального гемоглобина взрослого человека связывание кислорода, таким образом, является кооперативным процессом. Сродство связывания гемоглобина с кислородом увеличивается при насыщении молекулы кислородом. Первый связанный кислород влияет на форму места связывания следующего кислорода. Это положительное кооперативное связывание достигается за счет стерических конформационных изменений комплекса белка гемоглобина, как описано выше, т.е. когда одна субъединица белка гемоглобина становится кислородом, во всей области инициируются конформационные или структурные изменения, в результате чего другие субъединицы получают повышенное сродство к кислороду. Как следствие, изгиб связывания кислорода имеет сигмоидальную или S-образную форму, в отличие от нормальной гиперболической кривой при некооперативном связывании.

Динамический механизм кооперативности в гемоглобине и его связь с низкой резонансной частотой пока еще подлежит обсуждению.

Конкурентное связывание

Связывание кислорода зависит от молекул, таких как окись углерода (СО) (возникающего, например, из-за курения табака, выхлопных газов автомобилей, неполного сгорания в печах). CO конкурирует с кислородом в месте связывания гема. Сродство связывания с СО в 250 раз больше, чем его сродство с кислородом, это означает, что небольшие количества СО резко уменьшают способность гемоглобина переносить кислород. Так как окись углерода представляет собой бесцветный, без вкуса и запаха газ, и представляет собой потенциально смертельную угрозу, в продаже появились детекторы, предупреждающие об опасном уровне этого газа в жилых домах. Когда гемоглобин соединяется с CO, он образует состав очень яркого красного цвета, названный карбоксигемоглобином, который может привести к тому, что кожа жертв отравления СО приобретает розовый цвет после смерти, вместо белого или синего цвета. Когда во вдыхаемом воздухе содержится уровень СО около 0,02%, начинается головная боль и тошнота, а если концентрация СО повышается до 0,1%, то следует потеря сознания. У заядлых курильщиков до 20% активного приема кислорода может быть заблокировано СО.

Аналогичным образом, гемоглобин также имеет конкурентное связывание с цианидом (CN-), окисью серы (SO), оксидом азота (NO) и сульфидами (S2-), в том числе с сероводородом (H2S). Все они связываются с железом в геме без изменения его степени окисления, но, тем не менее, они ингибируют связывающий кислород, причиняя тяжелое отравление.

Атом железа в геме должен сначала находится в степени окисления (Fe2 +) для связывания и транспортировки кислорода и других газов (временно переключается на Fe3 + во время связывания кислорода, как описано выше). Начальное состояние окисления железа (Fe3 +) без кислорода преобразует гемоглобин в «метгемоглобин», который не может связывать кислород. Гемоглобин в нормальных эритроцитах защищен специальной системой, чтобы этого не происходило. Оксид азота может преобразовывать небольшую часть гемоглобина в метгемоглобин в эритроцитах. Последняя реакция является остатком деятельности более древней функции оксида азота диоксигеназы глобинов.

Аллостерическое связывание

Диоксид углерода находится в различных местах связывания гемоглобина. Диоксид углерода легче растворяется в венозной крови, что облегчает его удаление из организма после того, как кислород был выпущен в ткани при метаболизме. Это повышенное сродство к двуокиси углерода венозной крови известно как эффект Халдейна. С помощью фермента карбоангидразы диоксид углерода вступает в реакцию с водой с получением угольной кислоты, которая разлагается на бикарбонат и протоны:

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3 - + H +

Поэтому кровь с высоким уровнем углекислого газа также имеет более низкий рН (более кислая). Гемоглобин может связывать протоны и диоксид углерода, который вызывает изменение конформации белка и облегчает выделение кислорода. Протоны связываются в различных местах белка, в то время как диоксид углерода связывается по α-аминогруппе. Диоксид углерода связывается с гемоглобином и формирует карбогемоглобин. Это снижение сродства гемоглобина с кислородом путем связывания двуокиси углерода и кислоты известно как эффект Бора (сдвигает O2-насыщенную кривую вправо). И наоборот, когда уровень углекислого газа в крови снижается (т.е. в капиллярах легких), двуокись углерода и протоны освобождаются от гемоглобина, увеличивая сродство к кислороду белка. Снижение общей связывающей способности гемоглобина к кислороду (т.е. смещение кривой вниз, а не только направо) за счет снижения рН называется корневым эффектом. Это видно на примере костистых рыб.

Для гемоглобина необходимо выпустить кислород, который он связывает, иначе нет никакого смысла в привязке. Сигмоидальная кривая гемоглобина делает его эффективным в связывании (забирает О2 из легких) и эффективным при выпуске (отдает O2 в тканях).

У людей, приспособившихся к жизни на большой высоте, концентрация 2,3-бифосфоглицерата в крови увеличивается, что позволяет этим людям передавать большее количество кислорода в ткани в условиях более низкого парциального давления. Это явление, где молекула Y влияет на связывание молекулы Х к транспортной молекуле Z, называется гетеротропным аллостерическим эффектом.

У других животных используются разные молекулы, которые связываются с гемоглобином и меняют его сродство с О2 при неблагоприятных условиях. У рыб используется, как АТФ, так и ГТФ. Они связываются с фосфатовым «карманом» на молекуле гемоглобина, которая стабилизируется в плотном состоянии и, следовательно, уменьшает сродство к кислороду. ГТФ снижает сродство гемоглобина к кислороду гораздо больше, чем АТФ, которая, как полагают, связана с дополнительной водородной связью, которая в дальнейшем стабилизирует плотное состояние. В условиях гипоксии концентрация АТФ и ГТФ и уменьшается в красных кровяных клетках рыб, чтобы увеличить сродство к кислороду.

Вариант гемоглобина, называемый фетальным (HbF, α2γ2), обнаружен в развивающемся плоде, и связывает кислород с большим сродством, чем у взрослых. Это означает, что кривая связывания кислорода для фетального гемоглобина сдвигается влево (т.е. более высокое процентное содержание гемоглобина имеет связанный с ним кислород при более низком давлении кислорода), по сравнению со взрослыми. В результате кровь плода в плаценте способна принимать кислород из материнской крови.

Гемоглобин также несет оксид азота в глобиновую часть молекулы. Это улучшает доставку кислорода на периферию и вносит свой вклад в управление дыханием. Оксид азота обратимо связывается с конкретным остатком цистеина в глобине; связывание зависит от состояния гемоглобина. В результате такой гемоглобин влияет на различную деятельность, связанную с оксидом азота, такую как контроль сосудистого сопротивления, артериальное давление и дыхание. Оксид азота не высвобождается в цитоплазме эритроцитов, но транспортируется анионами, называемыми AE1.

gemoglo.jpg

Было проведено исследование по изучению влияния формы гемоглобина на разделение вдыхаемых летучих органических соединений (ЛОС) в крови человека и животных. Бензол был прототипом ЛОС, использованным в исследованиях, поскольку его свойства аналогичны многим другим ЛОС. Говоря более конкретно, в настоящем исследовании анализировалось влияние растворимости в воде на коэффициент разделения ЛОС по сравнению с влиянием «вида» или формы гемоглобина. Были использованы различные формы крови, включая гемоглобин человека, крысы, и серповидно-клеточный гемоглобин. Гемоглобин крысы содержит мало воды и находится в квази-кристаллической форме внутри эритроцитов, что означает, что он более гидрофобный, чем человеческий, который является водорастворимым. Серповидно-клеточный гемоглобин является растворимым в воде, однако он может стать нерастворимым в воде, образуя гидрофобные полимеры, будучи венозным. Результаты утверждают, что коэффициент разделения бензола для гемоглобина крыс был значительно выше, чем для человека. Однако тесты, которые измеряли коэффициент разделения кислородной и венозной формы гемоглобина человека и серповидно-клеточного, не отличаются, что указывает на то, что сродство бензола не влияет на растворимость в воде гемоглобина.

Типы у людей

Вариации гемоглобина являются частью нормального развития эмбриона и плода. Также возможны патологические мутантные формы гемоглобина в популяции, вызванные изменениями в генетике. Некоторые известные вариации гемоглобина, такие как серповидно-клеточная анемия, ответственны за болезни, и считаются гемоглобинопатией. Другие варианты не вызывают явной патологии и поэтому считаются не патологическими вариантами.

У эмбрионов:

  • Гауэр 1 (ζ2ε2)
  • Гауэр 2 (α2ε2)
  • Гемоглобин Портленд I (ζ2γ2)
  • Гемоглобин Портленд II (ζ2β2)

У плода:

  • Гемоглобин F (α2γ2)

У взрослых:

  • Гемоглобин А (α2β2) - наиболее распространенный с нормальным общим количеством более 95%.
  • Гемоглобин A2 (α2δ2) – синтез δ цепи начинается в конце третьего триместра, а также у взрослых, его нормальный диапазон распространения 1,5-3,5%.
  • Гемоглобин F (α2γ2) – у взрослых гемоглобин F ограничен определенной популяцией красных клеток, называемых F-клетками. Тем не менее, его уровень может быть повышен у лиц с серповидно-клеточной анемией и бета-талассемией.

Вариантные формы, которые вызывают заболевания:

  • Гемоглобин D-Пенджаб - (α2βD2) - вариант формы гемоглобина.
  • Гемоглобин H (β4) -вариант, образованный тетрамером β цепей, которые могут присутствовать при вариантах α талассемии.
  • Гемоглобин Бартса (γ4) - вариант, образованный тетрамером γ цепей, которые могут присутствовать при вариантах α талассемии.
  • Гемоглобин S (α2βS2) - вариант формы гемоглобина у людей с серповидно-клеточной анемией. Существует вариация в гене β-цепи, что приводит к изменению свойств гемоглобина, вызывая появление серповидно-клеточных эритроцитов.
  • Гемоглобин С (α2βC2) - другой вариант, вызванный различием в гене β-цепи. Этот вариант вызывает легкую хроническую гемолитическую анемию.
  • Гемоглобин Е (α2βE2) - другой вариант, вызванный различием в гене β-цепи. Этот вариант вызывает легкую хроническую гемолитическую анемию.
  • Гемоглобин AS - гетерозиготная форма, вызывающая появление серповидных клеток с одним геном взрослого и одним геном серповидно-клеточного заболевания.
  • Гемоглобин SC - соединение гетерозиготной формы серпа с геном гемоглобина C.

Разрушение клеток у позвоночных животных

Когда красные клетки завершают свою жизнь из-за старения или дефектов, они разрушаются в селезенке, молекулы гемоглобина распадаются, а железо перерабатывается. Этот процесс также производит одну молекулу окиси углерода на каждую молекулу разрушающегося гема. Это один из нескольких природных источников окиси углерода в организме человека, и он отвечает за нормальные уровни окиси углерода в крови даже у людей, дышащих чистым воздухом. Другим основным конечным продуктом разрушения гема является билирубин. Повышенные уровни этого вещества были обнаружены в крови, если эритроциты разрушаются быстрее, чем обычно. Неправильно разрушенный белок гемоглобина, вышедший из клеток крови слишком быстро, может засорить мелкие кровеносные сосуды, особенно тонкие сосуды почек, предназначенные для фильтрации крови, что приводит к повреждению почек. Железо удаляется из гема для последующего использования, оно хранится как гемосидерин или ферритин в тканях и транспортируется в плазме бета-глобулинами. Когда порфириновое кольца разрушается, фрагменты обычно секретируется в виде желтого пигмента билирубина, который секретируется в кишечник как желчь. Кишечник превращает билирубин в уробилиноген. Уробилиноген покидает тело в фекалиях, в виде пигмента под названием стеркобилин.

Роль в болезнях

Недостаточность гемоглобина может быть вызвана либо уменьшением количества его молекул, как при анемии, либо снижением способности каждой молекулы связывать кислород при нормальном парциальном давлении кислорода. Патологии гемоглобина (генетические дефекты в результате ненормальной структуры молекулы гемоглобина) могут вызвать и то, и другое. В любом случае, недостаток гемоглобина уменьшает способность крови переносить кислород. Недостаток гемоглобина, в целом, сильно отличается от гипоксии и определяется как снижение парциального давления кислорода в крови, хотя и является причиной гипоксии (недостаточной подачи кислорода в ткани).

Другие распространенные причины низкого уровня гемоглобина включают в себя потерю крови, дефицит питательных веществ, проблемы костного мозга, химиотерапию, почечную недостаточность или аномальные вариации (например, серповидно-клеточная анемия).

Высокий уровень гемоглобина может быть вызван воздействием больших высот, курением, обезвоживанием или опухолями.

Способность каждой молекулы гемоглобина переносить кислород, как правило, изменяется при изменении рН крови или СО2, в результате чего меняется кривая диссоциации кислорода и гемоглобина. Тем не менее, он также может меняться при патологических явлениях, например, при отравлении монооксидом углерода.

Снижение гемоглобина, с абсолютным уменьшением эритроцитов или без него, приводит к симптомам анемии. Анемия имеет много различных причин, хотя дефицит железа и железодефицитная анемия являются наиболее распространенными причинами в западном мире. Поскольку отсутствие железа уменьшает синтез гема, красные кровяные тельца при железодефицитной анемии являются гипохромными (отсутствует красный пигмент) и микроцитарными (меньше, чем обычно). Другие виды анемии встречаются реже. При гемолизе (ускоренный распад эритроцитов) желтуха вызвана метаболитом гемоглобина – билирубином, и циркулирующий гемоглобин может привести к почечной недостаточности.

Некоторые мутации в цепи глобина связаны с гемоглобинопатиями, такими как серповидно-клеточная анемия и талассемия. Другие мутации, о которых говорилось выше, являются доброкачественными и упоминаются лишь как варианты гемоглобина.

Существует группа генетических нарушений, известных как порфирии, которые характеризуются ошибкой в метаболических путях синтеза гема. Король Георг III в Великобритании был, вероятно, самым известным больным порфирией.

В малой степени гемоглобин А медленно сочетается с глюкозой в валине (альфа-аминокислота) каждой β цепи. В результате молекулы часто называют гемоглобином A1c. По мере увеличения концентрации глюкозы в крови, увеличивается и процент гемоглобина, который превращается в A1c. При диабете, когда уровень глюкозы является высоким, процент гемоглобина A1c также высок. Из-за медленной связи гемоглобина с глюкозой, процент A1c характеризует уровень глюкозы в крови среднем в течение более длительного времени (период полураспада эритроцитов, который обычно составляет 50-55 дней).

Гликозилированный гемоглобин представляет собой форму, с которой связана глюкоза. Связывание глюкозы с аминокислотой в гемоглобине происходит спонтанно (без помощи ферментов) во многих белках, и не известно, какой именно полезной цели это служит. Тем не менее, связывание с гемоглобином служит для учета средних уровней глюкозы в крови в течение всего срока жизни эритроцитов, что составляет примерно 120 дней. Поэтому уровень гликозилированного гемоглобина измеряют для того, чтобы контролировать долгосрочное хроническое заболевание сахарным диабетом 2 типа (СД 2). Плохой контроль СД 2 приводит к высокому уровню гликозилированного гемоглобина в красных кровяных клетках. Нормальный диапазон составляет примерно 4-5,9%. Значение менее 7% рекомендуются для людей с СД 2. Уровни выше 9% связаны с недостаточным контролем гликозилированного гемоглобина, а выше 12% связаны с очень плохим контролем. Диабетики, которые удерживают уровень гликозилированного гемоглобина близко к 7%, имеют гораздо больше шансов избежать тех осложнений, которые могут сопровождать сахарный диабет (по сравнению с теми, чей уровень 8% или выше). Кроме того, повышение гликозилирования гемоглобина увеличивает его сродство к кислороду, что предотвращает его выход в ткани и вызывает гипоксию в крайних случаях.

Повышенный уровень гемоглобина связан с увеличением числа или размеров красных кровяных клеток, и называется полицитемия. Это увеличение может быть вызвано врожденными пороками сердца, легких, фиброзом легких, слишком большим количеством эритропоэтина или полицитемией.

Недавние исследования, проведенные в Пондичерри, Индия, показывают важность гемоглобина при ишемической болезни сердца.

Диагностическое использование

Измерение концентрации гемоглобина является одним из наиболее часто выполняемых анализов крови, как правило, как часть полного анализа крови. Например, этот анализ, как правило, выполняется до или после донорства крови. Результаты приведены в г/л, г/дл или моль/л. 1 г/дл составляет около 0,6206 ммоль/л, хотя последние единицы не используются, из-за неопределенности в отношении полимерного состояния молекулы. Этот коэффициент преобразования с использованием одного блока глобина молекулярной массой 16000 дальтон является более общим для концентрации гемоглобина в крови. Для показателя насыщенности эритроцитов гемоглобином коэффициент оставляет 0,155, при котором используется тетрамер весом 64500 дальтон. Нормальные значения таковы:

  • Мужчины: от 13,8 до 18,0 г/дл (от 138 до 180 г/л, или от 8,56 до 11,17 ммоль/л)
  • Женщины: от 12,1 до 15,1 г/дл (от 121 до 151 г/л, или от 7,51 до 9,37 ммоль/л)
  • Дети: от 11 до 16 г/дл (от 111 до 160 г/л, или от 6,83 до 9,93 ммоль/л)
  • Беременные женщины: от 11 до 14 г/дл (от 110 до 140 г/л, или от 6,83 до 8,69 ммоль/л)

Нормальные значения гемоглобина в 1-м и 3-м триместрах беременных женщин должны быть не менее 11 г/дл, и не менее 10,5 г/дл в течение 2-го триместра.

Обезвоживание или гипергидратация может сильно влиять на измеряемый уровень гемоглобина. Альбумин может указывать на гидратацию.

Если концентрация ниже нормы, это называется анемией. Анемии классифицируют по размеру эритроцитов, клеток, которые содержат гемоглобин у позвоночных. Анемия называется «микроцитарной», если эритроцитов мало; «макроцитарной», если они большие; «нормоцитарной» в противном случае.

Гематокрит, часть объема крови, приходящаяся на эритроциты, как правило, примерно в три раза превышает концентрацию гемоглобина, измеряемую в г/л. Например, если гемоглобин измеряется как 17 г/л, то гематокрит составляет 51%.

Для лабораторных методов анализа гемоглобина необходим образец крови (артериальной, венозной или капиллярной) и анализ на гематологический анализатор и CO-оксиметр. Кроме того, новый неинвазивный тест на гемоглобин называется импульсной СО-оксиметрией, и он также доступен с точностью, сопоставимой с инвазивными методами.

Концентрации окси- и дезоксигемоглобина может измеряться непрерывно, регионально и неинвазивно с использованием инфракрасного спектрометра. Он может применяться как на голове, так и на мышцах. Этот метод часто используется для научных исследований, например, в элитных спортивных тренировках, эргономике, при реабилитации, мониторинге состояния пациента, неонатальных исследованиях, мониторинге функциональности мозга, в урологии (сокращение мочевого пузыря), неврологии (нейроваскулярная связь) и многих других областях.

Долгосрочный контроль концентрации сахара в крови может быть измерен за счет концентрации гемоглобина A1c. Измерение его непосредственным образом потребует много образцов, потому что уровень сахара в крови меняется в течение дня. Гемоглобин A1c является продуктом необратимой реакции гемоглобина А с глюкозой. Более высокие концентрации глюкозы приводят к большему количеству гемоглобина A1c . Поскольку реакция происходит медленно, доля гемоглобина A1c представляет собой уровень глюкозы в крови, усредненный по времени полужизни эритроцитов в крови, как правило, 50-55 дней. Уровень гемоглобина A1c равный 6,0% или менее означает хороший долгосрочный контроль уровня глюкозы, а значения выше 7,0 % являются повышенными. Этот тест особенно полезен для больных диабетом.

В функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) используется сигнал от деоксигемоглобина, чувствительного к воздействию магнитных полей, так как он является парамагнитным. Комбинированное измерение с инфракрасным спектрометром показывает хорошую корреляцию окси- и дезоксигемоглобина.

gemoglobin-.jpg

Аналоги у беспозвоночных организмов

В животном и растительном мире существует разнообразие белков, транспортирующих и связывающих кислород. Все организмы, включая бактерии, простейшие и грибы, имеют белки, сходные с гемоглобином, функцией которых является обратимое связывание газообразных лигандов. Поскольку многие из этих белков содержат глобины и гем (железо в плоскости порфирина), их часто называют гемоглобинами, даже если их общая третичная структура очень сильно отличается от белков позвоночных. В частности, определение «миоглобина» и гемоглобина у низших животных зачастую невозможно, так как некоторые из этих организмов не содержат мышц. Или они могут иметь узнаваемую отдельную систему кровообращения, но она не связана с транспортом кислорода (например, у многих насекомых и других членистоногих). Во всех этих группах молекулы, содержащие гем/глобин (даже с мономерным глобином), которые связывают газ, называются оксигемоглобинами. В дополнение к решению проблемы транспорта кислорода, они могут также иметь дело с NO, CO2, сульфидными соединениями и даже очисткой O2 в среде, которая должна быть анаэробной. Они могут даже иметь дело с детоксикацией хлорированных материалов, аналогично гем-содержащим ферментам и пероксидазе.

Структура гемоглобинов варьируется в зависимости от вида. Гемоглобин встречается во всех царствах организмов, но не во всех организмах. Примитивные виды, такие как бактерии, простейшие, водоросли и растения часто имеют гемоглобин с одной структурой глобина. Многие черви нематоды, моллюски и ракообразные содержат очень большие мультисубъединичные молекулы, значительно больше, чем у позвоночных. В частности, химерные гемоглобины найдены в грибах, а гигантские аннелиды могут иметь как глобин, так и другие типы белков.

Один из самых ярких способов использования гемоглобина в организме связан с гигантским червем рифтией (Riftia Pachyptila, которая также называется вестиментиферой), которая может достигать 2,4 метра в длину и заполняет океанические жерла вулканов. Вместо пищеварительного тракта эти черви содержат популяции бактерий, составляющие половину веса организма. Бактерии вступают в реакцию с H2S ​​из жерла и О2 из воды, чтобы производить энергию для образования еды из Н2О и СО2. Черви имеют на конце темно-красную веерообразную структуру («перо»), которая простирается в воде и поглощает H2S и O2 для бактерий и CO2 для использования в качестве синтетического сырья, аналогично фотосинтетическим растениям. Структура окрашена в ярко-красный цвет за счет содержания нескольких чрезвычайно сложных гемоглобинов, которые имеют до 144 глобинов, каждый из которых имеет связанные с ним структуры гема. Этот гемоглобин отличается возможностью переносить кислород в присутствии сульфида, и даже переносить сульфид, не будучи полностью «отравленным» или ингибированным, как у большинства других видов.

Другие белки, связывающие кислород

Миоглобин

Найден в мышечной ткани многих позвоночных животных, включая человека. Придает мышечной ткани выраженный красный или темно-серый цвет. Он очень похож на гемоглобин по структуре и последовательности, но не является тетрамером. Вместо этого он представляет собой мономер, который испытывает недостаток кооперативного связывания. Он используется для хранения кислорода, а не для его транспортировки.

Гемоцианин

Второй наиболее распространенный в природе белок, переносящий кислород, он находится в крови многих членистоногих и моллюсков. Использование группы меди вместо группы железа в гемме придает синий цвет при насыщении кислородом.

Гемэритрин

Некоторые морские беспозвоночные и несколько видов кольчатых червей используют этот железосодержащий негемовый белок, чтобы переносить кислород в крови. Становится розовым / фиолетовым при наличии кислорода, в остальных случаях прозрачный.

Хлорокруорин

Найден у многих кольчатых червей. Он очень похож на эритрокруорин, но группа гема значительно отличается по структуре. Становится зеленым в венозной крови и красным в присутствии кислорода.

Гемованадины

Также известные как хромагены ванадия, они находятся в крови асцидий. Когда-то предполагалось использовать редкий металл ванадий для связывания кислорода простетической группой. Однако, хотя они содержат ванадий, они, очевидно, связывают малое количество кислорода, и, следовательно, имеют некоторые другие функции, которые пока не выяснены (асцидии также имеют немного гемоглобина). Они могут действовать как токсины.

Эритрокруорин

Найден у многих кольчатых червей, в том числе у дождевых червей. Это гигантский свободно плавающий белок крови, содержащий много десятков - возможно, и сотен - белковых субъединиц, содержащих железо и гем, и связанных друг с другом в единый белковый комплекс с молекулярной массой более 3500000 дальтон.

Пиннаглобин

Обнаружен только у моллюска Pinna squamosa. Коричневый белок на основе марганца.

Легоглобин

У бобовых растений, таких как люцерна или соя, азотфиксирующие бактерии корней защищены от кислорода эти белком, связывающим кислород и имеющим гем железа. Специфический фермент нитрогеназа не позволяет уменьшать азот в присутствии свободного кислорода.

Кобоглобин

Синтетический порфирин на основе кобальта. Кобопротеин бесцветный в присутствии кислорода, но имеет желтый цвет в венах.

Наличие в других клетках

Некоторые другие клетки (т.е. клетки, отличные от красных клеток крови) содержат гемоглобин. В головном мозге к ним относятся A9 дофаминергические нейроны в черном веществе, астроциты в коре головного мозга и гиппокампе и во всех зрелых олигодендроцитах. Было высказано предположение, что гемоглобин мозга в этих клетках может позволить «хранение кислорода, чтобы обеспечить гомеостатические механизмы в бескислородных условиях, что особенно важно для нейронов A9, которые имеют повышенный обмен веществ с высоким требованием для производства энергии». Было отмечено далее, что «A9 дофаминергические нейроны могут подвергаться особому риску, так как помимо высокой активности митохондрий, они находятся в интенсивном окислительном стрессе, вызванном производством перекиси водорода через автоокисление и / или дезаминирование допамина, опосредованное моноаминоксидазой, и последующей реакцией двухвалентного железа, генерирующего высокотоксичные гидроксильные радикалы». Это может объяснить риск дегенерации этих клеток при болезни Паркинсона. Железо, полученное из гемоглобина в этих клетках, не является причиной посмертного потемнения этих клеток (происхождение латинского названия черной субстанции), а обусловлено нейромеланином.

Вне мозга гемоглобин имеет другие функции и действует как антиоксидант и регулятор метаболизма железа в макрофагах альвеолярных клеток и мезангиальных клеток в почках.

В истории, искусстве и музыке

Исторически сложилось, что цвет крови давал ассоциацию с планетой Марс, с римским богом войны, так как планета имеет оранжево-красный цвет, который напоминал древним кровь. Хотя цвет планеты связан с соединениями железа в сочетании с кислородом в марсианской почве, это распространенное заблуждение, что железо в гемоглобине и его оксиды придают крови красный цвет. Цвет на самом деле вызван фрагментом порфирина гемоглобина, с которым связано железо, а не самим цветом железа. Хотя связывание и окислительно-восстановительное состояние железа может влиять на электронные переходы порфирина и, следовательно, на его оптические характеристики.

Художник Джулиан Восс-Андреа создал скульптуру под названием «Стальное сердце (гемоглобин)» в 2005 году, основанную на сущности белка. Скульптура была сделана из стекла и кортеновской стали. Преднамеренное ржавление первоначально блестящей работы отображает фундаментальные химические реакции при связывании кислорода с железом.

Рок-группа Placebo записала песню под названием «Haemoglobin» со строчками «Гемоглобин – это ключ к здоровому сердцебиению». Французский рэп-артист M.C. Solaar также записал успешный сингл под названием «La Concubine de l’hemoglobine» в 1994 году.




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".