Гемоглобин и его соединения

Основные функции эритроцитов связаны с наличием в их составе особого белка хромопротеида, получившего наименование гемоглобин. Молекулярная масса гемоглобина человека равна 68800 Да. Состоит гемоглобин из белковой (глобин) и железосодержащей (гем) частей. На одну молекулу глобина приходится 4 молекулы гема.

В крови здорового человека содержание гемоглобина колеблется в пределах от 120 до 160 г/литр. У женщин уровень гемоглобина несколько ниже (до 150 г/литр), чем у мужчин (до 160 г/литр). У беременных женщин содержание гемоглобина может падать до 110 г/литр, и это не является патологией.

У жителей, проживающих на высоте 2000 метров, количество гемоглобина в среднем на 10 г/литр, а на уровне 3000 м – на 20 г/литр больше, чем на равнине. При этом одновременно наблюдается повышение числа эритроцитов.

Основное назначение гемоглобина – транспорт кислорода и углекислого газа. Кроме того, гемоглобин обладает буферными свойствами, а также способностью связывать некоторые токсические вещества, благодаря чему поддерживается постоянство внутренней среды – гомеостаз.

Гемоглобин человека и разных животных имеет различное строение. Это касается белковой части – глобина, ибо гем у всех представителей животного мира имеет одну и ту же структуру. Он состоит из молекулы порфирина, в центре которой расположен атом железа со степенью окисления +2, способный присоединять кислород. Белковая часть гемоглобина человека неоднородна по своей структуре, благодаря чему разделяется на ряд фракций. Большая часть гемоглобина взрослого человека (до 95 – 98%) состоит из фракции А (от слова adultus – взрослый). От 2 до 3% всего гемоглобина приходится на фракцию А2. Наконец в эритроцитах взрослого человека находится так называемый фетальный гемоглобин (от лат. foetus – плод), или гемоглобин F, содержание его в норме подвержено значительным колебаниям, хотя редко превышает 1–2%. Гемоглобины А и А2 обнаруживаются практически во всех эритроцитах, тогда как гемоглобин F присутствует в них не всегда.

Гемоглобин F содержится преимущественно у плода. К моменту рождения ребенка на его долю приходится до 70 – 90%. Гемоглобин F имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин А, что позволяет тканям плода не испытывать гипоксии, несмотря на относительно низкое напряжение кислорода в его крови. Эта приспособительная реакция объясняется тем, что гемоглобин более трудно вступает в связь с 2,3-дифосфоглицериновой кислотой (2,3-ДФГК), которая уменьшает способность гемоглобина образовывать оксигемоглобин, но приводит к более легкой его отдаче тканям. 2,3-ДФГК образуется в процессе метаболизма по побочному пути гликолиза.

Кроме так называемых "нормальных" гемоглобинов, существуют еще аномальные, встречающиеся при различных заболеваниях системы крови. В настоящее время насчитывается более 300 аномальных гемоглобинов. Все они отличаются друг от друга строением глобина.

Первичными структурными элементами молекулы гемоглобина являются полипептидные цепи, носящие наименование протомеров и состоящие из аминокислот. Свойства гемоглобина, наличие нормальных и патологических гемоглобинов зависит от того порядка, в котором расположены аминокислоты, а также от того, находятся цепи в виде спиралей или в простом виде, т.е. от вторичной, третичной и четвертичной его структуры (рис. 3).

Все три фракции (А, А2, F) гемоглобина состоят из одинакового количества аминокислот (574), располагающихся в виде четырех полипептидных цепей. В зависимости от последовательности аминокислот эти цепи обозначаются греческими буквами a, b, g и d. Гемоглобин А состоит из двух a-цепей и двух b-цепей, гемоглобин А2 – из двух a-цепей и двух d-цепей, гемоглобин F – из двух a-цепей и двух g-цепей. В a-цепь гемоглобина входит 141 аминокислота, остальные содержат по 146 аминокислот каждая.

Порядок расположения аминокислот в цепях гемоглобина обозначается как первичная структура. 75% полипептидных цепей гемоглобина закручены вокруг своей продольной оси и составляют a-спираль, а 25% – неспиральные участки. Это так называемая вторичная структура гемоглобина. Третичная структура гемоглобина связана с пространственным расположением спирализованной полипептидной цепи в белковой молекуле. Наконец, четвертичная структура обусловлена связью между полипептидными цепями. Так, в гемоглобине А a-цепь связана с b-цепью, составляя субъединицу. Две такие субъединицы и образуют молекулу гемоглобина (рис. 3).

Гем и глобин внутри молекулы гемоглобина находятся в тесном взаимодействии. Гемоглобин обладает способностью образовывать соединения с О₂, СО₂, и СО. Гемоглобин, присоединивший О₂, носит наименование оксигемоглобина (HHbO2); гемоглобин, отдавший О₂, называется восстановленным, или редуцированным гемоглобином (HHb). В артериальной крови преобладает содержание оксигемоглобина, от чего ее цвет приобретает алую окраску. В венозной крови до 35% всего гемоглобина приходится на HHb. Кроме того, часть гемоглобина через аминную группу связывается с СО₂, образуя карбогемоглобин (HHbCO₂), благодаря чему переносится от 10 до 20% всего транспортируемого кровью СО₂.

Гемоглобин способен образовывать довольно прочную связь с CO. Это соединение называется карбоксигемоглобин (HHbCO). Сродство гемоглобина к СО значительно выше, чем к О₂, поэтому гемоглобин, присоединивший CO, не способен связаться с O2. Однако при вдыхании чистого О₂ резко возрастает скорость распада карбоксигемоглобина, чем на практике пользуются при отравлении СО.

Сильные окислители (ферроцианид, бертолетова соль, перекись водорода и др.) изменяют заряд от Fe²⁺ до Fe³⁺, в результате чего возникает окисленный гемоглобин – прочное соединение гемоглобина с О₂, носящее наименование метгемоглобин. При этом нарушается транспорт O2, что может привести к тяжелейшим последствиям и даже смерти.