ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Биомедицинское значение...................3
2. Химическое строение.......................3
3. Кинетика оксигенирования гемоглобина......7
4. Конформационные изменения в окружении
гемогруппы................................9
5. Транспорт двуокиси углерода...............10
6. Молекулярная основа эффекта Бора.........12
7. Концентрация гемоглобина.................13
8. Способы исследования.....................14
9. Метгемоглобин............................15
10. Сульфогемоглобин........................15
11. Типы гемоглобина........................16
12. Методы дифференцировки видов
гемоглобина.............................19
13. Гемоглобин при серповидноклеточной
анемии..................................22
14. Талассемии............................. 25
15. Список литературы.......................26
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ГЕМОГЛОБИНА
БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Гемсодержащие белки участвуют в процессах связывания и транспорта кислорода, в транспорте электронов в фотосинтезе. Детальное изучение гемоглобина выявляет ряд структурных аспектов, общих для многих белков. Говоря о большом биомедицинском значении этих белков, мы имеем в виду, что результаты, полученные при исследовании, наглядно иллюстрируют структурно-функциональные взаимосвязи. Кроме того, эти исследования выявляют молекулярную основу ряда генетических болезней, таких как серповидноклеточная анемия (возникающая в результате изменения свойств поверхности b-субъединицы гемоглобина) или талассемия (хроническое наследуемое гемолитическое заболевание, характеризующееся нарушениями процессов синтеза гемоглобина). Летальный эффект цианида и окиси углерода объясняется тем, что эти вещества блокируют физиологическую функцию гемопротеинов - цитохромоксидазы и гемоглобина соответственно. Наконец, стабилизация четвертичной структуры дезоксигемоглобина 2,3-бифосфоглицератом (ДФГ) занимает центральное место в исследовании механизмов кислородной недостаточности в условиях высокогорья и процессов адаптации к этим условиям. [1]
ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ
Химически гемоглобин относится к группе хромопротеидов. Его простетическая группа представляет собой ферросоединение протопорфирина IХ, с молекулярным составом С34Н32О4N4Fe и носит название гем (рис.1). Она придает соединению окраску. Белковый компонент гемоглобина называется глобином. Гемоглобиновая молекула содержит 4 гема и 1 глобин. Аминокислоты расположены в глобине в виде четырех полипептидных цепочек; две из них идентичны по структуре, и их обозначают как альфа-цепочки; две другие тоже идентичны между собой и их обозначают как бета-цепочки. Следовательно, формулу глобина можно выразить как альфа-альфа/бета-бета или альфа2бета2. альфа-полипептидная цепь состоит из 141, бета-полипептидная цепь - из 146 аминокислот.
Аминокислотный состав и последовательность (секвенция) альфа- и бета-цепей показаны на рис. 93. альфа-полипептидная цепь заканчивается комбинацией аминокислот валина-лейцина, а бета-полипептидная цепь - комбинацией валина-гистидина-лейцина. альфа- и бета-полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле не расположены линейно, как это выглядит на первый взгляд из данных ("первичная структура") на рис. 2. По причине существования интрамолекулярных сил, полипептидные цепи скручиваются в форме типичной для белков альфа-геликсовой спирали ("вторичная структура"). Сама альфа-геликсовая спираль на каждую альфа- и бета-полипептидную цепь огибается
пространственно, образуя сплетения овоидной формы ("третичная структура"). На рис. 2 показано "третичное сгибание" полипептидных геликсовых спиралей в пространстве. Отдельные части альфа-геликсовых спиралей полипептидных цепей отмечают латинскими буквами от А до Н (рис. 2 и рис. 3)
Все четыре третично изогнутые альфа- и бета-полипептидные цепи располагаются пространственно в определенном соотношении ("кватернерная структура"), что показано схематически на рис. 4. Они связаны между собой не настоящими химическими связями, а межмолекулярными силами.
Четыре гема гемоглобиновой молекулы расположены в форме дисков меду складками четырех альфа-, соответственно бета-полипептидных цепей (рис. 3), причем каждый гем связан с одной полипептидной цепью посредством координационной связи между Fe++-атомом гема и гистидиновым остатком полипептидной цепи (рис. 5).
Комплекс, составленный из одного гема и одной альфа-, респ. бета-полипептидной цепи, называется Сведберговой единицей. Очевидно гемоглобиновая молекула состоит из четырех Сведберговых единиц. В настоящее время принято считать, что молекулярный вес гемоглобина равен 64458, т.е. на один атом железа, соответственно приблизительно на Сведбергову единицу полагается по 16115.
Кроме координационной связи, существующей между
полипептидными цепями глобина, Fe++ атом гема располагает еще
тремя координационными связями (рис. 5) Две из них связаны
двумя азотными атомами порфиринового кольца, а третья, в среде
с низким парциальным давлением кислорода (венозная кровь),
связана с одной молекулой воды ( редуцированный гемоглобин ). В
среде с высоким парциальным давлением кислорода (артериальная
кровь), третья координационная связь соединена с одной
молекулой кислорода, причем получается соединение -
оксигемоглобин . Путем непрерывного превращения оксигемоглобина
в редуцированный гемоглобин и обратно, осуществляется перенос
кислорода из легких к тканям. [2]
КИНЕТИКА ОКСИГЕНИРОВАНИЯ ГЕМОГЛОБИНА
Гемоглобин связывает четыре молекулы кислорода на
тетрамер (по одной на гем в каждой субъединице); особенно
важным отличаем его от миоглобина является кривая насыщения
кислородом, которая имеет сигмоидную форму (рис. 6). Таким
образом, способность гемоглобина связывать кислород зависит от
того, содержатся ли в данном тетрамере другие молекулы
кислорода. Если да, то последующие молекулы кислорода
присоединяются легче. Следовательно, для гемоглобина
характерна кинетика кооперативного связывания 0, благодаря
которой он связывает максимальное количество кислорода в
легких и отдает максимальное количество кислорода при тех
парциальных давлениях кислорода, которые имеют место в
периферических тканях.
Сродство гемоглобинов к кислороду характеризуется
величиной Р50 - значением парциального давления кислорода, при
котором наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом 0.
Значение Р50 у у разных организмов существенно различается, но
во всех случаях оно превышает значение парциального давления
кислорода в периферических тканях рассматриваемого организма.
Это хорошо иллюстрирует фетальный гемоглобин человека (НВF).
Для HbA Р50=26 мм. рт. ст., а для HbF Р50=20 мм. рт. ст.
Благодаря этой разнице гемоглобин F отбирает кислород у HbA,
находящегося в плацентарной крови. Однако после рождения
ребенка HbF утрачивает свою функцию; обладая более высоким
сродством к кислороду, он высвобождает меньшее его количество
в тканях.
ОКСИГЕНИРОВАНИЕ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ЗНАЧИТЕЛЬНЫМИ
КОНФОРМАЦИОННЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ В ГЕМОГЛОБИНЕ
Связывание кислорода сопровождается разрывом солевых
связей, образованных концевыми карбоксильными группами
субъединиц (рис.7) Это облегчает связывание следующих молекул
кислорода, поскольку при этом требуется разрыв меньшего числа
солевых связей. Указанные изменения заметно влияют на
вторичную, третичную и особенно четвертичную структуру
гемоглобина. При этом одна А/В-пара субъединиц поворачивается
относительно другой А/В-пары, что приводит к компактизации
тетрамера и повышению сродства гемов к кислороду (рис. 8 и 9).
КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ОКРУЖЕНИЕ ГЕМОГРУППЫ
Оксигенирование гемоглобина сопровождается структурными
изменениями в окружении гемогруппы. При оксигенировании атом
железа, который в дезоксигемоглобине выступал на 0,06 нм из
плоскости гемового кольца, втягивает в эту плоскость (рис.
10). Вслед за атомом железа ближе к гему перемещается
проксимальный гистидин (F8), а также связанные с ним соседние
остатки.
ТРАНСПОРТ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА
Гемоглобин не только переносит кислород от легких к
периферическим тканям, но и ускоряет транспорт углекислого
газа от тканей к легким. Гемоглобин связывает углекислый газ
сразу после высвобождения кислорода; примерно 15% углекислого
газа, присутствующего в крови, переносится молекулами
гемоглобина. Находящаяся в эритроцитах карбоангидраза
катализирует превращение поступающего из тканей углекислого
газа в угольную кислоту (рис.11). Угольная кислота быстро
диссоциирует на бикарбонат-ион и протон, причем равновесие
вдвинуто в сторону диссоциации. Для предотвращения опасного
повышения кислотности крови должна существовать буферная
система, способная поглощать избыток протонов. Гемоглобин
связывает два протона на каждые четыре освободившиеся молекулы
кислорода 0и определяет буферную емкость крови (рис. 12). В
легких идет обратный процесс: присоединение кислорода к
дезоксигемоглобину сопровождается высвобождением протонов 0,
которые связываются с бикарбонат-ионами, переводя их в
угольную кислоту. Далее эффективно действующая карбоангидраза
катализирует превращение угольной кислоты в углекислый газ,
выдыхаемый из легких. Таким образом, связывание кислорода
тесно сопряжено с выдыханием углекислого газа. Это обратимое
явление известно как эффект Бора . Эффект Бора является
свойством тетрамерного гемоглобина и определяется гем-гемовым
взаимодействием, лежащим в основе кооперативных эффектов.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА ЭФФЕКТА БОРА
Протоны, ответственные за эффект Бора, высвобождаются в
результате разрушения солевых мостиков, которым сопровождается
связывание кислорода с Т-структурой; они отсоединяются от