Что показывает миоглобин в анализе крови. Гемоглобин и миоглобин Миоглобин простой белок

МИОГЛОБИН - сложный глобулярный белок, третьего уровня структурной организации, молекула которого состоит из 1 полипептидной цепи и содержит 153 аминокислоты. В миоглобине содержится железопорфириновая группа (гем), и он способен обратимо присоединять кислород.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА ГЕМОГЛОБИНА . При помощи рентгеноструктурного анализа Перутцем и его сотрудниками в Кембридже установлены третичная и четвертичная структуры гемоглобина. Гемоглобин содержится в эритроцитах и служит для переноса кислорода. Молекулярная масса гемоглобина 64500. Молекула состоит из 4 отдельных полипептидных цепей: 2 a-цепей (141 остаток аминокислот) и 2 b- цепей (146 остатков аминокислот в каждой), каждая из которых связана нековалентной связью с остатками гема. Каждая из 4 отдельных цепей гемоглобина свернута нерегулярным образом и состоит из ряда a- спиральных участков, разделенных местами сгибов.

a- и b- цепи гемоглобина примерно на 70 % состоят из a-спиральных участков. По своей третичной структуре a- и b-цепи очень сходны, они образованы из a- спиральных участков одинаковой длины, согнутых под одинаковыми углами и в одних и тех же направлениях. Третичная структура a- и b-цепей гемоглобина очень сходна с третичной структурой единственной цепи миоглобина. Сходная функция гемоглобина и миоглобина, обусловленная способностью обратимо связывать О 2 , объясняется сходством третичной структуры.

Согласно данным рентгеноструктурного анализа молекула гемоглобина по своей форме приближается к сфере диаметром ~ 5,5 нм. 4 полипептидные цепи уложены относительно друг друга приблизительно в виде тетраэдра, в результате чего возникает характерная четвертичная структура гемоглобина.

Это очень компактная структура. Большинство гидрофобных R- групп аминокислот находится внутри глобулы, а большинство гидрофильных R- групп - снаружи. В молекуле гемоглобина возникает небольшое число контактов между одинаковыми цепями (2 a- и 2 b- цепями) и множество контактов между a- и b- цепями. В образовании таких контактов принимают участие в основном гидрофобные R- группы аминокислотных остатков.

При присоединении к гемоглобину кислорода расстояние между 2 b- цепями гемоглобина уменьшается и изменяется четвертичная структура. Таким образом, гемоглобин и оксигемоглобин (насыщенный кислородом) различаются по своей четвертичной структуре.

Четвертичная структура олигомерных белков также определяется первичной аминокислотной последовательностью входящих в их состав отдельных полипептидных цепей. Олигомерные белки (гемоглобин) обнаруживают способность к самосборке.

Главное отличие гемоглобина от миоглобина заключается в проявлении особого рода эффектов - кооперативных, влияющих на скорости присоединения- отсоединения молекул кислорода. Каждая молекула гемоглобина способна присоединять и переносить четыре молекулы кислорода, при этом кооперативность проявляется в том, что как присоединение, так и отсоединение каждой последующей молекулы кислорода облегчается в результате структурных изменений в конформации молекулы, которых у гемоглобина имеется две основных- оксигенированная и дезоксигенированная. Промежуточные состояния нестабильны. Предполагается следующий механизм кооперативного эффекта. Присоединение первой молекулы кислорода приводит к тому, что атом железа смещается от своего места примерно на 0,4-0,6 ангстрем, вызывая изменения конформации субъединицы. Изменившаяся конформация по аллостерическому эффекту облегчает присоединение кислорода к другой субъединице и т.д. Это позволяет максимально ускорить процесс присоединения кислорода в легких (рО 2 = 100 мм рт. ст.). При переносе оксигенированного гемоглобина в капилляры тканей (рО 2 = 5 мм рт. ст.) отсоединение молекул кислорода протекает также быстро, по кооперативному эффекту. Известны, впрочем, и химические регуляторы скорости и полноты присоединения кислорода. К ним, в частности, относится 2,3- дифосфоглицериновая кислота. Она облегчает присоединение кислорода у организмов, обитающих в высокогорных районах.

Миоглобин содержит небелковую часть (гем) и белковую часть (апомиоглобин).

Гем - молекула, имеющая структуру циклического тетрапиррола, где 4 пиррольных кольца соединены метиленовыми мостиками и содержат 4 метальные, 2 винильные и 2 пропионатные боковые цепи. Эта органическая часть тема называется протопорфирином. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX. В теме 4 атома азота пиррольных колец протопорфирина IX связаны четырьмя координационными связями с Fe 2+ , находящимся в центре молекулы (рис. 1-29).

Апомиоглобин - белковая часть миоглобина; первичная структура представлена последовательностью из 153 аминокислот, которые во вторичной структуре уложены в 8 ?-спиралей. ?-Спирали обозначают латинскими буквами от А до Н, начиная с N-конца полипептидной цепи, и содержат от 7 до 23 аминокислот. Для обозначения индивидуальных аминокислот в первичной структуре апомиоглобина используют либо написание их порядкового номера от N-конца (например, Гис 64 , Фен 138), либо букву?-спирали и порядковый номер данной аминокислоты в этой спирали, начиная с N-конца (например, Гис F 8).

Третичная структура имеет вид компактной глобулы (внутри практически нет свободного места), образованной за счёт петель и поворотов в области неспирализованных участков белка. Внутренняя часть молекулы почти целиком состоит из гидрофобных радикалов, за исключением двух остатков Гис, располагающихся в активном центре.

3.Связывание гема с апомиоглобтом

Гем - специфический лиганд апомиоглобина, присоединяющийся к белковой части в углублении

между двумя?-спиралями F и Е. Центр связывания с гемом образован преимущественно гидрофобными остатками аминокислот, окружающими гидрофобные пиррольные кольца тема. Две боковые группы пропионовых кислот, ионизированные при физиологических значениях рН, выступают на поверхности молекулы.

В активный центр апомиоглобина кроме гидрофобных аминокислот входят также 2 остатка Гис (Гис 64 и Гис 93 или Гис Е 7 и Гис F 8), играющие важную роль в функционировании белка. Они расположены по разные стороны от плоскости тема и входят в состав спиралей F и Е, между которыми располагается гем. Атом железа в теме может образовывать 6 координационных связей, 4 из которых удерживают Fe 2+ в центре протопорфирина IX (соединяя его с атомами азота пиррольных колец), а 5-я связь возникает между Fe 2+ и атомом азота имидазольного кольца Гис F 8 (рис. 1-30).

Гис Е 7 хотя и не связан с гемом, но необходим для правильной ориентации и присоединения другого лиганда - О 2 к миоглобину.

Аминокислотное окружение тема создаёт условия для довольно прочного, но обратимого связывания О 2 с Fe 2+ миоглобина. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие гем, препятствуют проникновению в центр связывания миоглобина воды и окислению Fe 2+ в Fe 3+ . Трёхвалентное железо в составе тема не способно присоединять О 2 .

Структура и функции гемоглобина

Гемоглобины - родственные белки, находящиеся в эритроцитах человека и позвоночных животных. Эти белки выполняют 2 важные функции:

перенос О 2 из лёгких к периферическим тканям;

участие в переносе СО 2 и протонов из периферических тканей в лёгкие для последующего выведения из организма.

Кровь ежедневно должна переносить из лёгких в ткани около 600 л,О 2 . Так как О 2 плохо растворим в воде, то практически весь кислород в крови связан с гемоглобином эритроцитов. От способности гемоглобина насыщаться О 2 в лёгких и относительно легко отдавать его в капиллярах тканей зависят количество получаемого тканями О 2 и интенсивность метаболизма. С другой стороны, О 2 - сильный окислитель, избыток поступления О 2 в ткани может привести к повреждению молекул и нарушению структуры и функций клеток. Поэтому важнейшая характеристика гемоглобина - его способность регулировать сродство к О 2 в зависимости от тканевых условий.

Гемоглобины, так же как миоглобин, относят к гемопротеинам, но они имеют четвертичную структуру (состоят из 4 полипептидных цепей), благодаря которой возникает возможность регуляции их функций.

Четвертичная структура гемоглобина

Четыре полипептидные цепи, соединённые вместе, образуют почти правильную форму шара, где каждая?-цепь контактирует с двумя?-цепями (рис. 1-32).

Так как в области контакта между? 1 - и? 1 -, а также между? 2 - и? 2 -цепями находится много гидрофобных радикалов, то между этими полипептидными цепями формируется сильное соединение за счёт возникновения в первую очередь гидрофобных, а также ионных и водородных связей. В результате образуются димеры? 1 ? 1 , и? 2 ? 2 . Между этими димерами в тетрамерной молекуле гемоглобина возникают в основном полярные (ионные и водородные) связи, поэтому при изменении рН среды в кислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. Кроме того, димеры способны легко перемещаться относительно друг друга. Так как поверхность протомеров неровная, полипептидные цепи в центральной области не могут плотно прилегать друг к другу, в результате в центре формируется "центральная полость", проходящая сквозь всю молекулу гемоглобина.

Кривые диссоциации О 2 для миоглобина и гемоглобина

Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации О 2 для миоглобина и гемоглобина (рис. 1-35).

Отношение занятых О 2 участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные белки О 2 при различных значениях парциального давления кислорода.

Кривая диссоциации О 2 для миоглобина имеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие опсторонние факторы (схема ниже).

.

Процессы образования и распада оксимиоглобина находятся в равновесии, и это равновесие смещается влево или вправо в зависимости от того, добавляется или удаляется кислород из системы. Миоглобин связывает кислород, который в капиллярах тканей высвобождает гемоглобин, и сам миоглобин может освобождать О 2 в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании О 2 в результате физической нагрузки.

Миоглобин имеет очень высокое сродство к О 2 . Даже при парциальном давлении О 2 , равном 1-2 мм рт. ст., миоглобин остаётся связанным с О 2 на 50%.

Кривая диссоциации О 2 для гемоглобина. видно, что гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О 2 ; полунасыщение гемоглобина О 2 наступает при более высоком давлении О 2 (около 26 мм рт. ст.). Кривая диссоциации для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О 2 отдают протомеры, тем легче идёт отщепление последующих молекул О 2 .

В капиллярах покоящихся мышц, где давление О 2 составляет около 40 мм рт. ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе давление О 2 в капиллярах мышц падает до 10-20 мм рт. ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт. ст.) располагается "крутая часть" S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

Следовательно, благодаря уникальной структуре каждый из рассмотренных белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин - присоединять О 2 , высвобождаемый гемоглобином, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин - присоединять О 2 в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать О 2 в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления О 2 .

Миоглобин находится в саркоплазме в непосредственной близости к митохондриям и выполняет роль переносчика кис­лорода от гемоглобина к дыхательным ферментам, и резер­вуара для кислорода. Известно, что миоглобин облада­ет большим, чем гемоглобин сродством к кислороду и поэто­му его много в мышцах ныряющих и диких животных, У человека из общего запаса кислорода (2450 мл) в виде оксимиоглобина запасено 14%. Тренировка мышц приводит к увеличению содержания миоглобина и улучшению их кис­лородного обеспечения.

Миоглобин является специфичным белком мышц и поэтому его появление в сыворотке крови указывает на повреждение мышечной ткани. Его определение в сыворотке крови является од­ним из самых ранних и точных методов выявления инфаркта миокарда, т. к. миоглобин при этом заболевании появляется в больших количествах в крови уже в первые два часа раз­вития инфаркта.

Гемоглобин. Молекула Нb состоит из простого белка типа гистонов - глобина и четырех гемов. Глобин состоит из 4-х мономеров, двух α -цепей (по 141 остатку аминокислот в каждой из α-цепей и двух β-цепей (по 146 остатков аминокислот в каждой). Пространственные структуры миоглобина и гемоглобина поразительно сходны, хотя первичная структура α и β-цепей гемоглобина и цепь миоглобина имеет много различий. Молекулярная масса гемоглобина 70000 Д.

Видовая специфичность гемоглобинов обусловлена амино­кислотным составом глобина. Так, глобин взрослого человека, не содержит изолейцина, а в глобине животных он присутствует. Гемы гемоглобинов всех животных имеют одинаковое строение. Составные части гемоглобина взаимно влияют друг на друга. Глобин превращает малорастворимый, химически инерт­ный гем в высоко растворимый и активный, способный свя­зывать кислород. Гемы же придают глобину устойчивость.

Порфин с заместителями у β-углеродов получил название порфирина. Отдельные порфирины отличаются друг от друга характером заместителей. Гем имеет следующие заместители: у С 1 , С 3 , С 5 , С 8 - метильные группы, у С 2 , С 4 - винильные радикалы, у С 6 , С 7 - остатки пропионовой кислоты. Порфирин с перечисленными заместителями получил название протопорфирина, который соединяясь с двухвалентным ио­ном железа (Fе 2+), образует гем. Железо присоединяется к атомам азота I и 3 колец нековалентными (координаци­онными) связями, к атомам азота II и IV колец ковалентными связями Гем соединяется с полипептидной цепью двумя координа­ционными связями иона железа, а полипептидная цепь за счет атомов азота имидазольных колец проксимальных гистидинов. Одна из этих связей существует посто­янно, другая разрывается в момент присоединения к гемогло­бину молекулы кислорода.

7. Дыхательные ферменты, понятие о строении, представители, значение.

Дыхательные ферменты бывают флавопротеиды, содержащие витамин В 2 , и гемсодержащие - цитохромы, каталазы, пероксидазы. Они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, необходимы для обеспечения энергией различных процессы.

8.Фосфопротеиды, общая характеристика, свойства, представители.

Фосфопротеиды - это сложные белки, состоящие из простого белка и простетической группы - фосфорной кислоты. Фосфорные кислоты сложноэфирной связью присоединяются к оксиаминокислотам, таким как серин, треонин, тирозин, образуя моно-, ди- и трифосфорные эфиры. Фосфопротеиды, в основном, полноценные белки, кислые. Имеют большое значение как источники незаменимых аминокислот и фосфорной кислоты. Поэтому фосфопротеиды необходимы для роста (для построения скелета, белков нового организма), они используются для синтеза фосфолипидов, а последние, в свою очередь, необходимы для построения клеточных и субклеточных мембран. Фосфопротеиды являются источниками фосфорной кислоты для реакций фосфорилирования и дефосфорилирования, а эти реакции лежат в основе активирования или ингибирования ферментов. Служат источником фосфорной кислоты для построения АМФ и других нуклеозидмонофосфатов, из которых образуются ди- и трифосфорные производные - источники энергии. Фосфопротеиды используются для синтеза нуклеиновых кислот.

Представители: казеиноген (содержат примерно 1% фосфора) молока, фосвитин и вителлин желтка яиц, ихтуллин икры рыб. В остальных представителях фосфопротеидов содержание фосфора достигает 10%. Все эти белки не свертываются при кипячении, не растворимы в воде, полноценные.

9.Металлопротеиды, строение, представители, значение.

Металлопротеиды - сложные белки, в составе которых имеются металлы, которые присоединяются непосредственно к аминокислотам, что и отличает их от хромопротеидов, в которых металл включен в органическое вещество, в частности, в гем. Связь между аминокислотой и металлом бывает прочная и рыхлая в зависимости от роли, которую выполняют эти белки. Различают железосодержащие, медьсодержащие, цинксодержащие и другие металлопротеиды. Они в основном выполняют транспортную и депонирующую роль. Входят в состав некоторых ферментов, витаминов.

Представители: к железосодержащим белкам относят трансферрин, ферритин, гемосидерин . Трансферрин содержит 0,13% 3 + -валентного железа, выполняет транспортную роль. В составе ферритина 20% железа, это депонируемая форма железа, сохраняется в печени и селезенке. Гемосидерин кроме железа содержит в своей молекуле нуклеотиды, углеводы. Роль неизвестна. Депонируется в клетках соединительной ткани.

10. Липопротеиды - структурные, транспортные, строение

Липопротеиды – это липид-белковые комплексы, в составе содержатся различные виды липидов. По функции делятся на структурные, которые находятся в мембранах и сывороточные (транспортные). Транспортные ЛП делятся на три вида: липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) и липопротеиды высокой плотности (ЛПВП). Образуются они в печени и, как видно из названия, переносят нерастворимые липиды.

Упражнения и ситуационнве задачи для самоконтроля

1. Написать фрагмент молекулы:

а) гиалуроновой кислоты;

б) хондроитин серной кислоты;

в) гепарина, его применение в медицине.

2. Написать гем: а) гемоглобина; б)миоглобина

3.В чем сходство и отличие в строении НЬ и Mgb?

4.У больного склонность к тромбообразованию. Какой представитель гликозамингликанов можно использовать для лечения и профилактики тромбозов?

Занятие: «НУКЛЕОПРОТЕИДЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ, ДНК, РНК, ВИДЫ, СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРЫ, ЗНАЧЕНИЕ».

Вопросы и ответы для самоподготовки:

1. Нуклеопротеиды, общий план строения, роль.

Нуклеопротеиды - белки, обладающие слабокислыми свойствами, обусловленными большим содержанием в моле­кулах остатков фосфорной кислоты. Нуклеопротеиды раство­римы в воде и растворах щелочей. Молекулярная масса нуклеопротеидов достигает миллионов или даже миллиардов дальтон. Молекула нуклеопротеидов состоит

из простых бел­ков и простетической группы, называемой нуклеиновой кисло­той. Нуклеопротеиды играют в живых организмах важную роль: они принимают непосредственное участие в синтезе всех белков клеток и тканей, обуславливают специфичность их строения и свойств, передают наследственные свойства при размножении организмов и делении клеток.

В зависимости от того, какая нуклеиновая кислота входит в состав нуклеопротеида, различают дезоксирибонуклеопротеид (ДНП) и рибонуклеопротеид (РНП).

Белковый компонент нуклеопротеидов неоднороден и состоит из большого числа молекул простого белка типа кислых альбуминов и глобулинов у всех живых организмов и белков типа гистонов у высших животных или протаминов у рыб и морских животных. Гистоны имеют важное значение в защите ДНК, в поддержании структуры хромосом, в регуляции экспрессии генов (в частности, они являются фактором репрессии транскрипции ДНК). Негистоновые белки, входящие в состав, как правило, обладают свойствами ферментов.

Гемоглобин - это железосодержащий дыхательный пигмент крови позвоночных и многих беспозвоночных животных, осуществляющий перенос кислорода от органов дыхания к тканям организма. В крови позвоночных и некоторых беспозвоночных гемоглобин содержится внутри в растворенном состоянии.

Молекула гемоглобина позвоночных животных состоит из белка - глобина и железосодержащей группы - гема. В состав гема входят четыре протопорфириновых кольца, каждое из которых содержит двухвалентного железа. Молекулярный вес гемоглобина - 66 000- 68 000. Физиологическая функция гемоглобина как переносчика кислорода основана на его способности обратимо связывать кислород в зависимости от концентрации последнего в крови. В присутствии кислорода гема связывает одну молекулу кислорода, при этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин. При взаимодействии гемоглобина с окисью углерода (например, при отравлении этим газом) образуется более стабильный комплекс - карбоксигемоглобин.

Продуктами распада гемоглобина являются многочисленные железопорфириновые комплексы. При этом происходит полное отделение гема от белка (хромопротеида); это отделение протекает с превращением железа в трехвалентную форму. Получаемый железопротопорфирин называется гемином, а его соединения - геминодериватами.

Обычно большую часть гемоглобина в эритроцитах составляет гемоглобин А, или нормальный гемоглобин взрослого человека. При врожденных аномалиях и заболеваниях кроветворного аппарата в эритроцитах появляются аномальные гемоглобины. Это наблюдается, например, при серповидноклеточной анемии (см. ), (см.), врожденной метгемоглобинемии (см.).

Техника определения гемоглобина в крови - см. .

Гемоглобин выполняет в организме важную роль переносчика кислорода и принимает участие в транспорте углекислоты.

Гемоглобин представляет собой сложное химическое соединение (молекулярный вес 68 800). Он состоит из белка глобина и четырех молекул гема. Молекула гема, содержащая атом железа, обладает способностью присоединять и отдавать молекулу кислорода. При этом валентность железа, к которому присоединяется кислород, не изменяется, т. е. железо остается двухвалентным.

Если обработать гемоглобин раствором соляной кислоты, то от глобина отщепляется гем. Вступая в соединение с соляной кислотой, он превращается в гемин (Ca 34 H 32 N 4 O 4 FeCl), образующий кристаллы характерной формы. Проба на образование гемина производится для доказательства присутствия крови при судебно-медицинских исследованиях.

Рис. 5. Спектры поглощения оксигемоглобина (сверху) и гемоглобина.

В состав молекулы гема входят четыре пиррольных кольца (два из них имеют характер щелочи, а два - кислоты). Атом железа, содержащийся в теме, связывает гем с белковой частью глобином. Если гем теряет атом железа, а пирроловая его структура сохраняется, то получается гематопорфирин. Это вещество в больших количествах образуется в организме при некоторых отравлениях или нарушениях обмена и может выделяться с мочой.

Гем является активной, или так называемой простетической, группой гемоглобина, а глобин - белковым носителем гема. Гемоглобин, присоединивший кислород, превращается в оксигемоглобин (его обозначают символом HbO 2). Оксигемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным, или редуцированным, гемоглобином (Hb). Оксигемоглобин, гемоглобин и некоторые другие соединения и производные гемоглобина дают характерные полосы поглощения лучей спектра. Так, пропуская луч света через раствор оксигемоглобина, можно обнаружить две характерные темные полосы поглощения в желто-зеленой части спектра, между фрауэнгоферовыми линиями D и Е. Для восстановленного гемоглобина характерна одна широкая полоса поглощения в желто-зеленой части спектра (рис. 5).

Оксигемоглобин несколько отличается по цвету от гемоглобина, поэтому артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин, имеет ярко-алый цвет, притом тем более яркий, чем полнее произошло ее насыщение кислородом. Венозная кровь, содержащая большое количество восстановленного гемоглобина, имеет темно-вишневый цвет.

Значительно большее поглощение световых лучей с длиной волны 620-680 ммк гемоглобином по сравнению с оксигемоглобином легло в основу методики измерения степени насыщения крови кислородом - оксигемометрии. При этой методике ушную раковину или кювету с кровью просвечивают небольшой электрической лампой и определяют с помощью фотоэлемента интенсивность светового потока указанной длины волны, проходящего через ткань уха или кювету с кровью. По показаниям фотоэлемента определяют степень насыщения гемоглобина кислородом.

Кровь взрослых людей содержит в среднем 14-15% гемоглобина (у мужчин 13,5-16%, у женщин 12,5-14,5%). Общее содержание гемоглобина равно примерно 700 г.

В эмбриональном периоде в крови человека имеются разные типы гемоглобина, отличающиеся способностью присоединять кислород и некоторыми другими химическими свойствами. Для определения и разделения разных типов гемоглобина применяют методику измерения оптической плотности растворов гемоглобина до и после денатурации его едкой щелочью. Разные типа гемоглобина условно обозначают НbА, HbF, НbР. Гемоглобин НЬР встречается только в первые 7-12 недель внутриутробного развития зародыша. На 9-й неделе появляется в крови зародыша гемоглобин HbF и гемоглобин взрослых НbА. Существенно важным представляется тот факт, что эмбриональный гемоглобин HbF обладает более высоким сродством к кислороду и может насыщаться на 60% при таком напряжении кислорода, когда гемоглобин матери насыщается всего на 30%. У разных видов позвоночных животных имеются различия в структуре гемоглобина. Гем разных типов гемоглобина при этом одинаков, глобины же различаются по своему аминокислотному составу.

В организме постоянно происходит синтез и распад гемоглобина, связанные с образованием и разрушением эритроцитов. Синтез гемоглобина совершается в эритробластах красного костного мозга. При разрушении эритроцитов, которое происходит в ретикуло-эндотелиальной системе, главным образом в печени и селезенке, из красных кровяных клеток выходит гемоглобин. В результате отщепления железа от гема и последующего окисления образуется из гемоглобина пигмент билирубин, который затем с желчью выделяется в кишечник, где превращается в стеркобилин и уробилин, которые выводятся с калом и мочой. За сутки разрушается и превращается в желчные пигменты около 8 г гемоглобина, т. е. несколько более 1 %.

В организме человека и животных могут образовываться и другие соединения гемоглобина, при спектральном анализе которых обнаруживаются характерные спектры поглощения. К числу таких соединений гемоглобина относятся метгемоглобин и карбоксигемоглобин. Вещества эти образуются в результате некоторых отравлений.

Метгемоглобин (MetHb) представляет собой прочное соединение гемоглобина с кислородом; при образовании метгемоглобина меняется валентность железа: двухвалентное железо, входящее в молекулу гемоглобина, превращается в трехвалентное. В случае накопления в крови больших количеств метгемоглобина отдача кислорода тканям становится невозможной и наступает смерть от удушения.

Метгемоглобин отличается от гемоглобина коричневым цветом и наличием полосы поглощения в красной части спектра. Метгемоглобин образуется при действии сильных окислителей: феррицианида (красной кровяной соли), марганцовокислого калия, амил- и пропилнитрита, анилина, бертолетовой соли, фенацетина.

Карбоксигемоглобин (HbСО) представляет собой соединение железа гемоглобина с окисью углерода (СО) - угарным газом. Это соединение примерно в 150-300 раз прочнее, чем соединение гемоглобина с кислородом. Поэтому примесь даже 0,1% угарного газа во вдыхаемом воздухе ведет к тому, что 80% гемоглобина оказываются связанными окисью углерода и не присоединяют кислород, что является опасным для жизни.

Слабое отравление угарным газом - обратимый процесс. При дыхании свежим воздухом СО постепенно отщепляется от карбоксигемоглобина и выделяется.

Вдыхание чистого кислорода увеличивает скорость расщепления карбоксигемоглобина в 20 раз. В тяжелых случаях отравления необходимо искусственное дыхание газовой смесью с 95% содержания O 2 и 5% CO 2 , а также переливание крови.

Миоглобин . В скелетной и сердечной мышце находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Его простетическая группа - гем - идентична этой же группе молекулы гемоглобина, а белковая часть - глобин - обладает меньшим молекулярным весом, чем белок гемоглобина.

Миоглобин человека способен связывать до 14% от общего количества кислорода в организме. Это его свойство играет важную роль в снабжении кислородом работающих мышц. Если при сокращении мышцы кровеносные капилляры ее сжимаются и кровоток в некоторых участках мышцы прекращается, то все же благодаря наличию кислорода, связанного с миоглобином, в течение некоторого времени сохраняется снабжение мышечных волокон кислородом.

3.2.1. Среди хромопротеинов различают гемопротеины (содержат в качестве простетической группы порфириновые производные) и флавопротеины (содержат производные рибофлавина - витамина B 2). Хромопротеины участвуют в осуществлении многих жизненно важных функций, таких как тканевое дыхание, перенос кислорода, окислительно-восстановительные реакции, светоощущение, фотосинтез в растительных клетках и другие процессы.

3.2.2. К гемопротеинам относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидаза, каталаза. Эти белки содержат в качестве простетической группой гем .

По своему химическому строению гем представляет собой протопорфирин IX , связанный с двухвалентным железом. Протопорфирин IX - органическое соединение, относящееся к классу порфиринов. Протопорфирин IX содержит четыре замещённых пиррольных кольца, соединённых метиновыми мостиками =СН- . Заместителями в пиррольных кольцах являются: четыре метильные группы СН 3 - , две винильные группы СН 2 =СН- и два остатка пропионовой кислоты - СН 2 -СН 2 -СООН . Гем соединяется с белковой частью следующим образом. Неполярные группы. протопорфирина IX взаимодействуют с гидрофобными участками аминокислот при помощи гидрофобных связей. Кроме того, имеется координационная связь между атомом железа и имидазольным радикалом гистидина в белковой цепи. Ещё одна координационная связь атома железа может использоваться для связывания кислорода и других лигандов.

Присутствие в биологическом материале гемсодержащих белков обнаруживается при помощи бензидиновой пробы (при добавлении бензидина и пероксида водорода исследуемый раствор окрашивается в сине-зелёный цвет).

3.2.3. Сравните структуру и функцию миоглобина и гемоглобина, запомните характерные особенности каждого из этих белков.

Миоглобин - хромопротеин, присутствующий в мышечной ткани и обладающий большим сродством к кислороду. Молекулярная масса этого белка около 16000 Да, Молекула миоглобина имеет третичную структуру и представляет собой одну полипептидную цепь, соединённую с гемом. Миоглобин не обладает аллостерическими свойствами (см. 2.4.), кривая насыщения его кислородом имеет вид гиперболы (рисунок 4). Функция миоглобина заключается в создании в мышцах кислородного резерва, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку кислорода.

Гемоглобин (Hb) - хромопротеин, присутствующий в эритроцитах и участвующий в транспорте кислорода к тканям. Гемоглобин взрослых людей называется гемоглобином А (Hb A). Молекулярная масса его составляет около 65000 Да. Молекула Hb А имеет четвертичную структуру и включает четыре субъединицы - полипептидные цепи (обозначаемые α 1 , α 2 , β 1 и β 2 , каждая из которых связана с гемом.

Запомните, что гемоглобин относится к аллостерическим белкам, его молекулы могут обратимо переходить из одной конформации в другую. При этом изменяется сродство белка к лигандам. Конформация, обладающая наименьшим сродством к лиганду, называется напряжённой, или Т-конформацией. Конформация, обладающая наибольшим сродством к лиганду, называется релаксированной, или R-конформацией.

R- и Т-конформации молекулы гемоглобина находятся в состоянии динамического равновесия:

Различные факторы среды могут сдвигать это равновесие в ту или иную сторону. Аллостерическими регуляторами, влияющими на сродство Hb к O 2 , являются: 1) кислород; 2) концентрация Н + (рН среды); 3) углекислота (СO 2) ; 4) 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) . Присоединение молекулы кислорода к одной из субъединиц гемоглобина способствует переходу напряжённой конформации в релаксированную и повышает сродство к кислороду других субъединиц той же молекулы гемоглобина. Это явление получило название кооперативного эффекта. Сложный характер связывания гемоглобина с кислородом отражает кривая насыщения гемоглобина O 2 , имеющая S-образную форму (рисунок 3.1).

Повышение содержания СO 2 , Н + , ДФГ на фоне низкого парциального давления O 2 в тканях способствует взаимодействию этих факторов с гемоглобином и переходу R-конформации в Т-конформацию. Это приводит к смещению равновесия в уравнении (1) вправо. Выделившийся O 2 поступает в ткани.

Рисунок 4. Кривые насыщения миоглобина (1) и гемоглобина (2) кислородом.