Из чего состоит гемоглобин крови

Немногие знают, на что влияет и за что отвечает гемоглобин, а между тем он является важной составляющей крови. Круг задач этого железосодержащего белка очень широк. Даже незначительные его колебания в ту или иную сторону могут спровоцировать возникновение серьезных нарушений в человеческом организме.

Что такое гемоглобин

Гемоглобин (Hb) – комплексный белок, состоящий из железа и вырабатывающий красные кровяные тельца, т.е. эритроциты. Они являются главным «транспортировщиком» гемоглобина. В одном эритроците находится около 400 млн молекул белка.

Для чего нужен гемоглобин

Главная задача – обеспечение кислородом организм. Он принимает непосредственное участие в транспортировке элемента из легких к клеткам тканей и органам. После доставки кислорода железосодержащий белок движется в обратном направлении к дыхательной системе, по пути «забирая» с собой углекислый газ, который выводится из организма через легкие.

Но участие в газообмене является не единственной его функцией. Гемо белок обладает еще одним уникальным химическим свойством – поддержание кислотно-щелочного баланса крови. Гемоглобин обеспечивает нормальную работу буферной системы крови, респираторной и выделительной системы. Их слаженная работа помогает удержать pH-баланс на необходимом уровне.

Норма содержания гемоглобина в крови

Показатель Hb в крови зависит от пола, возраста, индивидуальных особенностей организма. У детей и беременных концентрация белка несколько выше, чем у взрослых мужчин и женщин. На уровень гемоглобина способны повлиять специфические факторы, например, высокий белок часто выявляется у летчиков и пилотов, спортсменов, а также у людей, проживающих в высокогорных районах. А вот донорство, вегетарианство, напротив, снижают показатель.

Норма гемоглобина в крови (согласно рекомендациям Всемирной Организации Здравоохранения):

для женщин – 120-160 г/л;
для мужчин – 130-170 г/л;
для беременных – 110-150 г/л.

У детей нормальный показатель Hb не зависит от половой принадлежности. Диапазон допустимых значений:

145-225 г/л – сразу после рождения;
100-180 г/л – к месяцу жизни;
95-135 г/л – 3-6 месяцев;
100-140 г/л – год жизни;
105-145 г/л – 1-2 года;
95-135 г/л — 3-6 лет;
115-150 г/л – 7-12 лет;
115-155 г/л – 13-15 лет;
120-160 г/л – подростки (до 18 лет).

Отклонения от нормы

Снижение гемоглобина в крови диагностируется в несколько раз чаще, чем повышение этого компонента. Любое отклонение от нормы требует назначения дополнительных исследований.

Повышенный Hb

Повышение концентрации гемоглобина относится к редкому состоянию, которое чаще является следствием физиологических особенностей организма и некоторых неблагоприятных внешних факторов. Высокие значения иногда связывают с курением и проживанием в мегаполисах, где сильно загрязнен воздух.

Изменение показателя в сторону роста может указывать на развитие патологических состояний:

сердечно-сосудистые заболевания;
дыхательная недостаточность;
нарушение работы желудочно-кишечного тракта;
опухолевый процесс;
поликистоз почек;
дегидратация;
эритремия.

Специфических признаков высоких показателей этого компонента крови не существует. Обычно человек жалуется на симптомы, характерные для той или иной болезни.

Пониженный Hb

Снижение концентрации гемоглобина указывает на развитие анемии. Прежде всего признаки малокровия связаны с кислородным голоданием, которое испытывает организм. К ним относятся:

повышенная слабость;
быстрое переутомление;
сонливость;
головокружение;
головная боль;
одышка;
бледность кожи.

Специалисты выделяют несколько основных причин развития такого патологического состояния:

диета;
несбалансированное питание;
скрытые и открытые кровотечения;
гемолитическая анемия;
хронические патологии желудочно-кишечного тракта;
аутоиммунные заболевания;
опухоли;
ожог кожи;
бронхиальная астма;
воспалительные процессы в организме.

Перечисленные состояния провоцируют дефицит железа в крови, что выражается в снижении гемоглобина. Но не всегда понижение белка указывает на серьезное заболевание. Иногда изменение в крови может быть вызвано состоянием после операции, травмы, стрессового перенапряжения. У женщин кратковременное снижение наблюдается при менструации.

Анализы на определение количества гемоглобина в крови

Общий гемоглобин определяют с помощью клинического анализа крови. Это лабораторное исследование является базовым, его проводят при диагностике практически всех патологий, поэтому часто изменения уровня Hb определяют случайно в ходе диагностических или профилактических мероприятий.

За день до сдачи крови пациенту нужно отказаться от физических нагрузок, курения и приема лекарственных препаратов (с разрешения врача). Забор биологической жидкости проводят утром натощак. Результат обследования будет готов на следующий день. В некоторых лабораториях проводят экспресс-исследование за несколько часов. Когда исследование показывает отклонения от нормы, потребуется повторный забор крови. Для определения гемоглобина в крови во внелабораторных условиях применяют специальный портативный прибор — гемоглобинометр. Устройство позволяет автоматически оценить уровень Hb.

Как повысить гемоглобин при незначительных его отклонениях

Диета – важная часть восстановления белка. В первую очередь из рациона исключают всю вредную пищу. В меню должно входить больше продуктов, в которых содержится железо:

красное мясо (печень);
морская капуста;
гранат;
бобы;
крупы;
бахчевые;
фрукты:
ягоды;
грибы.

Чтобы железо лучше усваивалось, необходимо больше употреблять цитрусовых (апельсины, лимоны, грейпфруты) и пить зеленый чай. На период лечения следует отказаться от молочных продуктов, т.к. в их составе присутствует кальций, снижающий биодоступность железа. Поднять железосодержащий белок в крови поможет несколько долек горького шоколада. Восстановленный Hb в домашних условиях — заслуга лечебного питания.

Вредные «способности» Hb

Помимо связи с кислородом, гемо белок взаимодействует и с угарным газом (СО). В результате такой реакции происходит его трансформация в прочное соединение – карбоксигемоглобин, который негативно сказывается на физиологических свойствах эритроцитов. Прежде всего переизбыток карбоксигемоглобина грозит развитием следующих последствий:

гипоксия;
рвота, тошнота;
головокружение;
мигрень;
острая почечная недостаточность;
геморрагический шок.

Любые нарушения в структурном строении гемоглобина в медицине называют гемоглобинопатиями. Такое состояние часто сопровождается наследственными патологиями крови, например, талассемия, серповидно-клеточная анемия. Если белок вступает в реакцию с глюкозой, образуется гликированный Hb. Такой тип гемоглобина не приносит никакой пользы для организма. Часто указывает на развитие сахарного диабета или на высокий риск возникновения этого заболевания.

Нормальный показатель гемоглобина в крови является залогом здоровья организма, т.к. даже незначительные отклонения от нормы могут повлиять на качество жизни. При изменении уровня белка необходимо скорректировать питание и режим дня, отказаться от вредных привычек. Медикаментозной терапией должен заниматься только лечащий врач.

Источник: krovinfo.com

Гемоглобин (НЬ)— сложный олигомерный белок, состоящий из 4 протомеров двух типов (2α и 2β), включающих 574 аминокислотных остатка. Содержится в эритроцитах, на его долю приходится до 90% массы белков клетки. Гемоглобин обеспечивает перенос кислорода из легких в ткани и удаление диоксида углерода из тканей.

В мышцах внутриклеточный транспорт и кратковременное депонирование кислорода осуществляет другой белок — миоглобин (Mb). Он не является олигомером, так как состоит только из одной полипептидной цепи, конформация которой очень похожа на пространственную структуру β-цепи гемоглобина (рис. 1.20). Большую часть молекулы

Рис. 1.20. Структура миоглобина иβ-цепи гемоглобина

А— миоглобин; Б— β-цепь гемоглобина

Mb и протомеров Hb составляют 8 α-спиральных участков, образующих глобулу с гидрофобным углублением, в котором находится центр связывания с кислородом (активный центр).При этом полипептидные цепи миоглобина и протомеров гемоглобина идентичны всего на 20%.

Оба белка являются холопротеинами, простетическая группа — гем, который находится в активном центре и участвует во взаимодействии с кислородом (рис. 1.21). Гем(ферропротопорфирин) представляет собой органическое соединение с плоской молекулой, включающей 4 пиррольных цикла и ион железа Fe²+. Он является окрашенным соединением и придает красный цвет гемоглобину, эритроцитам (красные кровяные тельца) и крови.

Гем присоединяется к неполярным радикалам активного центра своими пиррольными циклами, а также к радикалу гистидина с помощью атома Fe. Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости, а ион Fe²+ в неоксигенированом состоянии Hb выступает над плоскостью на 0,6 А. При присоединении кислорода ион железа погружается в плоскость колец гема (рис. 1.22). В результате сдвигается и участок полипептидной цепи, нарушаются слабые связи в молекуле Hb и изменяется конформация всей глобулы. Таким образом, присоединение кислорода вызывает изменение пространственной структуры молекулы миоглобина или протомеров гемоглобина.

Рис. 1.21. Строение гемоглобина и гема

А— гемоглобин— сложный белок, олигомер, состоит из 2 α- и 2 β-субъединиц глобина, каждая имеет центр связывания, где располагается небелковая часть молекулы — гем. Он участвует в присоединении молекулы кислорода. Между протомерами образуется аллостерический центр для присоединения регуляторного лиганда гемоглобина 2,3-бисфосфоглицерата;

Б— гем— простетическая группа гемоглобина, миоглобина и других гемопротеинов. Связывается с глобином гидрофобными связями между пиррольными циклами и гидрофобными радикалами аминокислот. В центре молеку-

лы расположен ион железа (Fe ), который образует 6 координационных связей: 4 — с атомами азота пиррольных колец гема, 1 — с азотом радикала гистидина цепей глобина, 1 — с молекулой кислорода. В присоединении О₂к гему участвует еще один радикал гистидина цепи глобина

Рис. 1.22. Взаимодействие кислорода с гемом в миоглобине и гемоглобине

Молекула миоглобина может присоединять только 1 молекулу кислорода в свой активный центр:

Гемоглобин является олигомерным белком и имеет ряд особенностей функционирования, характерных для всех олигомерных белков. Молекула гемоглобина состоит из 4 протомеров и имеет 4 центра связывания О₂ (активные центры). Гемоглобин может существовать как в свободной (дезоксигемоглобин), так и в оксигенированной форме, присоединяя до 4 молекул кислорода. Взаимодействие с кислородом 1-го протомера вызывает изменение его конформации, а также кооперативные конформационные изменения остальных протомеров (рис. 1.23, А). Сродство к кислороду возрастает, и присоединение О₂ к активному центру 2-го протомера происходит легче, вызывая дальнейшую конформационную перестройку всей молекулы. В результате еще сильнее изменяется структура оставшихся протомеров и их активных центров, взаимодействие с О₂ еще больше облегчается. В итоге 4-я молекула кислорода присоединяется к Hb примерно в 300 раз легче, чем 1-я (рис. 1.23, Б). Так происходит в легких при высоком парциальном давлении кислорода. В тканях, где содержание кислорода

ниже, наоборот, отщепление каждой молекулы О₂ облегчает освобождение последующих.

Таким образом, взаимодействие олигомерного белка гемоглобина с лигандом (О₂) в одном центре связывания приводит к изменению конформации всей молекулы и других, пространственно удаленных центров, расположенных на других субъединицах (принцип «домино»). Подобные взаимосвязанные изменения структуры белка называют кооперативными конформационными изменениями.Они характерны для всех олигомерных белков и используются для регуляции их активности.

Взаимодействие обоих белков (Mb и Hb) с кислородом зависит от его парциального давления в тканях. Эта зависимость имеет разный характер, что связано с их особенностями структуры и функционирования (рис. 1.24).

Гемоглобин имеет S-образную кривую насыщения, которая показывает, что субъединицы белка работают кооперативно, и чем больше кислорода они отдают, тем легче идет освобождение остальных молекул О₂. Этот процесс зависит от изменения парциального давления кислорода в тканях.

График насыщения миоглобина кислородом имеет характер простой гиперболы, т.е. насыщение Mb кислородом происходит быстро и отражает его функцию — обратимое связывание с

Рис. 1.23. Кооперативные изменения конформации молекулы гемоглобина при взаимодействии с кислородом

А— при взаимодействии молекулы дезоксигемоглобина НЬ с О₂ происходят кооперативные конформационные изменения, которые сопровождают присоединение каждой последующей молекулы кислорода; Б— в результате изменения конформации активного центра возрастает сродство НЬ к кислороду, 4-я молекула кислорода присоединяется к оксигенированному гемоглобину [НЬ(О₂)₃] в 300 раз легче, чем 1-я

Рис. 1.24. Кривые насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом

кислородом, высвобождаемым гемоглобином, и освобождение в случае интенсивной физической нагрузки.

Изменение сродства гемоглобина к О₂ обеспечивает быстрое насыщение крови кислородом в легких, а также освобождение и передачу его в ткани. Миоглобин обладает более высоким сродством к О₂, поэтому связывает и передает в митохондрии клеток кислород, транспортируемый НЬ в мышцы.

Гемоглобин доставляет в сутки до 600 л (850 г) О₂ в ткани и способствует удалению из них ~ 500 л (1000 г) СО₂. Движущей силой этих потоков является градиент концентраций О₂ между альвеолярным воздухом и межклеточной жидкостью. Парциальное давление О₂ в альвеолярном воздухе составляет 100 мм рт.ст. Парциальное давление О₂

в тканях намного ниже (~ 40 мм рт.ст.), что обусловлено поступлением и использованием кислорода митохондриями клеток, где он превращается в Н₂О. Таким образом О₂ поглощается клетками.

Обмен О₂ и СО₂ происходит в капиллярах: в легких О₂ переходит из альвеолярного воздуха в эритроциты, а СО₂ — в обратном направлении; в капиллярах тканей О₂ из эритроцитов перемещается в клетки тканей, а СО₂ — в обратном направлении (рис. 1.25).

Изменение функциональной активности белка при взаимодействии с другими лигандами вследствие конформационных изменений называется аллостерической регуляцией,а соединения-регуляторы —аллостерическими лигандами.Способность к аллостерической регуляции характерна, как правило, для олигомерных белков, т.е. для проявления аллостерического эффекта необходимо взаимодействие протомеров. При воздействии аллостерических лигандов белки меняют свою конформацию (в том числе и активного центра) и функцию.

Молекула гемоглобина способна связываться с несколькими лигандами: О₂, Н+, СО₂, 2,3-бис- фосфоглицератом (БФГ). Н+, СО₂ и БФГ являются аллостерическими регуляторами активности гемоглобина и присоединяются к участкам (аллостерическим центрам), пространственно удаленным от активного центра.

Концентрация аллостерических лигандов снижает сродство гемоглобина к кислороду, а миоглобин и отдельные субъединицы гемоглобина нечувствительны к изменениям концентрации Н+, СО₂ и БФГ, т.е. аллостерические свойства гемоглобина возникают только в результате взаимодействия субъединиц.

Рис. 1.25. Перенос кислорода и диоксида углерода гемоглобином. Эффект Бора

БФГ образуется из глюкозы в эритроцитах и является одним из регуляторов работы гемоглобина. Его молярная концентрация в крови близка к молярной концентрации НЬ. В центре молекулы гемоглобина полипептидные цепи 4 протомеров образуют полость (аллостерический центр), причем величина ее увеличивается в дезоксигемоглобине и уменьшается в оксигемоглобине. БФГ поступает в полость дезоксигемоглобина, связываясь с положительно заряженными группами на β-протомере (рис. 1.26). При этом его сродство к О₂ снижается в 26 раз. В результате происходит высвобождение кислорода в капиллярах ткани при низком парциальном давлении О₂.

Рис. 1.26. Связывание БФГ с дезоксигемоглобином

Центр связывания БФГ находится в положительно заряженной полости между 4 протомерами гемоглобина. Взаимодействие БФГ с центром связывания изменяет конформацию α- и β-протомеров НЬ и их активных центров. Сродство НЬ к молекулам О₂ снижается и кислород высвобождается в ткани. В легких при высоком парциальном давлении О₂ активные центры гемоглобина насыщаются за счет изменения конформации и БФГ вытесняется из аллостерического центра

В легких высокое парциальное давление О₂, наоборот, приводит к оксигенированию НЬ и освобождению БФГ.

Содержание БФГ в крови человека соответствует содержанию гемоглобина и повышается при понижении содержания кислорода в воздухе (гипоксии) или затруднении дыхания при заболеваниях легких. Понижение его концентрации ухудшает снабжение тканей кислородом.

Это важно учитывать при переливании крови и сохранять необходимую концентрацию БФГ при консервации. Переливание донорской крови с пониженным содержанием БФГ может привести к гипоксии и гибели больных.

В регуляции работы гемоглобина основная роль принадлежит протонам Н⁺. • В тканиНЬ поступает преимущественно в виде НЬ(О₂)₄. Но при низком парциальном давлении О₂ происходит отщепление части кислорода. Увеличение содержания не полностью оксигенированных форм НЬ облегчает высвобождение О₂.

В мышцах образуется много СО₂, который под действием карбоангидразы превращается в угольную кислоту Н₂СО₃, диссоциирующую на Н⁺ и бикарбонат-ион:

СО₂ + Н₂О → Н₂СО₃ → Н⁺ + НСО₃^—

Повышение концентрации Н⁺ вызывает протонирование ионогенных групп НЬ, что приводит к снижению его сродства к О₂:

Н⁺ + НЬ О₂ → Н+ НЬ + О₂

Далее с дезоксигемоглобином взаимодействует

БФГ:

В легкиепоступает кровь с высоким содержанием дезоксигемоглобина, протонированного, связанного с БФГ или СО₂. В такой форме гемоглобин имеет пониженное сродство к О₂.

Из капилляров диффундирует СО₂, освобождающийся в результате реакции:

Н⁺ + НСО^—₃ → Н₂СО₃ → СО₂ + Н₂О

Это стимулирует депротонирование гемоглобина:

Н⁺ НЬ → Н⁺ + НЬ

Высокое парциальное давление О₂ приводит к оксигенированию НЬ, при этом вытесняется БФГ:

НЬ БФГ → НЬ + БФГ

Частичное оксигенирование гемоглобина повышает его сродство к кислороду, все реакции, приведенные выше, происходят в обратном порядке.

Зависимость сродства гемоглобина к кислороду от концентрации ионов водорода (Н+) получила названиеэффекта Борапо имени датского физиолога, изучавшего функционирование гемоглобина (см. рис. 1.25).

Таким образом, количество транспортируемого гемоглобином в ткани кислорода регулируется и повышается при увеличении содержания СО₂ и Н⁺ в крови (например, при интенсивной физической работе); при сдвиге рН крови в щелочную сторону (алкалозе) доставка кислорода в ткани понижается.

Источник: studopedia.ru

Строение гемоглобина

Строение молекулы гемоглобина простое — в ее состав входит всего 2 компонента:

Гем
Глобин

Гем

Гем — это природный пигмент, в состав которого входит соединение порфирина с железом. Общая доля гема в структуре гемоглобина составляет всего 4%. Железо, входящее в гем гемоглобина, имеет валентность Fe2+.

Общая формула гема — C₃₄H₃₂O₄N_4.

Молекулярная масса гема — 616,5 г/моль.

Наличие в крови сильных окислителей (свободных радикалов) приводит к окислению двухвалентного железа до трехвалентного (Fe3+). Гем в этом случае превращается в гематин, а сам гемоглобин в метгемоглобин. Только двухвалентное железо способно присоединять кислород и транспортировать его от альвеол легких до тканей организма, поэтому окисление железа в составе гема и образование метгемоглобина очень негативно сказывается на способности эритроцитов транспортировать кислород, что приводит к гипоксии.

Антиоксиданты (витамины С, А, Е, селен и др.) препятствуют образованию метгемоглобина за счет инактивации свободных радикалов. А вот уже образовавшийся гематин перевести обратно в гем могут только специальные ферменты — НАДН- и НАДФН-метгемоглобинредуктаза. Именно эти ферменты восстанавливают Fe3+ в составе метгемоглобина до Fe2+ гемоглобина.

Глобин

Глобин — это альбуминовый белок, который составляет 96% массы гемоглобина и состоит из 4 цепей — 2 α и 2 β .

Каждая альфа-цепь глобина состоит из 141 аминокислоты, бета-цепь — из 146 аминокислот. Всего в молекуле гемоглобина присутствует 574 аминокислотных остатка.

Глобин человека, в отличие от глобина животных не содержит в своем составе аминокислот лейцин и цистин.

Молекулярный вес глобина составляет 64 400 г/моль (64,4 кДа).

Альфа- и бета-цепи глобина образуют 4 гидрофобным кармана, в которых располагается 4 гема. Именно гидрофобный карман белка глобина позволяет железу гема присоединять кислород не окисляясь, т.е. без перехода в Fe3+. Особое значение в формировании гидрофобного кармана играют 3 аминокислотных остатка: проксимальный гистидин, дистальный гистидин и валин.

Источник: MedZeit.ru