Химическое строение. 
Химическое строение и физиологическое значение гемоглобина

Гемоглобин является наиболее распространенным кровяным пигментом. Он содержится в эритроцитах всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие), а также в корневых клубеньках некоторых бобовых растений.

В одном эритроците находится 340−400 млн. молекул гемоглобина. [1].

Гемоглобин позвоночных (за исключением круглоротых) — это вещество с молекулярной массой порядка 64 500 дальтон, которое с химической точки зрения представляет собой сложный белок — хромопротеид, состоящий из белковой части и небелковой (пигментной) группировки, придающей гемоглобину, а следовательно и крови, красный цвет. [4].

Рис. 1 Схема строения гема

В составе гемоглобина различают белок глобин, и небелковую пигментную группу — гем, соединенные между собой гистидиновым мостиком; каждая молекула гемоглобина содержит четыре гема и четыре полипептидные цепи. На долю гема по массе приходится 4% молекулы гемоглобина, глобина — 96%. [8].

Белковая и простетическая части молекулы не только связаны, но и постоянно оказывают друг на друга сильное влияние. Глобин изменяет свойства гема определяя его способность к связыванию кислорода. В свою очередь, гем обеспечивает устойчивость глобина к действию физических факторов, расщеплению ферментами и т. д. [1].

Строение небелкового компонента

У всех видов животных гем имеет одинаковое строение, в то время как глобин несколько отличается по аминокислотному составу. [6] Гем в виде гем-порфирина является простетической группой не только гемоглобина и его производных, но и миоглобина, каталазы, пероксидазы и группы цитохромов. [5].

Гем построен из четырёх пирроловых колец и содержит двухвалентное железо. Атом двухвалентного железа образует координационные связи с четырьмя атомами азота, входящими в состав пиррольных группировок, точнее, с двумя атомами азота координационные связи, а с двумя другими — связи с замещением водорода. Оставшиеся две координационные связи используются для присоединения гема к имидазольному кольцу глобина и для связывания кислорода. Структура гема целиком расположена в одной плоскости.

При потере железа гем превращается в гематопорфирин. [5].

Строение белкового компонента, пространственная конфигурация молекулы

Большая часть молекулы гемоглобина, состоящей примерно из 10 000 атомов, приходится на долю белкового компонента.

Этот компонент состоит из четырех отдельных полипептидных цепей, в состав каждой из которых входит более 140 аминокислотных остатков. Путем химического анализа установленыоаминокислотные0последователь-ности полипептидных цепей.

Рис. 2 Схематизированное изображение молекулы гемоглобина в «разобранном» виде. (McGilvery, 1970).

При помощи рентгеноструктурного анализа было установлено пространственное расположение этих цепей (Дж. Кендрью, М. Перутц, Нобелевская премия 1962 г.).

Вся молекула имеет приблизительно сферическую форму. Гемовые группы, изображенные в виде красных дисков, располагаются в нишах вблизи поверхности. [3].

Глобин относится к олигомерным белкам (состоящим из нескольких отдельных полипептидных цепей, которые связаны между собой нековалентными связями) и является тетрамером. Молекула состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых включает две полипептидные цепи (б-, содержат каждая 141 аминокислотный остаток и в-, содержат по 146 аминокислотных остатков). би в-цепи во многом сходны между собой, во многих последовательностях содержат одинаковые аминокислотные последовательности. Соответственно, гемоглобин диссоциирует на четыре субъединицы (протомера) примерно одинакового молекулярного веса, в состав каждой из которых входит одна полипептидная цепь и один гем. [5].

Диссоциация на две би две в-цепи как правило обратима, и может быть обусловлена присутствием солей, мочевины или резким изменением рН. После удаления этих факторов происходит автоматическая асоциация исходной молекулы гемоглобина. [5].

Химические свойства

Гемоглобин представляет собой своеобразное химическое вещество, вступающее в обратимое соединение с кислородом при любом его напряжении. [1].

Ключевую роль в активности гемоглобина играет ион железа, расположенный в центре молекулы протопорфирина. В процессе переноса кислорода гемоглобином молекула O2 обратимо связывается с гемом, при этом валентность железа не изменяется.

Присоединяя кислород, гемоглобин (Нb) превращается в оксигемоглобин (НbO2). Оксигемоглобин (НbО2) имеет ярко-алый цвет, что и определяет цвет артериальной крови. Чтобы подчеркнуть тот факт, что валентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют не окислением, а оксигенацией; обратный процесс называется дезоксигенацией. [3].

Гемоглобин, отдавший кислород, называют дезоксигемоглобином, или редуцированным гемоглобином (Нb). Именно он определяет вишневый цвет венозной крови. [1].

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению при действии сильных окислителей, таких как бертолетова соль, нитробензол, анилин и др. При этом железо становится из двухвалентного трехвалентным, гем приобретает коричневую окраску. [6].

Окисленный гем называется гематином (метгемом), а вся полипептидная молекула в целом — метгемоглобином. Метгемоглобин образуется в организме в естественных условиях, однако в эритроцитах содержится фермент метгемоглобинредуктаза, восстанавливающий его до «нормального» гемоглобина с двухвалентным железом. [4] В крови человека и животных метгемоглобин в норме содержится в незначительных количествах, но при некоторых заболеваниях и отравлениях некоторыми токсинами его содержание возрастает. [3].

В результате истинного окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и в итоге перестает быть его переносчиком. При наследственной метгемоглобинемии происходит нарушение равновесия между процессами окисления гемоглобина и метгемоглобина и восстановления гемоглобина. [1].

Реакция связывания гемоглобина с СО2. сложнее, чем присоединение 02. Это объясняется прежде всего ролью СO2 в создании кислотно-щелочного равновесия в организме. Механизмы, обеспечивающие транспорт газа, призваны также поддерживать и это равновесие. Гемоглобин, связанный с С02, называют карбогемоглобином. [1].

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом — оксидом углерода — СО. Происходит образование карбоксигемоглобина (НbСО), не способного к переносу 02. В этом случае закономерности его реакции те же, что и для кислорода, но химическое сродство СО к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к 02. Это означает, что достаточно в воздухе оказаться небольшому количеству СО, чтобы произошло образование значительного числа связанных молекул гемоглобина. Образовавшееся соединение — блокированный угарным газом гемоглобин — уже не может служить переносчиком кислорода. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказываются связанными не с кислородом, а с угарным газом. В результате в организме возникают тяжелые последствия кислородного голодания (рвота, головная боль, потеря сознания).

Слабые отравления угарным газом являются процессом обратимым: СО постепенно отщепляется и выводится при дыхании свежим воздухом. Использование искусственного дыхания чистым кислородом ускоряет примерно в 20 раз эту реакцию. При концентрации СО, равной 1%, через несколько минут наступает гибель организма. В нормальных условиях на долю НbСО приходится лишь 1% общего количества гемоглобина крови. [1].

При действии соляной кислоты на гемоглобин образуется гемин. В этом соединении железо находится в окисленной трёхвалентной форме. Для его получения каплю высушенной крови нагревают на предметном стекле с кристалликами поваренной соли и 1−2 каплями ледяной уксусной кислоты. Коричневые ромбические кристаллы гемина, хорошо различимые в микроскоп различаются по своей форме у разных видов животных. Данная реакция, получившая название геминовой пробы, может применятся для обнаружения следов крови и их видовой идентификации [6].

Нормальные гемоглобины человека и животных

В крови взрослых людей и у многих видов животных различают типы гемоглобина, обозначаемые как HbA1 (от англ. adult — взрослый), имеющий описанное выше типичное строение, HbA2 и фетальный гемоглобин, HbF (от лат. fetus — плод).

HbA2 также состоит их четырёх субъединиц: двух би двух в-цепей, он с меньшей скоростью мигрирует при электрофорезе, что и позволило выделить его в отдельный тип. На долю HbA2 приходится около 2,5% от всего гемоглобина. [5].

HbF, фетальный гемоглобин (гемоглобин новорождённых) состоит из двух би двух г-цепей. Последовательность аминокислот в би г-цепях окончательно ещё не расшифрована.

Фетальный гемоглобин отличается от HbA1 не только по составу аминокислот, но и по ряду физико-хиических свойст: спектральным показателям, электрофоретической подвижности, устойчивости к щелочной денатурации и др. [5] Гемоглобин плода обладает большим сродством к кислороду, чем гемоглобин новорожденного или взрослого. Высокое сродство к О2 фетального гемоглобина облегчает перенос кислорода от матери к плоду. [4] Кровь новорождённого содержит до 80% HbF, но к концу молочного периода он почти полностью заменяется заменяется на HbA (в крови взрослого однако обнаруживатеся до 1,5 HbF от общего количества гемоглобина). [5] белковый молекула гемоглобин кровяной Существует метод цитологической дифференцировки гемоглобина F путем обработки мазка крови лимоннокислофосфатной буферной смесью с рН = 3,4. В этих условиях эритроциты, содержащие преимущественно гемоглобин А, подвергаются гемолизу и представляются на препарате в виде теней (стром). Эритроциты, в которых преобладает гемоглобин F, оказываются резистентными и контрастно окрашиваются. [8].

Кроме того, в период эмбрионального развития у зародыша обнаруживается так называемый примитивный гемоглобин Р, характерный для желточного кроветворения.

Он характеризуется высокой щелочной резистентностью и малой электрофоретической подвижностью. Находится в эритроцитах зародыша до 18 — недельного возраста затем сменяется фетальным гемоглобином. [8].

Содержание гемоглобина в крови

* данные приводятся по Boyd J.W., The interpretation of serum biochemistry test results in domestic animals, in Veterinary Clinical Pathology, Veterinary Practice Publishing Co., Vol. XIII, # II, 1984.

На содержание гемоглобина влияет возраст, пол, порода, кормление, физические нагрузки и высота над уровнем моря. [6].

Среднее содержание гемоглобина в эритроците.

Важным диагностическим показателем, позволяющим оценить эритропоэз и провести дифференциальную диагностику различных форм анемии, служит среднее содержание гемоглобина в одном эритроците. (СГЭ) Эта величина отражает абсолютное количество гемоглобина, содержащееся в среднем в одном эритроците. Ее находят путем деления количества гемоглобина в определенном объеме крови на число эритроцитов в том же объеме. [3].

Эритроциты с нормальным содержанием гемоглобина (26−36 пг) называют нормохромными. Если СГЭ патологически снижено, то эритроциты называют гипохромными, а если оно повышено — гиперхромными. Эти же термины употребляют и для обозначения различных форм анемии. Так, когда образование гемоглобина снижается в результате недостатка железа, содержание гемоглобина в расчете на эритроцит падает, и возникает гипохромная анемия. При других разновидностях анемии нарушается образование красных кровяных телец в костном мозгу, и в крови появляются деформированные эритроциты с высоким содержанием гемоглобина — гиперхромная анемия. После значительной кровопотери СГЭ сначала не изменяется (нормохромная анемия), а в последующем вследствие избыточной продукции эритроцитов содержание гемоглобина в них падает (гипохромная анемия). [3].

Нормальная плазма содержит следы гемоглобина, не превышающие 10 мг%. Сильные увеличения (свыше 100 мг%) встречаются при всех гемоглобинуриях. [7].

Измерение содержания гемоглобина.

Для измерения содержания гемоглобина существует много методов, в том числе:

• 1) определение количества связанного O2 (1 г НЬ может присоединить до 1,36 мл O2. Количество кислорода устанавливают прибором ван-Слайка или прибором Баркрофта.)
• 2) анализ уровня железа в крови (содержание железа в гемоглобине составляет 0,347%);
• 3) колориметрия (сравнение цвета крови с цветом стандартного раствора). Гемоглобин колориметрируют как оксигемоглобин или редуцированный гемоглобин или же сперва превращают его в цветные производные (солянокислый гематин, щелочной гемоглобин, метгемоглобин, карбоксигемоглобин, циангемоглобин, азид-метгемоглобин и пр.)
• 4) измерение экстинкции (спектрофотометрия).

При проведении рутинных определений уровня гемоглобина отдают предпочтение последнему методу, так как при использовании первых двух способов необходима сложная аппаратура, а метод колориметрии неточен. [3], [7].