соединения гемоглобина и валентность железа

Содержание

Гемоглобин

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 эритроцитов 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 атом 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 железо 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. Анемия у детей), талассемии (см.), врожденной метгемоглобинемии (см.).

Техника определения гемоглобина в крови — см. Кровь.

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 (Ca₃₄H₃₂N₄O₄FeCl), 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 HbO₂). 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 O₂ и 5% CO₂, 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.

источник

Гемоглобин — важный маркер здоровья. Что делать при понижении и повышении гемоглобина?

Гемоглобин – один из самых важных показателей крови. Из школьного курса биологии мы знаем о том, что роль гемоглобина заключается в транспорте кислорода и углекислого газа. А еще в гемоглобине содержится железо. Помните, как нам в детстве мамы и бабушки настойчиво рекомендовали кушать “железные” яблочки. И все это в рамках борьбы с дефицитом гемоглобина. Кстати, польза яблок в этом вопросе слегка преувеличена, но об этом чуть позже. Гемоглобин – один из самых хорошо изученных белков. И поэтому нам есть что рассказать о нем. Давайте узнаем, для чего нужен гемоглобин, почему его количество может быть выше или ниже нормы, и как с этим бороться.

Строение гемоглобина

Гемоглобин – это сложный белок. Даже само слово “гемоглобин”, если внимательно присмотреться, сложное. Оно состоит из двух частей – глобина (белковый компонент) и гема (небелковая часть молекулы).

Если рассматривать гемоглобин с точки зрения популярности – то это самая настоящая классика жанра. Откройте любой учебник в разделе “белки”. В 99 случаях из 100, в качестве примера четвертичной структуры белка будет молекула гемоглобина. А рядом картинка такого плана:

В состав гемоглобина входит четыре молекулы гема, каждая из которых буквально обвита белковой цепью. Внутри гема есть один атом железа. Эта структура является пигментом, который окрашивает кровь в привычный нам цвет. Именно за счет гемоглобина наша кровь красная.

Железо в гемоглобине двухвалентное. Не хотелось бы усложнять статью химией, но это важный момент, к которому мы еще вернемся.

Синтез гемоглобина происходит в печени, костном мозге, кишечнике и почках. Важную роль в этом процессе играет железо. Часть его организм использует повторно. То есть при распаде гемоглобина большая часть железа остается в организме и идет на построение новых молекул гемоглобина. Немного железа поступает в организм с пищей. Таким образом происходит обновление этого макроэлемента.

Железо откладывается в виде специального белка – ферритина. В составе этого соединения оно трехвалентное. Для того чтобы его превратить в двухвалентную форму, которая как мы помним входит в состав гемоглобина, нужны определенные условия. А именно — наличие таких катализаторов как витамин С и витамины группы В. Без этих веществ и всасывание железа в кишечнике будет весьма затруднительно.

В конце своего жизненного срока (примерно 120 дней), гемоглобин распадается на составляющие. Гем теряет железо, приобретает зеленый оттенок, а затем превращается в желтый билирубин. Билирубин входит в состав желчи, и когда его много, он дает симптомы желтухи. Одним из признаков массового распада гемоглобина является желтушность кожи и склер глаз.

Функции гемоглобина

Пришло время разобраться для чего же нужен гемоглобин в нашем организме. Безусловно, главной задачей гемоглобина является газообмен. Но он занимается не только транспортом жизненно важных газов. Давайте обо всем по порядку.

Транспорт кислорода и углекислого газа

Все как нас учили в детстве – гемоглобин насыщается кислородом и по артериям разносит его органам и тканям. А на обратном пути забирает углекислый газ и возвращает его в легкие. Есть, конечно, ньюансы. Забирает гемоглобин почти весь кислород, полученный в легких. А обратно относит максимум 20% углекислого газа. Весь остальной углекислый газ растворяется в плазме крови и достигает легких в несвязанном состоянии. Так что в плане транспорта кислорода роль гемоглобина более существенна.

Поддержание кислотно-щелочного равновесия крови

Для того, чтобы наша кровь, да и весь организм в целом, выполняли свои функции, важно поддерживать постоянство PH. Гемоглобин выводит из клеток кислые соединения, препятствуя их закислению. А в легких, наоборот, предотвращает защелачивание. Таким образом, гемоглобин выполняет функцию буфера.

Связывание токсических веществ

Целый ряд ядовитых веществ имеет высокое сродство к двухвалентному железу. Угарный газ, синильная кислота, анилин, сероводород, нитробензол и другие соединения прочно связываются с железом гемоглобина. Это несколько снижает токсическую нагрузку на организм.

За такую помощь гемоглобина мы платим достаточно высокую цену. Прочные соединения не дают насытить гемоглобин кислородом и организм испытывает гипоксию. Так что с одной стороны гемоглобин, конечно, ограничивает контакт наших органов и тканей с токсинами. С другой же стороны, он не может выполнять свои “прямые обязанности”, и наше здоровье все равно страдает.

Виды гемоглобина

Можно выделить физиологический (нормальный) и патологический гемоглобин.

В медицинской литературе и документации, в том числе и в анализах крови, гемоглобин принято обозначать латинскими буквами Hb (haemoglobinum).

Для обозначения того или иного вида гемоглобина к буквам Hb добавляют еще одну или несколько латинских букв. Они определяют либо химическое соединение, которое вступило в реакцию с гемоглобином, либо являются заглавной буквой слова, которая раскрывает суть вещества. На самом деле все не так уж сложно. Сейчас вы в этом убедитесь.

Физиологический гемоглобин

HbA (adult -взрослый) – это “зрелый” гемоглобин, который есть у каждого человека, в том числе и маленьких детей. При рождении его около 80%, а затем количество HbA повышается до 95-98%.

HBF (fetus — плод) – фетальный гемоглобин, который вырабатывается с 8 недели эмбрионального развития и до рождения. Отличается от HbA большим сродством к кислороду, что вполне оправдано. Ведь малыш должен забрать из крови матери жизненно необходимый кислород.

HbP или HbE (embrion – эмбрион) – этот вид гемоглобина функционирует недолго. Примерно до 8 недели внутриутробного развития. Его иначе называют примитивным гемоглобином.

В зависимости от того, какие вещества присоединил к себе гемоглобин, различают следующие типы гемоглобина:

HbО₂ – соединение с кислородом;

HbСО₂ – соединение с углекислым газом;

HbMet – гемоглобин, соединившийся с сильным окислителем, и изменивший валентность железа на трехвалентное. В норме такого гемоглобина не должно быть больше 3%.

Патологический гемоглобин

В настоящее время известно более 300 видов патологического гемоглобина. Он может отличаться от нормального как по строению белковой составляющей, так и по наличию токсинов, которые к нему присоединились. Раньше ученые называли каждый тип гемоглобина по буквам латинского алфавита. Например , HbS — гемоглобин серповидно-клеточной анемии. Но потом поняли, что патологических соединений настолько много, что никаких букв не хватит, и начали называть их по другому принципу. К примеру, HbСО – карбгемоглобин (соединение с угарным газом), и так далее.

Говорить о структуре и функциях гемоглобина можно очень много. Оставим подробности ученым, и перейдем к более прикладным вещам – какой уровень гемоглобина считается нормой и о чем говорят его изменения в большую или меньшую сторону.

Анализ крови на гемоглобин

Несколько слов об анализе крови на гемоглобин. Ничего особо сложного тут нет. Определение уровня гемоглобина входит в общий анализ крови. Капиллярная кровь берется из пальца. Кровь нужно сдавать натощак. Накануне исключить физнагрузку. Взрослым желательно не пить воду. Для маленьких детей можно сделать исключение. Вот, собственно, и все.

Норма гемоглобина у взрослых и детей

Ребенок появляется на свет с высоким уровнем гемоглобина. Затем он постепенно снижается. Норма гемоглобина у детей до года намного выше нормы взрослого. Это связано с активным ростом организма, который требует высоких затрат кислорода.

Обычно возраст человека при оценке не учитывается. Хотя, ВОЗ рекомендует учитывать этот показатель. Ведь норма гемоглобина у женщин репродуктивного возраста несколько отличается от таковой у дам в менопаузе, к примеру.

Вот норма гемоглобина по возрасту, в виде таблицы:

Норма гемоглобина у беременных чуть ниже – 110 г/л. При беременности гемоглобин снижается по вполне объективным причинам. Часть своего железа женщина отдает ребенку.

Нормативы ВОЗ не учитывают некоторые особенности жителей высокогорных районов. Чем выше над уровнем океана, тем меньше в воздухе кислорода. Соответственно срабатывают механизмы компенсации. Организм вырабатывает больше гемоглобина для того, чтобы покрыть дефицит кислорода.

Средняя концентрация гемоглобина в эритроците

Средняя концентрация гемоглобина в эритроците обозначается аббревиатурой MCHC (Mean Corpuscular Hemoglobin Concentration). Этот показатель характеризует насыщение эритроцитов гемоглобином. Он стабильный, и у взрослых не зависит от возраста, пола и других параметров.

Понижение этого показателя говорит о наличии анемии, а вот повышение бывает крайне редко. Дело в том, что при концентрации 37 г/дл гемоглобин нерастворим в воде, а значит и в плазме крови, и образует кристаллы. Повышение средней концентрации гемоглобина в эритроците говорит о том, что нужно повторно сдать анализ. Скорее всего произошла ошибка.

Итак, мы разобрались с нормой важных параметров гемоглобина. Неплохо было бы узнать с чем связаны отклонения от нормы и какие симптомы этих состояний.

Причины низкого гемоглобина в крови

Кровопотеря, в том числе и при менструации
Нарушение всасывания железа в кишечнике
Инфекционные болезни
Онкологические заболевания
Скудный пищевой рацион
Беременность
Тяжелый физический труд
Пожилой возраст
Задержка жидкости в организме. Получается, что плазмы крови становится больше, а количество эритроцитов остается прежним. На этом фоне уменьшается количество гемоглобина в литре объема крови.

Таким образом, можно заметить, что женщины чаще страдают от низкого уровня гемоглобина. У них на это есть две физиологические причины – месячные и беременность.

Признаки низкого гемоглобина

Усталость, сонливость, апатия
Бледность кожи, иногда желтушность
Судороги
Холодные руки и ноги
Ломкость ногтей
Увеличение селезенки и печени
Изменение цвета стула
Нарушение сердечного ритма
Частые инфекционные болезни

Причины повышения гемоглобина в крови

Стресс
Повышение температуры
Обезвоживание организма
Сердечная недостаточность
Заболевания крови
Дефицит кислорода
Курение

Принято считать, что низкий уровень гемоглобина несет в себе угрозу для здоровья. Но и в повышенном гемоглобине хорошего мало. При уровне гемоглобина на 20 г/л выше нормы резко возрастает риск тромбозов, инфаркта, инсульта, нарушения работы почек и поджелудочной железы.

Симптомы высокого гемоглобина

Сонливость, вялость
Нарушение зрения
Онемение конечностей
Снижение массы тела
Потеря аппетита
Кровь в кале
Зуд кожи

Как повысить гемоглобин

Как быстро повысить гемоглобин в крови? У каждого свое понимание слова “быстро”. Кто-то представляет себе недельное лечение, а кто-то хочет принять такую таблетку, которая моментально бы насытила кровь гемоглобином. К сожалению, не все так просто. Стандартное лечение предполагает 2-3 месяца минимум. Все зависит от того, насколько выражен дефицит.

Переливание крови при низком гемоглобине – вот единственный способ быстро исправить ситуацию. Но эта процедура не так уж проста и безопасна, и проводится только при остром дефиците.

Для постепенного повышения уровня гемоглобина применяют препараты железа. Их можно вводить внутривенно, а можно принимать в виде таблеток. И дозировку, и путь введения определит врач. Кстати, не спешите принимать препараты железа самостоятельно. Во-первых, надо определить причину снижения гемоглобина. А для этого пройти обследование и сдать по крайней мере анализ на ферритин. Может быть и не в железе дело. Вы будете насыщать организм железом, а причина кроется в нарушении синтеза гемоглобина.

Что же касается продуктов для повышения гемоглобина в крови, то тут у вас широкий выбор – есть и растительная и животная пища, содержащая железо.

Растительные продукты для повышения гемоглобина

Фрукты и ягоды – яблоки, клюква, рябина, земляника, клубника, киви, черная смородина, гранат, черешня, голубика, абрикосы, черника, красный виноград. Из них можно делать соки. Неплохо повышает гемоглобин вино из красного винограда. Там содержится железо, плюс ко всему алкоголь стимулирует кроветворение.
Овощи – свекла, морковь, перец, брокколи, кукуруза, бобовые. Можно делать миксы – соки из яблок, свеклы, моркови и лимона. Лимон нужен в качестве источника аскорбиновой кислоты, которая, как мы помним, ускоряет всасывание железа.
Орехи – грецкие, кедровые, арахис.
Сухофрукты – изюм, курага, инжир, чернослив.
Отвары трав – зверобой, клевер, шиповник, листья ежевики.
Мед

Животные продукты для повышения гемоглобина

Красное мясо (особенно говядина и телятина), говяжья печень, курица и кролик.
Гематоген. Мы не зря включили эту сладкую ириску в список животных продуктов для повышения гемоглобина. В его состав входит животный белок альбумин, который содержит хорошо усваиваемое железо и витамины. Эта пищевая добавка стала достаточно популярной и очень нравится детям.

Если вы хотите эффективнее насытить организм железом, то не принимайте эти продукты совместно с молоком и молочными продуктами. Кальций замедляет всасывание железа в кишечнике. Кофе и чай тоже лучше заменить на шиповник.

И, разумеется, не забываем о полезных витаминах – С, В12 и фолиевой кислоте.

Как чудесно, скажете вы – столько продуктов! И многие из них мы принимаем в пищу чуть ли не каждый день. Почему же наш гемоглобин продолжает упрямо снижаться? Все это объясняется биодоступностью железа. Ведь между тем сколько мы съели, и сколько осталось в нашем организме – серьезная разница.

Какой смысл в железе в тех же яблоках, если всасывается всего 6%? Кроме того, некоторые сорта яблок содержат очень мало железа, что при такой низкой биодоступности равносильно приему водопроводной воды. Там вообще вся таблица Менделеева, и соли железа в том же числе.

Биодоступность железа в мясе около 20%. Уже неплохо. Кроме того, это железо гемовое, двухвалентное. То есть для того, чтобы занять свое место в гемоглобине ему не надо трансформироваться из трехвалентного. Кстати, нам еще с детства рекомендовали говяжью печень как “топовый” продукт по содержанию железа. Это не совсем так. В обычном красном мясе его намного больше.

В общем, для того чтобы повысить гемоглобин в крови нам нужны препараты железа и правильные продукты. Предпочтение лучше отдать мясу.

Как понизить гемоглобин?

Для понижения гемоглобина рекомендуют ограничить употребление продуктов, содержащих железо. Целесообразность этого совета остается под вопросом. Мы уже говорили о том, что при нормальном обмене веществ, организм не заберет больше железа, чем ему нужно. В принципе, можно красное мясо заменить белым, да и вообще заменить овощами. Вопрос только в том, а поможет ли это снизить высокий гемоглобин?

Единственное, в чем есть рациональное зерно, так это в рекомендации исключения спиртных напитков из рациона. Стимулировать кроветворение при и так высоком гемоглобине совершенно не нужно.

Чаще всего причиной высокого гемоглобина является обезвоживание. Что нужно делать? – конечно же насыщать организм жидкостью. Говоря простым языком – больше пить. Хотя, в некоторых ситуациях назначают специальные препараты – антиагреганты.

Конечно, в первую очередь, надо разобраться с причиной высокого уровня эритроцитов. Эта проблема не возникает спонтанно, и является следствием какого-либо заболевания.

Следите за уровнем гемоглобина и будьте здоровы!

Ответы на вопросы о гемоглобине читайте здесь

источник