соединения гемоглобина с газами и значения их в организме

Гемоглобин

  • Физиология
  • История физиологии
  • Методы физиологии

Гемоглобин и его соединения

Гемоглобин — молекула, состоящая из белка глобина (2а- и 2β-цепи) и 4 пигментных групп (гем), которые способны обратимо связывать молекулярный кислород. В 1 эритроците содержится в среднем 400 млн молекул гемоглобина. Гемоглобин, связанный с кислородом, именуется оксигелюглобином (придает крови ярко-алый цвет). Процесс его связывания с кислородом называется оксигенацией, а его отдача оке и гемоглобином — дезоксигенацией. Не связанный с кислородом гемоглобин называется дезоксигелюглобином. Гемоглобин способен связываться с углекислым газом (карбамингемоглобин), с оксидом углерода (карбоксигемоглобин). Кроме того, NO, взаимодействуя с этим протеидом, образует различные NO- формы: метгемоглобин, нитрозилгемоглобин (HbFe 2+ NO) и S-нитрозогемоглобин (SNO-Hb), которые играют роль своеобразного аллостерического регулятора функциональной активности гемоглобина.

Норма и функции гемоглобина

Количество гемоглобина у мужчин — 130-160 г/л, у женщин — 120-140 г/л. Перенос кислорода и углекислого газа — функция гемоглобина. Гемоглобин — сложное химическое соединение, состоящее из белка-глобина и четырех молекул гема.

Рис. Норма гемоглобина у мужчин и женщин

Основные функции эритроцитов обусловлены наличием в их составе особого белка хромопротеида — гемоглобина. Молекулярная масса гемоглобина человека равна 68 800. Гемоглобин — это дыхательный фермент, который находится в эритроцитах, а не в плазме, потому что:

  • обеспечивает уменьшение вязкости крови (растворение такого же количества гемоглобина в плазме повысило бы вязкость крови в несколько раз и затруднило бы работу сердца и кровообращение);
  • уменьшает онкотическое давление плазмы, предотвращая обезвоживание тканей;
  • предупреждает потерю организмом гемоглобина вследствие его фильтрации в клубочках почек и выделения с мочой.

Основное назначение гемоглобина — транспорт кислорода и углекислого газа. Кроме того, гемоглобин обладает буферными свойствами, а также способностью связывать токсические вещества.

Рис. Взаимодействие гемоглобина с кислородом. k — константа скорости реакции

Гемоглобин состоит из белковой части (глобин) и небелковой железосодержащей части (гем). На одну молекулу глобина приходится четыре молекулы гема. Железо, которое входит в состав гема, способно присоединять и отдавать кислород. При этом валентность железа не изменяется, т.е. оно остается двухвалентным. Железо входит в состав всех дыхательных ферментов.

В крови здорового человека содержание гемоглобина составляет 120-165 г/л (120-150 г/л для женщин, 130-160 г/л для мужчин).

В норме гемоглобин содержится в виде трех физиологических соединений: восстановленного, оксигемоглобина и карбоксигемоглобина. Гемоглобин, присоединивший кислород, превращается в оксигемоглобин — НbО2,. Это соединение ярко-алого цвета, от которого зависит цвет артериальной крови. Один грамм гемоглобина способен присоединить 1,34 мл кислорода.

Оксигемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным гемоглобином (Нb). Он находится в венозной крови, которая имеет темно-вишневый цвет. Кроме того, в венозной крови содержится соединение гемоглобина с углекислым газом — карбогемоглобин (НbСO2), который транспортирует углекислый газ из тканей к легким.

Гемоглобин обладает способностью образовывать и патологические соединения. Одним из них является карбоксигемоглобин — соединение гемоглобина с угарным газом (НbСО). Сродство железа гемоглобина к угарному газу превышает сродство к кислороду, поэтому даже 0,1% угарного газа в воздухе ведет к превращению 80% гемоглобина в карбоксигемоглобин, который не способен присоединять кислород, что является опасным для жизни. Слабое отравление угарным газом — обратимый процесс. При дыхании свежим воздухом угарный газ отщепляется. Вдыхание чистого кислорода увеличивает скорость расщепления НbСО в 20 раз.

Таблица. Характеристика гемоглобинов

Метгемоглобин (MetHb) — тоже патологическое соединение, является окисленным гемоглобином, в котором под влиянием сильных окислителей (феррацианид, перманганат калия, пероксид водорода, анилин и др.) железо гема из двухвалентного превращается в трехвалентное. При накоплении в крови в большом количестве метгемоглобина транспорт кислорода тканями нарушается и может наступить смерть.

В скелетных мышцах и миокарде находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Его небелковая часть аналогична гемоглобину крови, а белковая часть — глобин — обладает меньшей молекулярной массой. Миоглобин человека связывает 14% общего количества кислорода в организме. Это его свойство играет важную роль в снабжении работающих мышц. При сокращении мышц их кровеносные капилляры сдавливаются и кровоток уменьшается либо прекращается. Однако благодаря наличию кислорода, связанного с миоглобином, в течение некоторого времени снабжение мышечных волокон кислородом сохраняется.

источник

47. Виды гемоглобина и его соединения, их физиологическое значение.

Гемоглобин относится к числу важнейших дыхательных белков, принимающих участие в переносе кислорода от легких к тканям. Он является основным компонентом эритроцитов крови, в каждом из них содержится примерно 280 млн молекул гемоглобина.

Гемоглобин является сложным белком, который относится к классу хромопротеинов и состоит из двух компонентов:

железосодержащего гема – 4 %;

Гем является комплексным соединением порфирина с железом. Это соединение довольно неустойчивое и легко превращается либо в гематин, либо в гемин. Строение гема идентично для гемоглобина всех видов животных. Отличия связаны со свойствами белкового компонента, который представлен двумя парами полипептидных цепей. Различают HbA, HbF, HbP формы гемоглобина.

В крови взрослого человека содержится до 95–98 % гемоглобина HbA. Его молекула включает в себя 2 α– и 2 β-полипептидные цепи. Фетальный гемоглобин в норме встречается только у новорожденных. Кроме нормальных типов гемоглобина, существуют и аномальные, которые вырабатываются под влиянием генных мутаций на уровне структурных и регуляторных генов.

Внутри эритроцита молекулы гемоглобина распространяются по-разному. Вблизи мембраны они лежат к ней перпендикулярно, что улучшает взаимодействие гемоглобина с кислородом. В центре клетки они лежат более хаотично. У мужчин в норме содержание гемоглобина примерно 130–160 г/л, а у женщин – 120–140 г/л.

Выделяют четыре формы гемоглобина:

Оксигемоглобин — содержит двухвалентное железо и способен связывать кислород. Он переносит газ к тканям и органам.

Метгемоглобин — содержит трехвалентное железо, не вступает в обратимую реакцию с кислородом и обеспечивает его транспорт.

Карбоксигемоглобин — образует соединение с угарным газом. Он обладает высоким сродством с окисью углерода, поэтому комплекс распадается медленно. Это обусловливает высокую ядовитость угарного газа.

Миоглобин — по структуре близок к гемоглобину и находится в мышцах, особенно в сердечной. Он связывает кислород, образуя депо, которое используется организмом при снижении кислородной емкости крови. За счет миоглобина происходит обеспечение кислородом работающих мышц.

Гемоглобин выполняет дыхательную и буферную функции. 1 моль гемоглобина способен связать 4 моля кислорода, а 1 г – 1,345 мл газа. Кислородная емкость крови – максимальное количество кислорода, которое может находиться в 100 мл крови. При выполнении дыхательной функции молекула гемоглобина изменяется в размерах. Соотношение между гемоглобином и оксигемоглобином зависит от степени парциального давления в крови. Буферная функция связана с регуляцией pH крови.

48. Гуморальная и нервная регуляция эритро- и лейкопоэза.

У взрослых процесс образования эритроцитов – эритропоэз, происходит в красном костном мозге плоских костей. Они образуются из ядерных стволовых клеток, проходя стадии проэритробласта, эритробласта, нормобласта, ретикулоцитов II, III, IV. Этот процесс происходит в эритробластических островках, содержащих эритроидные клетки и макрофаги костного мозга. Макрофаги выполняют следующие функции:

Фагоцитируют вышедшие из нормобластов ядра.

Обеспечивают эритробласты ферритином, содержащим железо.

Создают благоприятные условия для развития эритробластов.

Созревание эритроцитов занимает около 5 дней. Из костного мозга в кровь поступают ретикулоциты, дозревающие до эритроцитов в течение суток. По их количеству в крови судят об интенсивности эритропоэза. В сутки образуется 60-80 тысяч эритроцитов на каждый микролитр крови. Т.е. ежесуточно обновляется около 1,5% эритроцитов.

Основным гуморальным регулятором эритропоэза является гормон эритропоэтин. В основном он образуется в почках. Небольшое его количество синтезируется макрофагами. Интенсивность синтеза эритропоэтина зависит от содержания кислорода в тканях почек. При их достаточной оксигенации ген, регулирующий синтез эритропоэтина, блокируется. При недостатке кислорода, он активируется ферментами. Начинается усиленный синтез эритропоэтина. Стимулируют его синтез в почках адреналин, норадреналин, глюкокортикоиды, андрогены. Поэтому количество эритроцитов в крови возрастает в горах, при кровопотерях, стрессе и т.д. Торможение эритропоэза осуществляется его ингибиторами. Они образуются при увеличении количества эритроцитов выше нормы, повышенном содержании кислорода в крови. Эстрогены также тормозят эритропоэз. Поэтому в крови женщин эритроцитов меньше, чем у мужчин. Важное значение для эритропоэза имеют витамины В6, В12 и фолиевая кислота. Витамин В12 называют внешним фактором кроветворения. Однако для его всасывания в кишечнике необходим внутренний фактор Кастла, вырабатываемый слизистой желудка. При его отсутствии развивается злокачественная анемия.

Гранулоциты и моноциты образуются из миелобластов через стадии промиелоцита, эозинофильных, нейтрофильных, базофильных миелоцитов или монобластов. Из монобластов сразу образуется моноциты, а из миелоцитовмелоцитов метамиелоциты, затем палочкоядерные гранулоциты и, наконец, сегментоядерные клетки. Гранулоцитопоэз стимулируют гранулоцитарные колониестимуцлирующие факторы (КСФ-Г), а моноцитопоэз – моноцитарный колониестимулирующий фактор (КСФ-М). Угнетают гранулоцитопоэз кейлоны, выделяющиеся зрелыми нейтрофилами. Кейлоны тормозят синтез ДНК в стволовых клетках белого ростка костного мозга. Задерживают созревание гранулоцитов и моноцитов простагландины Е, интерфероны.

источник

Гемоглобин и его соединения

Гемоглобин и его соединения

Гемоглобин – особый белок хромопротеида, благодаря которому эритроциты выполняют дыхательную функцию и поддерживают рН крови. У мужчин в крови содержится в среднем 130–160 г/л гемоглобина, у женщин – 120–150 г/л.

Гемоглобин состоит из белка глобина и 4 молекул гема. Гем имеет в своем составе атом железа, способный присоединять или отдавать молекулу кислорода. При этом валентность железа, к которому присоединяется кислород, не изменяется, т. е. железо остается двухвалентным. Гемоглобин, присоединивший к себе кислород, превращается в оксигемоглобин. Это соединение непрочное. В виде оксигемоглобина переносится большая часть кислорода. Гемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным, или дезоксигемоглобином. Гемоглобин, соединенный с углекислым газом, носит название карбгемоглобина. Это соединение также легко распадается. В виде карбгемоглобина переносится 20% углекислого газа.

В особых условиях гемоглобин может вступать в соединение и с другими газами. Соединение гемоглобина с угарным газом (СО) называется карбоксигемоглобином. Карбоксигемоглобин является прочным соединением. Гемоглобин блокирован в нем угарным газом и неспособен осуществлять перенос кислорода. Сродство гемоглобина к угарному газу выше его сродства к кислороду, поэтому даже небольшое количество угарного газа в воздухе является опасным для жизни.

При некоторых патологических состояниях, например, при отравлении сильными окислителями (бертолетовой солью, перманганатом калия и др.) образуется прочное соединение гемоглобина с кислородом – метгемоглобин, в котором происходит окисление железа, и оно становится трехвалентным. В результате этого гемоглобин теряет способность отдавать кислород тканям, что может привести к гибели человека.

В скелетных и сердечной мышцах находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Он играет важную роль в снабжении кислородом работающих мышц.

Имеется несколько форм гемоглобина, отличающихся строением белковой части – глобина. У плода содержится гемоглобин F. В эритроцитах взрослого человека преобладает гемоглобин А (90%). Различия в строении белковой части определяют сродство гемоглобина к кислороду. У фетального гемоглобина оно намного больше, чем у гемоглобина А. Это помогает плоду не испытывать гипоксии при относительно низком парциальном напряжении кислорода в его крови.

Ряд заболеваний связан с появлением в крови патологических форм гемоглобина. Наиболее известной наследственной патологией гемоглобина является серповидноклеточная анемия. Форма эритроцитов напоминает серп. Отсутствие или замена нескольких аминокислот в молекуле глобина при этом заболевании приводит к существенному нарушению функции гемоглобина.

В клинических условиях принято вычислять степень насыщения эритроцитов гемоглобином. Это так называемый цветовой показатель. В норме он равен 1. Такие эритроциты называются нормохромными. При цветовом показателе более 1,1 эритроциты гиперхромные, менее 0,85 – гипохромные. Цветовой показатель важен для диагностики анемий различной этиологии.

источник

Соединения гемоглобина, их функции

Гем — это комплексное соединение протопорфирина ІX с железом. Он крайне неустойчив и легко превращается либо в гематин с окислением двухвалентного железа до трехвалентного и присоединением к последнему ОН, либо в гемин, содержащий вместо ОН- ионизированнный хлор. Структура гема идентична для гемоглобина всех видов животных. Различия в свойствах гемоглобина обусловлены различиями белкового компонента. Как известно, молекула гемоглобина представляет собой тетрамер, состоящий из двух пар полипептидных цепей, каждая из которых соединена с гемом. Совокупность четырех попарно одинаковых полипептидных цепей образует белковую часть молекулы гемоглобина — глобин.

ГЕМОГЛОБИН, ЕГО СОСТАВ И ЗНАЧЕНИЕ

Гемоглобин (от греческого haema — кровь и латинского glomus — шарик) относится к числу важнейших дыхательных белков, осуществляющих транс­порт кислорода от легких к тканям, а также косвенно участвующих в перено­се углекислоты. Гемоглобин — основной компонент эритроцитов крови всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. В каждом эритроците содержится около 280 млн. молекул гемоглобина. Гемоглобин — сложный протеин, относится к классу так называемых хромопротеидов (гемопротеинов), состоит из железосодержащих групп гема и белкового остатка глоби­на. На долю гема приходится 4%, и на белковую часть — 96%. Молекулярная масса гемоглобина составляет 64 500 Д.

Динамическое взаимодействие гема с глобином придает гемоглобину уникальные свойства, необходимые для обратимого процесса транспорта ки­слорода.

В крови взрослого человека содержится в основном НbА (95-98%), а
также НbА2 (2-2,5%), HbF (0,1-2%). На протяжении всей жизни соотношение
НbА и НbА2 в норме составляет 30:1. Молекула НbА включает две α- и две β-полипептидные цепи. В настоящее время полностью определена первичная структура глобиновых цепей молекулы НbА. α — и β -цепи отличаются как по числу, так и по составу аминокислот; α -цепи состоят из 141 аминокислотно­го остатка, β -цепи — из 146 аминокислотных остатков, связанных в генетиче­ски определенной последовательности. В целом в составе молекулы гемо­глобина содержится 574 аминокислотных остатка.

Кроме нормальных типов гемоглобина, существуют аномальные гемоглобины, обусловленные различными генными мутациями на уровне структурных или регуляторных генов, управляющих синтезом полипептидных цепей. Аномальные гемоглобины отличаются своими физико-химическими свойствами, структурой глобиновой части молекулы. В настоящее время установлено более 200 аномальных гемоглобинов.

Внутри эритроцита имеются определенные особенности расположения гемоглобина. Ближе к мембране молекулы гемоглобина располагаются в строго перпендикулярном направлении, что облегчает взаимодействие гемо­глобина с кислородом. В центре эритроцита обнаружено более хаотическое расположение его молекул. Гиалоплазма содержит многочисленные гранулы гемоглобина размером около 4-5 нм.

У мужчин содержание гемоглобина в среднем составляет 130-160 г/л, у женщин- 120-140 г/л.

Эритроциты, нормально насыщенные гемоглобином, получили название нормохромных, со сниженным количеством — гипохромных, а с повышен­ным содержанием гемоглобина — гиперхромных.

Важнейшими соединениями гемоглобина являются оксигемоглобин и восстановленный (редуцированный) гемоглобин. В составе этих соедине­ний гемоглобина сохраняется двухвалентное железо, а следовательно, не из­меняется способность гемоглобина к связи с О2.

При воздействии на гемоглобин окислителей (перекисей, супероксидно­го анион-радикала, нитритов, нитропроизводных органических веществ — хининов) происходит истинное окисление гемоглобина с отнятием электро­на, превращением железа гемоглобина из двухвалентного в трехвалентное и соответствующими изменениями центральной части геминовой группы. В связи с этим образуется метгемоглобин, который не способен вступать в об­ратимую реакцию с О2 и обеспечивать его транспорт.

Из тканей различных органов, особенно кишечника, постоянно посту­пают в кровь вещества, вызывающие образование метгемоглобина в услови­ях нормы в очень небольших количествах. Это связано с наличием в эритро­цитах антиоксидантов, в частности системы глютатиона, аскорбиновой ки­слоты, препятствующих образованию метгемоглобина или обеспечивающих его восстановление при участии фермента НАД-Н-метгсмоглобинредуктазы.

В условиях патологии при поступлении в кровь значительного количест­ва метгемоглобинобразователей возникает недостаточность антиоксидантной системы эритроцитов, что приводит к чрезмерному образованию метгемог­лобина и отравлению организма.

Если количество метгемоглобина в крови превышает 50% общего количества гемоглобина, то возникает тяжелая гемическая гипоксия, обусловленная недостаточностью транспорта О2 эритроцитами, и угроза летального ис­хода отравления. Метгемоглобин может быть быстро восстановлен в гемо­глобин при помощи различных органических и неорганических восстанови­телей (аскорбиновой кислоты, глютатиона, гидросульфита и др.) лишь in vitro. Между тем in vivo эти средства непригодны либо из-за медленного проникновения их в эритроциты или вследствие их ядовитости.

Восстановление метгемоглобина в гемоглобин в эритроцитах происхо­дит в процессе ферментативных реакций с участием дегидрогеназ и соответ­ствующих субстратов — молочной кислоты, глюкозы, глюкозо-6-фосфата.

Карбоксигемоглобин— соединение гемоглобина с угарным газом — окисью углерода (СО). Закономерности насыщения гемоглобина окисью уг­лерода такие же, что и для насыщения гемоглобина кислородом. Разница за­ключается в том, что сродство СО к гемоглобину в 300 раз выше, чем О2 к гемоглобину; распад карбоксигемоглобина происходит в 10 000 раз медлен­нее, чем оксигемоглобина.

Высокое сродство гемоглобина к СО обусловливает высокую ядовитость угарного газа. Примесь даже 0,1% СО в окружающем воздухе приводит к тому, что почти 80% гемоглобина оказывается связанным с угарным газом и выключается из функции переноса кислорода.

Миоглобин— вещество, близкое по структуре гемоглобину, находится в мышцах (миогемоглобин). В большом количестве он содержится в сердечной мышце, особенно в сердце животных, способных долго находиться под во­дой — тюленей, дельфинов, китов. Связывая О2, миоглобин создает некото­рый его запас, своеобразное депо кислорода, который используется при сни­жении кислородной емкости крови, при развитии гипоксии различного про­исхождения. За счет миоглобина осуществляется также обеспечение кисло­родом работающих мышц. При сокращении мышц наблюдаются сдавление капилляров, нарушение кровотока с развитием гипоксического состояния в мышцах. Однако благодаря наличию кислорода, связанного с миоглобином, в течение некоторого времени мышечные волокна снабжаются кислородом. Касаясь структурных особенностей миоглобина, следует отметить, что структура простетической группы его такая же, как и у гемоглобина; между тем белковая часть обладает меньшей молекулярной массой (около 17 000 Д) и включает 153 аминокислотных остатка. Миоглобин обладает большим сродством к кислороду, присоединяет около 14% общего количества кисло­рода в организме. Сродство миоглобина к окиси углерода значительно меньше, чем у гемоглобина.

Главными функциями гемоглобина являются дыхательная и буфер­ная. Выполнение указанных функций гемоглобином возможно лишь при со­хранении целостности эритроцитов, так как при гемолизе эритроцитов и вы­ходе гемоглобина в плазму крови он быстро выводится из организма за счет фагоцитоза клетками мононуклеарной фагоцитирующей системы, а также в силу быстрого удаления через почки.

Один моль гемоглобина может связать до 4 молей кислорода, а 1 г гемоглобина может связать 1,345 мл кислорода. Кислородная емкость крови — это максимальное количество кислорода, которое может быть связано 100 мл крови. Насыщение гемоглобина кислородом составляет 96-98%.

Связывание кислорода происходит в процессе так называемой оксигенации, а не истинного окисления. Железо в оксигемоглобине остается двухвалентным. Кислород, соединяясь с гемом первой α-цепи, вызывает конформационные перестройки в геме, что облегчает присоединение кислорода ко второй α-цепи. При этом возникает вновь разрыв двух солевых мостиков между α1 и α2— субъединицами с выделением протонов. Конформационные перестройки α -цепей в процессе оксигенации приводят к изменению поло­жения валина в β -цепях и освобождению места для присоединения О2. Оксигенация β-цепей также сопровождается разрывом солевых мостиков между α-β и β-β -цепями с выделением протонов и переходом всей молекулы в оксиконформацию.

При выполнении дыхательной функции молекула гемоглобина изменяет свои размеры подобно дышащей грудной клетке. Это послужило основанием для того, чтобы назвать гемоглобин «дышащей молекулой, или молекуляр­ными легкими».

Соотношение между количеством гемоглобина и оксигемоглобина определяется в значительной степени парциальным давлением кислорода в крови, хотя при этом и не соблюдается линейная зависимость. Это соотношение выражается в виде кривой диссоциации оксигемоглобина.

Участие гемоглобина в регуляции рН крови (буферная функция) связано с его ролью в транспорте кислорода и углекислого газа. Следует отметить нали­чие в организме гемоглобиновой и оксигемоглобиновой буферных систем.

Дата добавления: 2014-01-20 ; Просмотров: 3258 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

источник