10 000 атомов, составляющих молекулу гемоглобина, соединены в четыре цепи, каждая из которых представляет собой изогнутую несколько раз спираль. Эта молекула способна изменять свою форму в зависимости от того, связана она с кислородом или нет
В 1937 году я выбрал темой своей диссертации рентгеноструктурный анализ гемоглобина - белка крови, способного связывать кислород. К счастью, члены Ученого совета, перед которыми я защищал свою диссертацию, не настаивали на определении структуры гемоглобина - иначе мне пришлось бы оставаться аспирантом еще 23 года. Надо сказать, что полностью (вплоть до определения расположения каждого атома в гигантской молекуле гемоглобина) эта проблема не решена еще и поныне. Тем не менее мы уже достаточно знаем о структуре гемоглобина, чтобы представить себе сложную трехмерную конфигурацию из четырех составляющих его цепей, построенных из аминокислотных единиц. Нам известно также положение четырех пигментных групп, содержащих центры связывания с кислородом (смотрите рисунок ниже).
Трехмерная модель молекулы гемоглобина, разработанная
на основании рентгеноструктурного анализа автором и его сотрудниками,
- вид сверху (верхний рисунок) и сбоку (нижний рисунок)
Блоки неправильной формы характеризуют распределение электронных плотностей на разных уровнях молекулы гемоглобина. Молекула состоит из четырех субъединиц: двух идентичных α-цепей (светлые блоки) и двух идентичных β-цепей (темные блоки). Буквой N обозначены концевые аминогруппы α-цепей и буквой С - концевые карбоксильные группы. Каждая цепь окружает группу гема (темный диск) - содержащую атом железа структуру, которая связывает кислород.
Оказалось, что по характеру свертывания четыре цепи гемоглобина очень сходны с одиночной цепью миоглобина - мышечного белка, связывающего кислород. Структуру миоглобина, вплоть до расположения каждого атома в его молекуле, выяснил мой коллега Дж. Кендрью со своими сотрудниками. Совпадение структуры этих двух белков позволяет нам, применяя чисто физические методы, весьма точно установить расположение каждой аминокислотной единицы в местах изгибов и поворотов цепей гемоглобина.
Однако для того, чтобы детально выяснить расположение всех аминокислот в молекуле гемоглобина, - а всего их 20 различных видов,- одних физических методов недостаточно. Здесь на помощь пришел химический анализ.
Американские и немецкие ученые определили последовательность свыше 140 аминокислотных остатков в каждой из четырех цепей гемоглобина. Результаты, полученные благодаря использованию всей совокупности физических и химических методов, позволяют нам сейчас представить себе с большой точностью многие участки молекулы этого белка.
«Молекулы и клетки», под ред. Г.М.Франка
Самым неожиданным оказалось расположение четырех групп гема в молекуле оксигемоглобина. Исходя из характера их химического взаимодействия, следовало бы ожидать, что они лежат рядом друг с другом. На самом же деле каждая группа гема располагается в отдельном углублении на поверхности молекулы и, по-видимому, совершенно не связана с остальными тремя группами гема. Итак, структура гемоглобина в том…
Положение же двух α-цепей, насколько мы могли судить, не изменилось, как и расстояние между атомами железа в β- и их ближайшими соседями в α-цепях. Создавалось впечатление, что две β-цепи раздвинулись, оторвавшись друг от друга, причем их точки соприкосновения с α-цепями несколько изменились. Смотрите рисунок - Сравнение участков двух β-цепей в «восстановленном» (свободном от кислорода) гемоглобине…
Недавно мне удалось построить модели α- и β-цепей гемоглобина; оказалось, что по своей атомной структуре они очень напоминают миоглобин. Если какие-либо две белковые цепи так похожи друг на друга, то мы вправе ожидать, что они имеют почти одинаковый аминокислотный состав. Выражаясь языком белковой химии, можно сказать, что в молекулах миоглобинов и гемоглобинов всех позвоночных аминокислоты…
Сравнение аминокислотных последовательностей в молекулах гемоглобина и миоглобина у всех изученных видов показало, что только в 15 положениях (то есть не более чем в 1 из 10) стоят одинаковые аминокислотные остатки. Во всех же остальных положениях в процессе эволюции произошло одно или даже более замещений (смотрите рисунок ниже). Последовательность аминокислот в положениях 81 -102 для…
На рентгенограммах кристаллов белков число пятен доходит до сотен тысяч. Для точного определения фазы каждого пятна необходимо тщательно измерить несколько раз его интенсивность (степень почернения) как на рентгенограмме кристалла чистого белка, так и на рентгенограммах кристаллов производных этого белка с тяжелыми атомами, в разных положениях присоединенными к его молекуле. Затем в результаты нужно внести поправки…
Если кристалл неподвижен, то на фотографической пленке, помещенной позади него, будут видны пятна, расположенные по эллипсам. Если же кристалл вращать определенным образом, то пятна появятся по углам правильной «решетки», отражающей расположение молекул в кристалле (смотрите рисунок ниже). Рентгенограмма монокристалла гемоглобина, который вращали при фотографировании Электроны, окружающие центры атомов кристалла, рассеивают падающие на них рентгеновские лучи,…
Гемоглобин - это основной компонент эритроцитов, то есть тех клеток, которые переносят кислород от легких к тканям, а углекислоту - от тканей к легким. В одном эритроците содержится около 280 миллионов молекул гемоглобина. Каждая молекула в 64 500 раз тяжелее атома водорода и состоит примерно из 10 000 атомов водорода, углерода, азота, кислорода и серы;…
Соединяясь с электрически заряженными или с диполярными группами, молекулы воды ослабляют электрическое поле, окружающее эти группы, что приводит к уменьшению так называемой свободной энергии и тем самым к стабилизации внутренней структуры молекулы. В то же время боковые группы таких аминокислот, как лейцин или фенилаланин, состоят только из атомов углерода и водорода. Будучи электронейтральными и лишь…
Э. Блаут установил, что некоторые аминокислоты, например валин или треонин, если они присутствуют в большом количестве, также подавляют образование α-спиралей; это, однако, не относится, по-видимому, в сколько-нибудь заметной степени к миоглобину и гемоглобину. Определить аминокислотную последовательность в белках легче, чем выяснить с помощью рентгеноструктурного анализа их трехмерную структуру; было бы поэтому очень важно научиться предсказывать…
Гемоглобин можно сравнить с кислородным баллоном или, лучше, с молекулярным легким. Две из четырех цепей молекулы способны сближаться и раздвигаться, так что промежуток между ними становится то уже - когда гемоглобин связан с кислородом, то шире - когда кислород освобождается. Структурные изменения, связанные с химической активностью, были известны и раньше - не только для гемоглобина,…
Большая часть гемоглобина у взрослых состоит из двух альфа- и двух бета-цепей глобина (по 141 и 146 аминокислот соответственно). В каждую цепь глобина встроена молекула гема; содержащийся в ней атом железа связывает кислород . Переносить кислород может только двухвалентное железо.
Каждая молекула гемоглобина содержит две цепи альфа-глобина и две бета-глобина , которые кодируются генами альфа-глобиновых кластеров и генами бета-глобиновых кластеров, находящихся у млекопитающих на различных хромосомах.
Эти гены располагаются кластерами: гены, кодирующие альфа-цепи и сходные с ними дзэта-цепи, - на 16-й хромосоме , а гены, кодирующие бета-цепи и сходные с ними гамма-, дельта- и эпсилон-цепи, - на 11-й хромосоме ( рис. 107.2). В норме гемоглобины содержат две цепи из первой группы (альфа или дзэта) и две - из второй (бета, дельта, эпсилон или гамма).
Последовательная экспрессия различных генов глобина во время онтогенеза приводит к смене преобладающего типа гемоглобина. Так, на момент рождения преобладает синтез не бета-, а гамма-цепей, которые, соединяясь с альфа-цепями, образуют гемоглобин F (альфа2гамма2) .Нарушение нормального порядка активации генов глобина при некоторых болезнях может иметь диагностическое значение.
Гемоглобин составляет примерно 95% белков эритроцитов . Молекула гемоглобина представляет собой тетрамер, состоящий из двух гомологичных димеров. Гемоглобин нормального человека содержит 3 компонента: гемоглобин А (или А1) - Hb А, гемоглобин А2 (Hb А2), гемоглобин А3 (Hb А3). На долю гемоглобина А1 приходится 90% всего гемоглобина, в то время как гемоглобин А2 составляет 2,5%. 7,5% приходится на компонент А3, представляющий собой, по-видимому, гемоглобин А, который изменился вследствие старения красных кровяных телец.
Конформация как отдельных цепей, так и молекулы в целом может меняться, приводя к образованию форм гемоглобина с различным сродством к кислороду. Сродство гемоглобина к кислороду растет по мере присоединения кислорода к гемам молекулы, что придает кривой диссоциации оксигемоглобина характерную S-образную форму ( рис. 107.1). Положение этой кривой зависит от рН, РСО2 , концентраций 2,3-ДФГ и АТФ , температуры, а также дефектов цепей глобина.
Встречаются также гомотетрамеры бета-цепей - гемоглобин H и сходных с ними гамма-цепей - гемоглобин Bart . В значительных количествах они образуются лишь при дефиците альфа-цепей ( альфа-талассемии), и их выявление важно для диагностики.
Для лечения многих заболеваний важно понимать механизм последовательной активации генов цепей глобина в соответствующие моменты онтогенеза, однако наши познания в этой области явно недостаточны. Известно, что в активном синтезе глобина во время образования эритроцитов участвует мощный энхансер , расположенный в регуляторном участке каждого гена. К активации гена приводит связывание факторов транскрипции с его промотором. Каждый ген содержит три экзона и два интрона . В процессе сплайсинга из транскрипта удаляются последовательности, соответствующие интронам. Дефекты, ведущие к талассемиям, могут возникать на любом из этапов синтеза - в процессе транскрипции, сплайсинга или трансляции.
Гемоглобин А (Hb A) содержит две альфа и две бета цепи, его формула A2B2. В гемоглобине A2 (Hb A2) вместо бета цепей находятся весьма сходные с ними дельта цепи. У взрослых людей находится также небольшое количество фетального гемоглобина (Hb F), у которого вместо бета цепей находятся гамма цепи.
Синтез гемоглобина осуществляется путем синхронного образования гема и глобиновых цепей и их сочетания с образованием полностью законченной молекулы. Активность глобиновых цепей на разных стадиях онтогенеза различна. В развитии человека можно выделить три периода, характеризующихся определенным типом эритропоэза и функционированием тех или иных гемоглобинов.
На самых ранних этапах, у двухнедельных эмбрионов эритопоэз происходит в мезенхиме желточного мешка. В этот период активно экспрессируются гены эмбриональных альфа-подобных зета цепей и бета-подобных эпсилон цепей глобинов, синтезируются также альфа и в небольшом количестве гамма цепи. Основными гемоглобинами мегалобластов являются - гемоглобин Гоуер 1 (Hb Gower I), состоящий из двух эпсилон цепей и двух зета цепей и гемоглобин Гоуер 2 (Hb Gower II), состоящий из двух эпсилон цепей и двух альфа цепей и гемоглобин Портленд.
На шестой неделе развития начинается второй период эритопоэза, протекающий в основном в печени. Зета-глобиновые цепи полностью заменяются на альфа глобиновые, начинается синтез гамма и бета цепей, а синтез эпсилон-цепей резко снижается. В течение седьмой недели развития плода уровень эпсилон-цепей падает до фонового уровня и на восьмой неделе полностью исчезает. В это время уровень бета цепей продолжает постепенно расти, достигая 10% к десятой недели развития. Значительное снижение синтеза гамма цепей и одновременное повышение синтеза бета цепей происходит за несколько недель до рождения ребенка. После рождения этот процесс продолжается и к четвертому месяцу содержание различных форм гемоглобинов у ребенка соответствует их относительному содержанию у взрослого человека.
Главный белок эритроцитов – гемоглобин (Нb), он включает в свой состав гем с катионом железа, а его глобин содержит 4 полипептидных цепи.
Среди аминокислот глобина преобладают лейцин, валин, лизин (на их долю приходится до 1/3 всех мономеров). В норме уровень Нb в крови у мужчин – 130-160г/л, у женщин – 120-140 г/л. В разные периоды жизни зародыша и ребёнка активно работают различные гены, ответственные за синтез нескольких полипептидных цепей глобина. Выделяют 6 субъединиц: α, β, γ, δ, ε, ζ (альфа, бета, гамма, дельта, эпсилон, дзета соответственно). Первая и последняя из них содержат по 141, а остальные по 146 аминокислотных остатков. Друг от друга они отличаются не только количеством мономеров, но и их составом. Принцип образования вторичной структуры у всех цепей однотипен: они сильно (до 75% длины) спирализованы за счёт водородных связей. Компактная укладка в пространстве подобного образования приводит к возникновению третичной структуры; причем при этом создаётся карман, куда и вкладывается гем. Возникший комплекс сохраняется с помощью приблизительно 60 гидрофобных взаимодействий между белком и простетической группой. Подобная глобула объединяется с 3 сходными субъединицами, образуя четвертичную структуру. Получается белок, составленный из 4 полипептидных цепей (гетерогенный тетрамер), имеющий форму тетраэдра. Высокая растворимость Нb сохраняется только при наличии различных пар цепей. Если же происходит объединение одинаковых, — следует быстрая денатурация, укорачивающая жизнь эритроцита.
В зависимости от характера включённых протомеров различают следующие виды нормальных гемоглобинов. В первые 20 суток существования эмбриона в ретикулоцитах образуется Hb P (Primitive) в виде двух вариантов: Hb Gower 1, состоящий из дзета- и эпсилон-цепей, соединенных попарно, и Hb Gower 2 , в котором дзета-последовательности уже заменены на альфа. Переключение генеза одного вида структуры на другой осуществляется медленно: вначале появляются отдельные клетки, продуцирующие иной вариант. Они дают стимул клонам новых клеток, синтезирующих другой вид полипептида. Позднее эритробласты начинают преобладать и постепенно вытесняют старые. На 8-й неделе жизни зародыша включается синтез гемоглобина F =α 2 γ 2, по мере же приближения акта родов появляются ретикулоциты, содержащие HbA =α 2 β 2. У новорожденных на его долю приходится 20-30%, у здорового взрослого человека его вклад составляет 96–98% от общей массы этого белка. Кроме того, в отдельных эритроцитах присутствуют гемоглобины HbA 2 =α 2 δ 2 (1,5 – 3%) и фетальный HbF (обычно не больше 2%). Однако в некоторых регионах, в том числе и у аборигенов Забайкалья концентрация последнего вида повышена до 4% (в норме).
Формы гемоглобина
Описаны следующие формы данного гемопротеида, получающиеся после взаимодействия, в первую очередь, с газами и другими соединениями.
Дезоксигемоглобин – свободная от газов форма протеина.
Оксигемоглобин – продукт включения кислорода в молекулу белка. Одна молекула Hb способна удерживать 4 молекулы газа.
Карбгемоглобин уносит из тканей СО 2 , связавшийся с лизином этого протеина.
Монооксид углерода, проникая с атмосферным воздухом в лёгкие, быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает во взаимодействие с дезоки- и/или окси-Hb:
Образовавшийся карбоксигемоглобин не способен присоединять к себе кислород, а угарного газа может связывать 4 молекулы.
Важным производным Hb является метгемоглобин , в молекуле которого атом железа находится в степени окисления 3+. Такая форма гемопротеида образуется при действии на него различных окислителей (оксидов азота, нитробензола, нитроглицерина, хлоратов, метиленового синего), в результате в крови уменьшается количество функционально важного оксиHb, что нарушает доставку кислорода к тканям, вызывая в них развитие гипоксии.
Концевые аминокислоты в цепях глобина позволяют им реагировать с моносахаридами, в первую очередь, с глюкозой. В настоящее время выделяют несколько подвидов Hb A (от 0 до 1c), в которых к валину бета-цепей прикреплены олигосахариды. Особенно легко реагирует последний подвид гемопротеида. У образовавшегося при этом без участия фермента гликозилированного гемоглобина меняется его сродство к кислороду. В норме на долю подобной формы Hb приходится не более 5% от его общего количества. При сахарном диабете его концентрация возрастает в 2-3 раза, что благоприятствует возникновению тканевой гипоксии.
Свойства гемоглобина
Все известные гемопротеиды (Раздел I) близки по строению не только простетической группы, но и апопротеина. Определённая общность в пространственной укладке обусловливает и сходство в функционировании – взаимодействии с газами, в основном с кислородом, СО 2 , СО, NО. Главное свойство гемоглобина – способность обратимо присоединять в лёгких (до 94%) и эффективно отдавать в тканях кислород . Но поистине уникальным для того белка является сочетание прочности связывания кислорода при высоких его парциальных напряжениях и лёгкости диссоциации этого комплекса в области пониженных давлений. Кроме того скорость распада оксигемоглобина зависит от температуры, pH среды. При накоплении углекислоты, лактата и других кислых продуктов происходит более быстрая отдача кислорода (эффект Бора ). Также действует и лихорадка. При алкалозе, гипотермии следует обратное смещение, улучшаются условия насыщения Hb кислородом в лёгких, но полнота выхода газа в ткани уменьшается. Подобное явление наблюдается при гипервентиляции, замерзании и т.д. Попадая в условия острой гипоксии, эритроциты активируют гликолиз, что сопровождается увеличением содержания 2,3-ДФГК, которая снижает сродство гемопротеида к кислороду, активирует дезоксигенацию крови в тканях. Интересно, что фетальный гемоглобин с ДФГК не взаимодействует, сохраняя поэтому повышенное сродство к кислороду и артериальной, и венозной крови.
Этапы образования гемоглобина
Синтез гемоглобина, как любого другого белка, требует наличия матрицы (иРНК), которая продуцируется в ядре. Эритроцит, как известно, не имеет никаких органоидов; следовательно, формирование гемовых протеинов возможно лишь в клетках-предшественниках (эритробластах, заканчиваясь в ретикулоцитах). Этот процесс у эмбрионов осуществляется в печени, селезенке, а у взрослых в костном мозге плоских костей, в которых кроветворные стволовые клетки непрерывно размножаются и генерируют предшественников всех типов клеток крови (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов). Формирование первых регулируется эритропоэтином почек. Параллельно с генезом глобина происходит образование гема, облигатным компонентом которого служат катионы железа.
Гемо — кровь и лат. globus — шар) - это сложная белковая молекула внутри красных клеток крови - эритроцитов (у человека и позвоночных животных). Гемоглобин составляет примерно 98% массы всех белков эритроцита.
Гемоглобин
(от др.-греч. Гемо — кровь и лат. globus - шар) - это сложная белковая молекула внутри красных клеток крови – эритроцитов (у человека и позвоночных животных). Гемоглобин составляет примерно 98% массы всех белков эритроцита. За счет своей структуры гемоглобин участвует в переносе кислорода от легких к тканям, и оксида углерода обратно.
Строение гемоглобина
Гемоглобин состоит из двух цепей глобина типа альфа и двух цепей другого типа (бета, гамма или сигма), соединенными с четырьмя молекулами гемма, содержащего железо. Структура гемоглобина записывается буквами греческого алфавита: α2γ2.
Обмен гемоглобина
Гемоглобин образуется эритроцитами в красном костном мозге и циркулирует с клетками в течение всей их жизни – 120 дней. Когда селезенкой удаляются старые клетки, компоненты гемоглобина удаляются из организма или поступают обратно в кровоток, чтобы включиться в новые клетки.
Типы гемоглобина
К нормальным типам гемоглобина относится гемоглобин А или HbA (от adult - взрослый), имеющий структуру α2β2, HbA2 (минорный гемоглобин взрослого, имеющий структуру α2σ2 и фетальный гемоглобин (HbF, α2γ2. Гемоглобин F – гемоглобин плода. Замена на гемоглобин взрослого полностью происходит к 4-6 месяцам (уровень фетального гемоглобина в этом возрасте менее 1%). Эмбриональный гемоглобин образовывается через 2 недели после оплодотворения, в дальнейшем, после образования печени у плода, замещается фетальным гемоглобином.
Аномальных гемоглобинов более 300, их называют по месту открытия.
Функция гемоглобина
Основная функция гемоглобина – доставка кислорода от легких к тканям и углекислого газа обратно.
Формы гемоглобина
- Оксигемоглобин – соединение гемоглобина с кислородом. Оксигемоглобин преобладает в артериальной крови, идущей от легких к тканям. Из-за содержания оксигемоглобина артериальная кровь имеет алый цвет.
- Восстановленный гемоглобин или дезоксигемоглобин (HbH) - гемоглобин, отдавший кислород тканям
- Карбоксигемоглобин – соединение гемоглобина с углекислым газом. Находится в венозной крови и придает ей темный вишневый цвет.
Эффект Бора
Эффект был описан датским физиологом Христианом Бором http://en.wikipedia.org/wiki/Christian_Bohr (отцом знаменитого физика Нильса Бора).
Христиан Бор заявил, что при большей кислотности (более низкое значение рН, например, в тканях) гемоглобин будет меньше связываться с кислородом, что позволит его отдать.
В легких, в условиях избытка кислорода, он соединяется с гемоглобином эритроцитов. Эритроциты с током крови доставляют кислород ко всем органам и тканям. В тканях организма с участием поступающего кислорода проходят реакции окисления. В результате этих реакций образуются продукты распада, в том числе, углекислый газ. Углекислый газ из тканей переносится в эритроциты, из-за чего уменьшается сродство к кислороду, кислород выделяется в ткани.
Эффект Бора имеет громадное значение для функционирования организма. Ведь если клетки интенсивно работают, выделяют больше СО2, эритроциты могут снабдить их большим количеством кислорода, не допуская кислородного «голодания». Следовательно, эти клетки могут и дальше работать в высоком темпе.
Какой уровень гемоглобина в норме?
В каждом миллилитре крови содержится около 150 мг гемоглобина! Уровень гемоглобина меняется с возрастом и зависит от пола. Так, у новорожденных гемоглобин значительно выше, чем у взрослых, а у мужчин выше, чем у женщин.
Что еще влияет на уровень гемоглобина?
Некоторые другие состояния также влияют на уровень гемоглобина, например, пребывание на высоте, курение, беременность.
Заболевания, связанные с изменением количества или структуры гемоглобина
- Повышение уровня гемоглобина наблюдается при эритроцитозах, обезвоживании.
- Снижение уровня гемоглобина наблюдается при различных анемиях.
- При отравлении угарным газом образуется карбгемоглобин (не путайте с карбоксигемоглобином!), который не может присоединять кислород.
- Под действием некоторых веществ образуется метгемоглобин.
- Изменение структуры гемоглобина называется гемоглобинопатией. Самые известные и частые заболевания этой группы – серповидно-клеточная анемия, бета-талассемия, персистенция фетального гемоглобина. См.гемоглобинопатии на сайте Всемирной организации здравоохранения
Загрузка...