Гемоглобин

              Гемоглоби́н (от др.-греч. αἷμα — кровь и лат. globus — шар) — сложный железосодержащий белок кровосодержащих животных, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. У позвоночных животных содержится в эритроцитах, у большинства беспозвоночных растворён в плазме крови (эритрокруорин) и может присутствовать в других тканях.

Главная функция гемоглобина состоит  в переносе кислорода. У человека в капиллярах лёгких в условиях избытка кислорода последний соединяется с гемоглобином. Током крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом, доставляются к органам и тканям, где кислорода мало; здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается из связи с гемоглобином. Кроме того, гемоглобин способен связывать в тканях небольшое количество диоксида углерода (CO₂) и освобождать его в лёгких. Монооксид углерода (CO) связывается с гемоглобином крови намного сильнее (почти в 500 раз), чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в гемоглобине до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH) (metHb, от мета… и гемоглобин, иначе гемиглобин или ферригемоглобин, см.Метгемоглобинемия). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода. Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в легких. 
Метгемоглобин — производное гемоглобина, в котором железо окислено (трехвалентно). Метгемоглобин не способен переносить кислород. Образуется в организме при некоторых видах отравлений.

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. Многие свойства гемоглобина зависят от особенностей его химического строения. Молекулярная масса гемоглобина  эритроцитов человека составляет 64458 Да.

В одном эритроците находится около 400 млн. молекул гемоглобина. В состав гемоглобина входят соединенные  между собой гистидиновым мостиком простой белокглобин и небелковая пигментная группа гем (рис. 7.6) в соотношении 96 и 4 % от массы молекулы соответственно. Молекула гемоглобина содержит четыре одинаковые группы тема. Глобин представляет собой белок типа альбумина. У разных видов животных он отличается по своему аминокислотному составу, что определяет различие в свойствах гемоглобина. Строение гема одинаково у всех видов животных. Он построен из пиррольных колец и содержит двухвалентное железо (рис. 1). Именно железо играет ключевую роль в деятельности гемоглобина, являясь его

 
 
Рис. 1 Молекула гемоглобина и его формула

активной, так называемой простетической группой. Одна из валентностей железа реализуется при связывании тема с глобином, ко второй присоединяется O₂ или другие лиганды — вода, СО₂ , азиды. 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.

Количество гемоглобина в крови  подвержено индивидуальным колебаниям. Средней нормальной величиной у  человека считают 14,0 г/100 см³ крови, что, например, для индивидуума массой 65 кг составляет около 600 г. Высчитано также, что 1 г гемоглобина содержит 3,5 мг железа, и, таким образом, во всех эритроцитах организма его находится 2500 мг.

В процессе переноса кислорода гемоглобин превращается в оксигемоглобин (HbO₂ ). Для того чтобы специально подчеркнуть, что при этом соединении валентность железа не меняется, реакцию связывания кислорода с гемоглобином называют не окислением, а оксигенацией. Противоположный процесс именуют дезоксигенацией. В том случае, когда необходимо акцентировать внимание на том, что гемоглобин не связан с кислородом, широко употребляют термин дезоксигемоглобин.

Оксигемоглобин имеет ярко-алый цвет, что и определяет цвет артериальной крови. Образование оксигемоглобина  происходит в капиллярах легких, где  напряжение O₂высоко. Количество гемоглобина в эритроцитах обусловливает кислородную емкость крови. Следовательно, кровь человека, содержащая около 600 г оксигемоглобина. будучи вся насыщена кислородом, может связать более 800 см³ O₂. Кислородную емкость выражают как количество кислорода, связываемое 1 см³ крови. Соответственно этому кислородная емкость нормальной крови, содержащей в каждом кубическом сантиметре 0,14 г гемоглобина, составляет около 0,190 см³ O₂.

В отличие от капилляров легких в  капиллярах тканей кислорода меньше, его парциальное давление ниже и  здесь оксигемоглобин распадается  на гемоглобин и кислород. Гемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным или  редуцированным гемоглобином (Нb). Именно он определяет вишневый цвет венозной крови. Следовательно, гемоглобин представляет собой своеобразное химическое вещество, вступающее в обратимое соединение с кислородом при любом его парциальном давлении. Способность гемоглобина связывать и отдавать кислород отражается кислородно-диссоционной кривой. Эта кривая характеризует процент насыщения гемоглобина кислородом в зависимости от его парциального давления (рО₂).

По мере того как кровь проходит через ткани и отдает O₂ , она попутно вбирает в себя конечный продукт окислительных обменных процессов в клетках — СO₂ . Реакция связывания гемоглобина с СO₂ сложнее, чем присоединение O₂ . 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 СO₂ , называют карбаминогемоглобином или карбогемоглобином.

Гемоглобин особенно легко соединяется  с угарным газом — оксидом углерода (II) — СО. 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 O₂ . Это означает, что достаточно в воздухе оказаться небольшому количеству СО, чтобы произошло образование значительного числа связанных молекул гемоглобина. Образовавшееся соединение и блокированный угарным газом гемоглобин уже не могут служить переносчиком кислорода. Так, при концентраций СО в воздухе, равной 0,1 %, около 80 % гемоглобина крови оказывается связанными не с кислородом, а с угарным газом. В результате в организме возникают тяжелые последствия кислородного голодания.

Гемоглобин, приведенный в соприкосновение  с сильно действующими окислителями (перманганат калия, бертолетова  соль, нейробензол, анилин), образует соединение метгемоглобин (НbОН), имеющее коричневый цвет. При этом происходит окисление железа и переход его в трехвалентную форму. В результате истинного окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и в итоге перестает быть его переносчиком. Накопление в крови больших количеств НbОН возникает после введения в организм лекарств, обладающих окислительными свойствами, что является опасным для жизни.

Миоглобин. В скелетных и сердечной  мышцах животных различных классов  и видов находится мышечный гемоглобин — миоглобин (табл. 1). Это дыхательный пигмент красного цвета. По своей биохимической характеристике миоглобин близок к гемоглобину крови. Сходство выражается в наличии одной и той же простетической группы, одинакового количества железа, в способности вступать в обратимые соединения с O₂ и СO₂. Однако кислородо-связывающие свойства миоглобина значительно отличаются от таковых гемоглобина. В связи с меньшей, чем у гемоглобина, плотностью у него резко возрастает сродство к кислороду. Поэтому миоглобин исключительно приспособлен к депонированию O₂. Это имеет большое значение для снабжения кислородом мышц, особенно производящих ритмические сокращения в течение длительных периодов времени: мышцах крыльев птиц, мышцах конечностей теплокровных животных, в жевательных мышцах, сердечной мышце. При деятельности всех этих мышц в фазе сокращения происходит пережатие капилляров, так что кровоток через ткань в эту фазу фактически прекращается. Именно в этот момент миоглобин служит важным источником кислорода, так как он "запасает" O₂ при расслаблении и отдает его во время сокращения мышц. Благодаря высокому сродству к кислороду полунасыщение им миоглобина происходит в обычных условиях быстрее чем за 0,1 с.

В сердце теплокровного животного  содержится около 0,5 % миоглобина. При  падении давления с 40 до 5 мм рт. ст. это количество высвобождает 2 см³ O₂ на каждый 1 г ткани сердечной мышцы. Такого объема газа оказывается достаточно, чтобы покрыть потребности сердца в кислороде во время систолы.

У животных содержание миоглобина зависит от видовой  принадлежности, условий существования, типа мышцы и степени ее активности. Определенное значение имеет и трофическая  иннервация автономной нервной системой. Особенно высокое содержание миоглобина характерно для водных животных, некоторых  беспозвоночных (красные мышцы моллюсков), птиц (гладкая мускулатура мышечного  желудка). В нормальных условиях в  крови и моче миоглобин отсутствует.

Спектральный анализ гемоглобина  и его производных. Использование  спектрографических методов при  рассмотрении раствора оксигемоглобина  выявляет в желто-зеленой части  спектра между фраунгоферовскими линиями D и Е две системные полосы поглощения, у восстановленного гемоглобина в той же части спектра имеется лишь одна широкая полоса. Различия в поглощении излучения гемоглобином и оксигемоглобином послужили основой для метода изучения степени насыщения крови кислородом — оксигемометрии.

Таблица 1. Содержание миоглобина в сердечных и скелетных мышцах некоторых классов позвоночных животных, г на 100 г сухой ткани

Карбоксигемоглобин  по своему спектру близок к оксигемоглобину, однако при добавлении восстанавливающего вещества у карбоксигемоглобина  появляются две полосы поглощения. Спектр метгемоглобина характеризуется  одной узкой полосой поглощения слева на границе красной и  желтой части спектра, второй узкой  полосой на границе желтой и зеленой  зон, наконец, третьей широкой полосой  в зеленой части спектра.

ГЕМОГЛОБИНЫ ЖИВОТНЫХ

Рис.2. Распространение гемоглобина  у представителей животного мира.( А.Ф.Топунов, Н.Э.Петрова)

Вначале остановимся на хорошо известных фактах. У животных обнаружено несколько кислородпереносящих белков. Помимо Hb, известно еще два железосодержащих белка: хлорокруорин и гемэритj рин. Хлорокруорин по своим свойствам и строению похож на Hb, однако обладает зеленой окраской. Это связано со строением простеj тической группы, которая несколько отличается от обычного гема гемоглобина и носит название хлорогема. В отличие от гемоглобина и хлорокруорина, у которых железо связано с гемом координационными связами, у гемэритрина железо ковалентно связано с белковой молекулой. Известен и медьjсодержащий голубой кислородпереноj сящий белок — гемоцианин.

Филогенетическое древо царства животных с указанием нахожj дения всех кислородпереносящих белков у представителей разных таксонов к середине 60jх годов было приведено в известной работе П.А.Коржуева . Ситуация на конец 70jх годов отражена в книге И.О.Алякринской . Однако после этого число таксонов, у которых обнаружены подобные белки, существенно возросло. В статье Тервиллигер приводится соотношение числа видов у различных таксономических групп, у которых те, или иные пигменты найдены к настоящему времени. Отмечено, что число гемоцианиносодержащих видов хоть и велико, однако все же меньше, чем Hbjсодержащих. Среди представителей ряда таксонов беспозвоночных имеются как гемоглобиносодержащие, так и гемоцианиносодержащие виды. Интересно, что есть организмы, например, некоторые моллюски, у которых могут одновременно присутствовать оба эти пигмента, причем в некоторых случаях один из них выполняет роль переносчика кислорода в крови, а другой – в тканях. Добавим, что хлорокруорин, гемэритрин и гемоцианин обнаружены только у беспозвоночных, причем гемоцианин встречается лишь у моллюсков и членистоногих, а хлорокруорин – только у кольчатых червей (рис. 2).

Отметим, правда, существенное различие в локализации этих кислородпереносящих белков. В то время, как Hb может содержаться и в плазме, и в форменных элементах крови (чаще всего в эритроциj тах), гемоцианин просто растворен в плазме крови. Хлорокруорин всегда растворен в плазме, а гемэритрин, наоборот, локализован в клетках, которые, в отличие от обычных эритроцитов, носят название розовых кровяных телец. Известен, правда, и так называемый миоj гемэритрин (аналог миоглобина). Внеклеточный гемоглобин имеется у многих беспозвоночных, причем его молекулярный вес достигает огромных величин: у некоторых двустворчатых моллюсков субъедиj ницы образуют ансамбли с молекулярной массой 8000—12000 кДа; высокомолекулярный внеклеточный Hb иногда называют эритрокруорином.

Как видно из рис. 2, Hb имеются у представителей большинства типов царства животных.

Гетерогенность Hb обнаружена у многих животных из разных таксономических групп. Наиболее интересны случаи гетерогенности Hb у позвоночных (Vertebrata), поскольку на этом примере очень хорошо видны эволюционные шаги в изменении гемоглобинов. На рис. 3 представлена схема появления разных форм Hb у позвоночных с указанием примерной хронологии. За основу принципа построения взяты схемы, предложенные ранее.

Отметим, что даты появления той или иной формы Hb рассчитыj ваются достаточно приблизительно, в связи с чем у разных авторов имеются расхождения. Поэтому могут быть разночтения в определении, какому этапу эволюции соответствует появление той или иной формы Hb. В дальнейшем при описании Hb позвоночных мы будем придерживаться хронологии, приведенной в работе .

Как видно, вначале произошло разветвление путей эволюции гемоглобинов челюстноротых и бесчелюстных (около 500 млн. лет назад); миоглобины и гемоглобины разделились чуть позже, но также в самом начале эволюции позвоночных (~475 млн. лет назад). Лишь у круглоротых (у миноги) имеется свой собственный миоглобин, ответвившийся от ее гемоглобина около 200 млн. лет назад. Расхождение генов a- и b-цепей Hb произошло 400-450 млн. лет назад еще у рыб и предшествовало выходу позвоночных на сушу. Все современные позвоночные, начиная с рыб, имеют как a- и b-цепи Hb, так и миоглобин.

Рис. 3. Эволюционное древо гемоглобинов позвоночных с указанием времени их происхождения. Выделено расхождение генов путем дупликации.

Предполагается, что возникновение тетрамерного Hb, характерного для позвоночных, было очень важным эволюционным приобретением, позволившим им приспособиться к новым условиям жизни. При этом нормальное взаимодействие субъединиц Hb необходимо для его функционирования как переносчика кислорода. При потере кооперативности взаимодействия субъединиц Hb становится легкоокисляемым и быстро теряет свои функциональные свойства. У человека известен аномальный гемоглобин Канзас, который как раз и обладает указанным недостатком . Отметим также, что субъединицы Hb настолько хорошо приспособлены друг к другу, что их соединения можно достичь и in vitro, используя экспрессированные цепи .

Возникновение эмбриональной формы гемоглобина предшествовало возникновению амниот (группы, объединяющей рептилий, птиц и млекопитающих) — ~400 млн. лет назад. У млекопитающих цепь эмбрионального гемоглобина a-типа называется z–цепь, у птиц —         p -цепь. 200 млн. лет назад возникает фетальный Hb (a g), который у многих видов отличается большим сродством к кислороду, что соответствует появлению плацентарных млекопитающих. С развитием основной ветви этой группы, давшей начало всем основным отрядам, можно связать появление e-цепей (150 млн. лет назад). Чуть позже возникает зародышевый гемоглобин у птиц, который содержит так называемую цепь r.

И даже значительно позднее возникали новые формы Hb: около 50 млн. лет назад у копытных возникает гемоглобин C (включающий новую b- подобную цепь). Примерно в то же время в начале истории приматов возникает sцепь, которая включается в состав гемоглобина HbA , почти не отличающегося по свойствам от обычного гемоглобина HbA.

Интересно, что скорость эволюции гемоглобинов позвоночных была максимальной на ранних этапах и в период выхода на сушу, после чего уменьшилась в несколько раз [16].

Отметим, что ген z отделился от aгена, а g, e и sгены входят в дерево bгемоглобинов, причем если g и sгены отделилились непосредственно от bгена , то ген e сам отделился от gгена. Причем e-цепь образует тетрамер z2 e2 , т.е. похоже, что образование этой цепи произошло «специально» для взаимодействия также с относительно молодой zцепью.

Hb позвоночных разветвлялись как путем дивергенции, так и дупликацией генов с их последующей независимой эволюцией. Из упомянутых выше расхождений, по мнению Челюсняка с соавт. [58], последним способом произошло расхождение миоглобинов и гемоглобинов челюстноротых, a- и b-цепей Hb, эмбриональных и взрослых цепей a-типа, b-и g-цепей, g- и e-цепей, и, наконец b- и s-цепей приматов. Путем дивергенции разошлись гемоглобины позвоночных и беспозвоночных, челюстноротых и бесчелюстных, а также аналогичные Hb при расхождении более мелких таксономических групп.

Для многих организмов известно и расположение генов, кодируюj щих упомянутые выше цепи гемоглобина. Все цепи a- и b-типа локализованы в соответствующих хромосомах, причем в каждой из хромосом существуют специальные Hb-локусы .

В процессе эволюции позвоночных наблюдается и направленное изменение свойств главной фракции гемоглобина. При движении от бесчелюстных к птицам и млекопитающим происходило увеличение внутримолекулярной подвижности молекулы Hb и уменьшение сродства к кислороду [10, 11]. По-видимому, причиной этого являлись важнейшие ароморфозы позвоночных: выход на сушу, появление легких и теплокровность, что потребовало повышения эффективности метаболизма на этапе разгрузки кислорода в тканях.

Список используемой литературы:

1. Р.Марри,  Д.Греннер,  П.Мейес,  В.Родуэлл, Биохимия человека, том 1, "Мир", Москва 1993г., стр.52

2. Зенкевич Л.А. // Жизнь животных.Т. 1. / Ред. Л.А. Зенкевич — М.:

Просвещение, 1968. С. 7—53.

3. Иржак Л. И. Гемоглобины и их свойства. М.: Наука, 1975. 240 с.