Гемоглобин и желесодержащие ферменты

Оглавление

 

 

 

1. Введение

 

2. Клеточное железо:

 

-  Гемоглобин

-    Миоглобин

-  Цитохромы

- Цитохромоксидаза

-    Каталаза 
- Пероксидаза

- флавопротеиновые ферменты

 

3. Внеклеточное  железо 

 

4. Заключение

 

5. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Железо, находящееся в организме человека, можно разбить на 2 большие группы клеточное и внеклеточное. Соединения железа в клетке, отличающиеся различным строением, обладают характерной только для них функциональной активностьюи биологической ролью для организма. В свою очередь их можно подразделить на 4 группы:

 
1. гемопротеины, основным структурным  элементом которых является гем  (гемоглобин, миоглобин, цитохромы,  каталаза, ипероксидаза)

 
2. железосодержащие ферменты негеминовой  группы (сукцинат-де-гидрогеназа, ацетил - коэнзим А - дегидрогеназа, НАДН ,- цитохромС-редуктаза и др.)

 
3. ферритин и гемосидерин внутренних  органов

 
4. железо, рыхло связанное с белками  и другими органическими веществами

 

Ко второй группе внеклеточных соединений железа относятся железо-связывающие белки трансферрин и лактоферрин, содержащиеся во внеклеточных жидкостях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
КЛЕТОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО

 
Гемоглобин, (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^[1].

Нормальным содержанием  гемоглобина в крови человека считается: у мужчин 130—170 г/л (нижний предел — 120, верхний предел — 180 г/л), у женщин 120—150 г/л; у детей нормальный уровень гемоглобина зависит от возраста и подвержен значительным колебаниям. Так, у детей через 1—3 дня после рождения нормальный уровень гемоглобина максимальный и составляет 145—225 г/л, а к 3—6 месяцам снижается до минимального уровня 95—135 г/л, затем с 1 года до 18 лет отмечается постепенное увеличение нормального уровня гемоглобина в крови.^[2]

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.^[3]

Строение

Гемоглобин является сложным белком класса хромопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает особая пигментная группа, содержащая химический элемент железо — гем. Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α₁, α₂, β₁ и β₂. Субъединицы соединены друг с другом по принципу изологического тетраэдра. Основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия. И α, и β-цепи относятся к α-спиральному структурному классу, так как содержат исключительно α-спирали. Каждая цепь содержит восемь спиральных участков, обозначаемых буквами A-H (От N-конца к C-концу).

Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа(II). Эта простетическая группа нековалентно связана с гидрофобной впадиной молекул гемоглобина и миоглобина.

Железо(II) характеризуется октаэдрической координацией, то есть связывается  с шестью лигандами. Четыре из них  представлены атомами азота порфиринового кольца, лежащими в одной плоскости. Две других координационных позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93 положении полипептидной цепи (участок F). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу с обратной стороны и оказывается заключённой между атомом железа и азотом ещё одного остатка гистидина, располагающегося в 64 положении цепи (участок E).

Всего в гемоглобине человека четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может связываться четыре молекулы. Гемоглобин в легких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гема на 6-ю координационную связь. На эту же связь присоединяется и моноксид углерода, вступая с кислородом в «конкурентную борьбу» за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин.

Связь моноксида углерода с гемоглобином более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с моноксидом углерода, не участвует в транспорте кислорода. В норме у человека образуется 1,2 % карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.

Для связывания кислорода с гемоглобином характерна кооперативность: после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается.

Гемоглобин является одним из основных белков, которыми питаются малярийные плазмодии — возбудители малярии, и в эндемичных по малярии районах земного шара весьма распространены наследственные аномалии строения гемоглобина, затрудняющие малярийным плазмодиям питание этим белком и проникновение в эритроцит. В частности, к таким имеющим эволюционно-приспособительное значение мутациям относится аномалия гемоглобина, приводящая к серповидно-клеточной анемии. Однако, к несчастью, эти аномалии (как и аномалии строения гемоглобина, не имеющие явно приспособительного значения) сопровождаются нарушением кислород-транспортирующей функции гемоглобина, снижением устойчивости эритроцитов к разрушению, анемией и другими негативными последствиями. Аномалии строения гемоглобина называются гемоглобинопатиями.

Гемоглобин высоко токсичен при  попадании значительного его количества из эритроцитов в плазму крови (что происходит при массивном внутрисосудистом гемолизе, геморрагическом шоке, гемолитических анемиях, переливании несовместимой крови и других патологических состояниях). Токсичность гемоглобина, находящегося вне эритроцитов, в свободном состоянии в плазме крови, проявляется тканевой гипоксией — ухудшением кислородного снабжения тканей, перегрузкой организма продуктами разрушения гемоглобина — железом, билирубином, порфиринами с развитием желтухи или острой порфирии, закупоркой почечных канальцев крупными молекулами гемоглобина с развитием некроза почечных канальцев и острой почечной недостаточности.

Ввиду высокой токсичности свободного гемоглобина в организме существуют специальные системы для его связывания и обезвреживания. В частности, одним из компонентов системы обезвреживания гемоглобина является особый плазменный белок гаптоглобин, специфически связывающий свободный глобин и глобин в составе гемоглобина. Комплекс гаптоглобина и глобина (или гемоглобина) затем захватывается селезёнкой и макрофагами тканевой ретикуло-эндотелиальной системы и обезвреживается.

Другой частью гемоглобинообезвреживающей системы является белок гемопексин, специфически связывающий свободный гем и гем в составе гемоглобина. Комплекс гема (или гемоглобина) и гемопексина затем захватывается печенью, гем отщепляется и используется для синтеза билирубина и других желчных пигментов, или выпускается в рециркуляцию в комплексе с трансферрином для повторного использования костным мозгом в процессе эритропоэза.

Гемоглобин при заболеваниях крови

Дефицит гемоглобина  может быть вызван, во-первых, уменьшением  количества молекул самого гемоглобина (см. анемия), во-вторых, из-за уменьшенной способности каждой молекулы связать кислород при том же самом парциальном давлении кислорода.

Гипоксемия — это уменьшение парциального давления кислорода в крови, её следует отличать от дефицита гемоглобина. Хотя и гипоксемия, и дефицит гемоглобина являются причинами гипоксии.

Прочие причины низкого  гемоглобина разнообразны: кровопотеря, пищевой дефицит, болезни костного мозга, химиотерапия, отказ почек, атипичный гемоглобин.

Повышенное содержание гемоглобина в крови связано  с увеличением количества или  размеров эритроцитов, что наблюдается  также при поликизэмии (англ.)русск.. Это повышение может быть вызвано: врожденной болезнью сердца, лёгочным фиброзом, слишком большим количеством эритропоэтина.

 
Миоглобин - дыхательный белок сердечной и скелетной мускулатуры. Он состоит из единственной полипептидной цепочки, содержащей 153 аминокислоты и соединенный с гемпростетической группой. Основной функцией миоглобина является транспортировка кислорода через клетку и регуляция его содержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих в основе клеточного дыхания. Он содержит0,34% железа. Миоглобин депонирует кислород во время сокращения мышц, а при их поражении он может попадать в кровь и выделяться с мочой.

Железосодержащие ферменты и негеминовое железо клетки находится главным образом в митохондриях.

Наиболее изученными и важными для организма ферментами являются цитохромы, каталаза и пероксидаза.

 

Цитохромы делятся на 4 группы в зависимости отстроения геминовой группы:

 
n А - цитохромы с гем - группой,  соединяющей формилпорфин

 
n В - цитохромы с протогем – группой

 
n С - цигохромы с замещенной  мезогем – группой

 
n Д - цитохромы с гем - группой, соединяющей дегидропорфин.

 
В организме человека содержатся следующие  цитохромы

 
а1, аз, в, в5, с, с1, Р450. Они представляют собой липидные комплексы гемопротеинов и прочно связаны с мембраной митохондрии. Однако, цитохромы в5 и Р450 находятся в эндоплазматическом ретикулюме, а микросомы содержат НАДН- цитохром С - редуктазу. Существует мнение, что митохондриальное дыхание необходимо для процессов дифференцировки тканей, а внемитохондриальное играет важную роль в процессах роста и дыхания клетки. Основной биологической ролью большинства цитохромов является участие в перенос еэлектронов, лежащих в основе процессов терминального окисления в тканях.

 
Цитохромоксидаза является конечным ферментоммитохондриального транспорта электронов - электронотранспортнойцепочки, ответственным за образование АТФ при окислительном фосфолировании в митохондриях. Показана тесная зависимостьмежду содержанием этого фермента в тканях и утилизацией имикислорода.

 
Каталаза, как и цитохромоксидаза, состоит из единственной полипептидной цепочки, соединенной с гем - группой.Она является одним из важнейших ферментов, предохраняющих эритроциты от окислительного гемолиза. Каталаза выполняет двойную функцию в зависимости от концентрации перекиси водорода в клетке. При высокой концентрации перекиси водорода фермент катализирует реакцию ее разложения, а при низкой - и в присутствии донора водорода (метанол, этанол и др.) становится преобладающей пероксидазная активность каталазы.

 
Пероксидаза содержится преимущественно в лейкоцитах и слизистой тонкого кишечника у человека. Она также обладает защитной ролью, предохраняя клетки от их разрушения перекисными соединениями. Миелопероксидаза - железосодержащий  геминовый фермент, находящийся в азурофильных гранулах нейтрофильных лейкоцитов и освобождается в фагоцитирующие вакуол в течение лизиса гранул.

 
Активированное этим ферментом разрушение белка клеточной стенки бактерий является смертельным для микроорганизма, аактивированное им йодинирование  частиц относится к бактерицидной функции лейкоцитов.

.  
К железосодержащим относятся и флавопротеиновые ферменты, в которых железо не включено в геминовую группу и необходимо только для реакций переноса.Наиболее изученной является сукцинатдегидрогеназа, которая наиболее активна в цикле трикарбоновых кислот. Митохондриальные мембраны свободно проницаемы для субстрата фермента.  
Негеминовое железо, локализующееся главнымобразом в митохондриях клетки, играет существенную роль в дыхании клетки, участвуя в окислительном фосфолировании и транспорте  
электронов при терминальном окислении, в цикле трикарбоновых  
кислот. 
Ферритин и гемосидерин – запасные соединения железа в клетке, находящиеся главным образом вретикулоэндотелиальной системе печени, селезенки и костногомозга. Приблизительно одна треть резервного железа организмачеловека, преимущественно в виде ферритина, падает на долюпечени. Запасы железа могут быть при необходимости мобилизованы для нужд организма и предохраняют его от токсичного действия свободно циркулирующего железа.

 
Известно, что гепатоциты и купферовские клетки печени участвуют в создании резервного железа, причем в нормальной печени большая часть пегом и нового железа обнаружена в гепатоцитах в виде ферритина. При парентеральном введении железа как гепатоциты, так и кунферовские клетки печениаккумулируют большое количество дополнительного ферритина, хотя последние имеют тенденцию запасать относительно больше излишнего негеминового железа в виде гемосидерина.

 
Сферическая белковая оболочка молекулы ферритина состоит из 24 субъединиц, имеющих молекулярный вес18500 - 19000. Общий молекулярный вес апоферритина 445000.Электронно-микроскопические исследования показали, что ферритин имеет полую оболочку с внутренним диаметром 70 - 80 А.Оболочка имеет 6 каналов, расширяющихся кнутри (их диаметр 9-12 А).

 
Ядро ферритина состоит из мицелл железо-фосфатного комплекса, имеющих кристаллическую структуру. Захват и освобождение железа осуществляется через белковые каналы путем свободного пассажа, а его отложение и мобилизация происходят на поверхности микрокристаллов. Стимуляция синтеза ферритина железом является хорошо установленным фактом. 
Как известно, печень является основным компонентом ретикулоэндотелиальной системы. В конце жизнедеятельности эритроциты фагоцитируются макрофагами этой системы, а освобождающееся железо или оседает в печени в виде ферритина (гемосидерина), или возвращается в плазму крови и захватывается в паренхиматозных клетках печени и мышц, а также в макрофагах ретикулоэндотелиальной системы печени, селезенки и костного мозга.

. 
Гемосидерин является вторым запасным соединением железа в клетке и содержит значительно больше железа, чем ферритин. В отличие от ферритина он нерастворим вводе. Существует достаточно аргументированное предположение, что преобразование ферритина в гемосидерин происходит путем постепенного перенасыщения ферритиновой молекулы железом с последующим ее разрушением и образованием зрелого гемосидерина.

 
Внимание исследователей в последнее  время привлекает циркулирующий в крови ферритин. Вероятно, он происходит из клеток ретикулоэндотелиальной системы. Имеются предположения, что сывороточный ферритин является отражением активной секреции ферритина из печеночных клеток, возможно из связанных полисом. Таким образом, его присутствие в сыворотке в небольшом количестве не является результатом разрушения клеток печени. Не только его происхождение, но и биологическая роль в организме человека до настоящего времени изучены недостаточно. Не вызывает сомнений точно установленный факт концентрация сывороточного ферритина отражает состояние запасного фонда железа в организме человека. Отметим, что хорошая зависимость отмечена между уровнем сывороточного ферритина имобилизуемыми запасами железа в организме человека, изученных с помощью количественных кровопусканий, а также между ферритином и концентрацией негеминового железа в тканях печени, полученных с помощью биопсии у людей. Средняя концентрация его в сыворотке крови у мужчин выше, чем у женщин, с колебаниями от 12 до 300 мкг/л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО

 
Во внеклеточных жидкостях железо находится в связанном состоянии - в виде железо - белковых комплексов. Концентрация его в плазме широко варьирует у здорового человека, составляет 10,8 - 28,8 мкмоль/л. с достаточно большими суточными колебаниями, достигающими 7,2 мкмоль/л. Общее содержание железа во всем объеме циркулирующей плазмы у взрослого человека составляет 3 - 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от рядафакторов взаимоотношения процессов разрушения и образования эритроцитов, состояния запасного фонда железа в желудочно-кишечном тракте. Однако наиболее важной причиной, определяющей уровень плазменного железа, является взаимодействие процессов синтеза и распада эритроцитов. Железо-связывающий белок трансферрин, открытый шведскими учеными, содержится в небольшом количестве в плазме крови.

Общая железо-связывающая  способность плазмы, характеризуящаяся практически концентрацией трансферрина, колеблется от 44,7 до 71,6 мкмоль/л, а свободная железо-связывающая способность - резервная емкость трансферрина - составляет 28.8 - 50.4 мкмоль/л у здорового человека.

. 
В плазме здорового человека трансферрин может находиться в 4 молекулярных формах

 
1) апотрансферрина

 
2) моножелезистого трансферрина  А - железо занимает толькоА  - пространство 

 
3) моножелезистого трансферрина В - железозанимает только В-пространство

 
4) дижелезистого транферрина - заняты  А и В пространства.

 
Молекулярный вес трансферрина 76000 - 80000, 
он состоит из единственной полипептидной цепочки срасположенными на ней двумя значительно схожими, если не идентичными, металлсвязывающими пространствами. Эти пространства (А и В) наиболее прочно связывают железо по сравнению с ионами других металлов. Около 6% железо-связывающего белка составляют углеводные остатки, находящиеся в 2 ответвляющихся цепочках и заканчивающихся сиаловой кислотой. Углеводы, вероятно, не участвуют в механизме захвата железа. Синтезируется трансферрин преимущественно в паренхиматозных клетках печени. Функции трансферрина в организме представляют значительный интерес. Он не только переносит железо в различные ткани и органы, но и узнает синтезирующие гемоглобин ретикулоциты и, возможно другие нуждающиеся в железе клетки.

Трансферрин отдает железо им только в 
том случае, если клетки имеют специфические рецепторы, связывающие железо. Таким образом, этот железо-связывающий белок функционирует как транспортное средство для железа, обмен которого в организме человека зависит как от общего поступления железа в плазму крови, так и от его количества, захваченного различными тканями соответственно количеству в них специфических рецепторов для железа. Кроме того трансферрин обладает защитной функцией -предохраняет ткани организма от токсического действия железа.

Анализируя биологическую  роль трансферрина в организме, следует упомянуть о результатах экспериментальных исследований, свидетельствующих о способности этого белка регулировать транспорт железа из лабильных его запасов в эпителии клеток желудочно-кишечного тракта в плазму крови. Из плазмы железо захватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина и эритроцитов, в меньшей степени – клетка миретикулоэндотелиальной системы и откладывается в виде запасного железа, некоторое количество его поступает в неэритропоэтические ткани и используется для образования миоглобина и ферментов тканевого дыхания (цитохромы, каталаза и т.д.). Все эти процессы являются сложными и до конца не изученными.

 
Однако некоторые этапы наиболее важного процесса передачи железа трансферрином  клеткам костного мозга можно  представить следующим образом

 
1) адсорбция трансферрина рецепторными участками на поверхности ретикулоцитов

 
2) образование прочного соединения  между трансферрином и клеткой, возможно проникновение белка в клетку

 
3) перенос железа от железо-связывающего  белка к синтезирующему гемоглобин - аппарату клетки

 
4) освобождение трансферрина в  кровь.

 
Известно, что количество связывающих трансферрин пространств максимально в ранних эритроидных предшественниках и уменьшается по мере созревания этих клеток.

 
Железо-связывающий белок лактоферрин обнаружен во многих биологических жидкостях молоке, слезах, желчи, синовиальной жидкости, панкреатическом соке и секрете тонкого кишечника. Кроме того, он находится в специфических вторичных гранулах нейтрофильных лейкоцитов, образуясь в клетках миелоидного ряда со стадии промиелоцита. Подобно трансферрину, лактоферрин способен связывать 2 атома железа специфическими  пространствами. Он состоит из одной полипептидной цепочки, молекулярный вес приблизительно равен 80000. В физиологических условиях этот железо-связывающий белок насыщен железом до 20%в ничтожных количествах он содержится в плазме крови, освобождаясь в нее из нейтрофильных лейкоцитов. Несмотря на схожесть лактоферрина и трансферрина, эти железо-связывающие белки отличаются друг от друга по антигенным свойствам, составу аминокислот, белков и углеводов.

 
В настоящее время известны следующие функции этого белка:

 бактериостатическая, участие в иммунных процессах и абсорбции железа в желудочно-кишечном тракте. Свободный от 
железа лактоферрин - аполактоферрин обладает бактериостатическими свойствами, которые теряются при насыщении его железом.

 

Аполактоферрин тормозит in vitro рост бактерий и грибов, и возможно, играет роль во внутриклеточной гибели микроорганизмов. При низкой концентрации лактоферрина в нейтрофильных лейкоцитах может  
уменьшаться их бактерицидная активность.

 
Железосерные ферменты - это еще  один важный класс железосодержащих ферментов, участвующих в переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий.

Железосерные ферменты не содержат гемогрупп, они характеризуются тем, что в их  молекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся в особой лабильной форме, расщепляющейся под действием кислот. К железо - серным ферментам относится ,например, ферредоксин хлоропластов, осуществляющий перенос электронов от возбужденного светом хлорофилла на разнообразные акцепторы электронов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список:

 
1.   Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл, Биохимия человека, том 1, "Мир", Москва 1993 г. 
2.   И.Тодоров, Клинические лабораторные исследования в педиатрии, "Медицина и физкультура", София 1968 г.  
3.   Dean J., Schechter A. N. Sickle-cell anemia: Molekular and lubar basis of therapeutic approaches. (3 parts), N. E. Med.,  
1978.  
4.   Klotz I. M., Haney D. N., King L. C. Ritional approaches chemotherapy: Antisickling agents, Sience, 1981.