ГЕМОГЛОБИН (от греческого haima- кровь и лат. globus-шар), основные белок дыхат. цикла, участвующий в переносе О₂ от органов дыхания к тканям, а в обратном направлении - СО₂. Содержится в эритроцитах крови почти всех позвоночных и гемолимфе большинства беспозвоночных животных. Г. позвоночных (молекулярная масса 6,4*10⁴-6,6*10⁴) состоят из четырех попарно идентичных субъединиц (их обозначают греческого буквами; теми же буквами обозначают входящие в состав субъединиц полипептидные цепи, а также гены, кодирующие эти цепи). Каждая субъединица имеет белковую глобиновую часть, состоящую из 140-160 аминокислотных остатков, с которой нековалентно связан гем-ферропрото-порфирин (см. формулу).

Функцию переноса О₂ у некоторых видов беспозвоночных выполняют крупные гемсодержащие белки-эритрокруорины (молекулярная масса 0,4*10⁶-6,7*10⁶), состоящие из 30-400 субъединиц, и хлоркруорины (молекулярная масса 3,4*10⁶), состоящие из 190 субъединиц. Эти белки способны обратимо связывать одну молекулу О₂ на группу тема, т.е. на субъединицу. Переносчиком О₂ у др. видов беспозвоночных служат негемовые белки, состоящие из 8-10 субъединиц,— медьсодержащие гемоцианины (молекулярная масса 0,05*10⁷*10⁷) и железосодержащие гемэритрины (молекулярная масса 1*10⁵). Каждая субъединица таких белков содержит два атома металла (соответственно Сu ⁺ и Fe^{2 +}), способных связать одну молекулу О₂. ГЕМОГЛОБИН взрослого человека (НbА) имеет молекулярная масса 6,49*10⁴ и принадлежит к числу наиболее изученных белков. Его форма в растворе близка к эллипсоиду с осями 6,4, 5,5 и 5,0 нм; изоэлектрич. точка 6,9. Тетрамер НЬА состоит из двух и двухсубъединиц, их полипептидные цепи содержат соответственно 141 и 146 аминокислотных остатков. Известны первичная структура обеих цепей, а также пространств. структура оксигенированной, дезоксигенированной, ряда лигандированных, а также окисленной формы (содержит Fe^{3 +}) НbА. Пространств. структура субъединиц (рис. 1) характеризуется наличием восьмиспиральных участков, включающих около 80% аминокислотных остатков, и внутр. полости -гемового кармана. Фиксирование тема в субъединице осуществляется в результате гидрофобных взаимодействие пиррольных и винильных групп тема с алифатич. и ароматические боковыми радикалами аминокислот, выстилающими полость кармана, а также благодаря координационной связи (направлена перпендикулярно к плоскости кольца тема) Fe²⁺ с аксиальным лигандом-имидазольной группой гистидина (так называемой проксимальный гистидин). При оксигенации молекула О₂ занимает шестое вакантное место в координационной сфере Fe²⁺. Связывание происходит обратимо, без окисления железа, с образованием стабильного оксигенированного комплекса НbО₂. Одна молекула ГЕМОГЛОБИН способна присоединить 4 молекулы О₂-по одной на группу тема.

Рис. 1. Схема упаковки поли-пептидной цеписубъединицы гемоглобина. Точками обозначены положенияС атомов аминокислотных остатков; 1 -гем; 2-проксимальный остаток гистидина.

Субъединицы и прочно удерживаются в составе тетрамера ГЕМОГЛОБИН множественными ван-дер-ваальсовыми взаимодействие и водородными связями; дезоксигенированная форма НbА стабилизирована кроме того несколько ионными связями внутри и между субъединицами. Теграмер Г.-кооперативная структура, в которой существует взаимодействие пространственно разобщенных между собой групп (так называемой гем-гем взаимодействие). Это проявляется в облегчении присоединения к тетрамеру последующих молекул О₂ по мере протекания оксигенирования, что значительно увеличивает эффективность переноса О₂ при физиол. условиях по сравнению с мономерными Г. и миоглобином (белок, депонирующий О₂ в мышцах). Присоединение О₂ к молекуле ГЕМОГЛОБИН сопровождается значительной конформационными перестройками пространств. структуры субъединиц и тетрамера в целом.

Сродство ГЕМОГЛОБИН к О₂ является основным физических-химический показателем функциональных свойств ГЕМОГЛОБИН; его принято характеризовать зависимостью степени оксигенирования ГЕМОГЛОБИН от парциального давления кислорода (кислородно-диссоционная кривая, или КДК, рис. 2), а также величиной, при которой достигается оксигенирование 50% ГЕМОГЛОБИН (р₅₀)- Нормальная величина р₅₀ НbА в крови при физиол. условиях [37 °С, парциальное давление СО₂ 40 мм рт. ст., рН 7,4] составляет 26-28 мм рт. ст. Сигмоидный характер КДК отражает кооперативный характер оксигенирования. При существующем у человека различии артериальной и венозной крови (соответственно 90 ± 10 и 40 ± 2 мм рт. ст.) 1 л крови, насыщенной в легких кислородом (92-98% ГЕМОГЛОБИН находится в форме НbО₂), отдает в тканях ок. 45 мл О₂, при этом содержание НbО₂ в венозной крови составляет 70-75%.

Рис. 2. Зависимость содержания оксигемоглобина от парциального давления О₂.

Из клеток тканей СО₂ диффундирует через плазму крови в эритроциты, где гидратируется в реакции, катализируемой ферментом карбоангидразой:

Гидрокарбонат-ионы в эритроцитах замещаются далее на ионы Cl^- из плазмы, сами переходят в плазму и переносятся ею к легким. Определенная часть СО₂ связывается в эритроцитах с N-концевымиаминогруппами Г. с образованием остатка карбаминовой кислоты, уменьшая сродство ГЕМОГЛОБИН к О₂. Увеличение Р_СО2 температуры, ионной силы раствора и уменьшение рН снижают сродство ГЕМОГЛОБИН к О₂. Важнейший внутриэритроцитарный регулятор сродства - анионы 2,3-дифосфоглицериновой кислоты. Увеличение их концентрации также уменьшает сродство ГЕМОГЛОБИН к О₂. Снижение сродства при уменьшении рН в интервале 9-6 называют щелочным эффектом Бора, который обусловлен существованием равновесия:

Этот эффект вносит значительной вклад в поддержание постоянного значения рН крови и освобождение О₂ в тканях соответственно уровню обмена веществ [увеличение концентрации СО₂ сдвигает равновесие реакций (1) и (2) вправо]. В легких, где р_СО2 составляет 40 мм рт. ст., процессы, описываемые реакциями (1) и (2), идут в обратном направлении, в результате чего СО₂, находящийся в растворенном и связанном с ГЕМОГЛОБИН состоянии, освобождается, ГЕМОГЛОБИН оксигенируется и дыхат. цикл завершается.

У человека на разных этапах развития организма обнаружено несколько Г., различающихся составляющими их субъединицами. На ранних стадиях эмбрионального развития у зародыша обнаруживаются ГЕМОГЛОБИН строения,, . На более поздних стадиях появляется и доминирует к моменту рождения HbF (; так называемой фетальный ГЕМОГЛОБИН). Св-ва эмбриональных ГЕМОГЛОБИН обеспечивают выполнение кисло-родтранспортной функции в специфический условиях внутриутробной жизни. В эритроцитах взрослого человека содержится в норме 95-97% НЬА , начинающего преобладать через 2-3 месяца после рождения, и 2-3% НbА₂

Первичные структуры иполипептидных цепей ГЕМОГЛОБИН человека, а также многие др. глобиновых цепей различные происхождения известны. Гены, кодирующиеглобиновые цепи ГЕМОГЛОБИН человека, сцеплены и расположены в последовательности на хромосоме 16 (цифры-номера дуплицированных генов); группа генов, кодирующих др. полипептидные цепи, также непосредственно примыкающие один к другому, локализована на хромосоме 11. Первичная структураи неглобиновых генов человека известна. Для каждого из них установлено наличие двух нитронов (отрезков ДНК, прерывающих кодирующие участки,-экзоны) и больших некодирующих участков, находящихся на флангах генов. Биосинтез тема, иглобиновых цепей, а также сборка тетрамерных молекул НbА осуществляется в клетках эритроцитарного ряда и практически завершается к моменту выхода зрелых эритроцитов (их продолжительность жизни у человека составляет 120-130 дней) из костного мозга в кровяное русло.

Точковые мутации в экзонах глобиновых генов могут вести к появлению мутантных ГЕМОГЛОБИН с единичной аминокислотной заменой. Это может быть причиной молекулярных болезней — наследств. гемоглобинопатий. наиболее известный пример мутантного Г.- HbS, в котором шестой от N-концаглобиновой цепи остаток глутаминовой кислоты заменен на остаток валина. Такой ГЕМОГЛОБИН содержится в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией. Точечная мутация, делеция (выпадение участка ДНК) или другой дефект глобинового гена, локализованный вне экзонов, может уменьшить продукцию глобиновых цепей в эритроцитах, нарушить сбалансированный биосинтезицепей и привести к др. распространенной разновидности гемоглобинопатий-талассемии.

Химическая энциклопедия. Том 1 >> К списку статей