Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Российский Университет Дружбы Народов

Аграрный факультет

Кафедра морфологии, физиологии животных и ветсанэкспертизы

Курсовая работа по нормальной физиологии

«Гемоглобин. Химическое строение, физиологическое значение»

выполнила Шуралёва Н. И.

группа: СВ-21

руководитель: к.в.н., доцент Забалуев Г.И.

зав. кафедрой: д.в.н., профессор Никитченко В.Е.

г. Москва, 2005г.

ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

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.

В одном эритроците находится 340-400 млн. молекул гемоглобина. [1]

Гемоглобин позвоночных (за исключением круглоротых) - это вещество с молекулярной массой порядка 64 500 дальтон, которое с химической точки зрения представляет собой сложный белок - хромопротеид, состоящий из белковой части и небелковой (пигментной) группировки, придающей гемоглобину, а следовательно и крови, красный цвет. [4]

Рис.1 Схема строения гема

В составе гемоглобина различают белок глобин, и небелковую пигментную группу - гем, соединенные между собой гистидиновым мостиком; каждая молекула гемоглобина содержит четыре гема и четыре полипептидные цепи. На долю гема по массе приходится 4% молекулы гемоглобина, глобина - 96 %. [8]

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. [1]

Строение небелкового компонента

У всех видов животных гем имеет одинаковое строение, в то время как глобин несколько отличается по аминокислотному составу. [6] Гем в виде гем-порфирина является простетической группой не только гемоглобина и его производных, но и миоглобина, каталазы, пероксидазы и группы цитохромов. [5]

Гем построен из четырёх пирроловых колец и содержит двухвалентное железо. Атом двухвалентного железа образует координационные связи с четырьмя атомами азота, входящими в состав пиррольных группировок, точнее, с двумя атомами азота координационные связи, а с двумя другими - связи с замещением водорода. Оставшиеся две координационные связи используются для присоединения гема к имидазольному кольцу глобина и для связывания кислорода. Структура гема целиком расположена в одной плоскости.

При потере железа гем превращается в гематопорфирин. [5]

Строение белкового компонента, пространственная конфигурация молекулы

Большая часть молекулы гемоглобина, состоящей примерно из 10000 атомов, приходится на долю белкового компонента.

Этот компонент состоит из четырех отдельных полипептидных цепей, в состав каждой из которых входит более 140 аминокислотных остатков. Путем химического анализа установленыоаминокислотные0последователь-ности полипептидных цепей.

Рис.2 Схематизированное изображение молекулы гемоглобина в «разобранном» виде. (McGilvery, 1970)

При помощи рентгеноструктурного анализа было установлено пространственное расположение этих цепей (Дж. Кендрью, М. Перутц, Нобелевская премия 1962 г.)

Вся молекула имеет приблизительно сферическую форму. Гемовые группы, изображенные в виде красных дисков, располагаются в нишах вблизи поверхности. [3]

Глобин относится к олигомерным белкам (состоящим из нескольких отдельных полипептидных цепей, которые связаны между собой нековалентными связями) и является тетрамером. Молекула состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых включает две полипептидные цепи (б-, содержат каждая 141 аминокислотный остаток и в-, содержат по 146 аминокислотных остатков). б- и в-цепи во многом сходны между собой, во многих последовательностях содержат одинаковые аминокислотные последовательности. Соответственно, гемоглобин диссоциирует на четыре субъединицы (протомера) примерно одинакового молекулярного веса, в состав каждой из которых входит одна полипептидная цепь и один гем. [5]

Диссоциация на две б- и две в-цепи как правило обратима, и может быть обусловлена присутствием солей, мочевины или резким изменением рН. После удаления этих факторов происходит автоматическая асоциация исходной молекулы гемоглобина. [5]

Химические свойства

Гемоглобин представляет собой своеобразное химическое вещество, вступающее в обратимое соединение с кислородом при любом его напряжении. [1]

Ключевую роль в активности гемоглобина играет ион железа, расположенный в центре молекулы протопорфирина. В процессе переноса кислорода гемоглобином молекула O2 обратимо связывается с гемом, при этом валентность железа не изменяется.

Присоединяя кислород, гемоглобин (Нb) превращается в оксигемоглобин (НbO2). Оксигемоглобин (НbО2) имеет ярко-алый цвет, что и определяет цвет артериальной крови. Чтобы подчеркнуть тот факт, что валентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют не окислением, а оксигенацией; обратный процесс называется дезоксигенацией. [3]

Гемоглобин, отдавший кислород, называют дезоксигемоглобином, или редуцированным гемоглобином (Нb). Именно он определяет вишневый цвет венозной крови. [1]

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению при действии сильных окислителей, таких как бертолетова соль, нитробензол, анилин и др. При этом железо становится из двухвалентного трехвалентным, гем приобретает коричневую окраску. [6]

Окисленный гем называется гематином (метгемом), а вся полипептидная молекула в целом - метгемоглобином. Метгемоглобин образуется в организме в естественных условиях, однако в эритроцитах содержится фермент метгемоглобинредуктаза, восстанавливающий его до «нормального» гемоглобина с двухвалентным железом. [4] В крови человека и животных метгемоглобин в норме содержится в незначительных количествах, но при некоторых заболеваниях и отравлениях некоторыми токсинами его содержание возрастает. [3]

В результате истинного окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и в итоге перестает быть его переносчиком. При наследственной метгемоглобинемии происходит нарушение равновесия между процессами окисления гемоглобина и метгемоглобина и восстановления гемоглобина. [1]

Реакция связывания гемоглобина с СО2. сложнее, чем присоединение 02. 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 С02, называют карбогемоглобином. [1]

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом -- оксидом углерода -- СО. Происходит образование карбоксигемоглобина (НbСО), не способного к переносу 02. 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 02. Это означает, что достаточно в воздухе оказаться небольшому количеству СО, чтобы произошло образование значительного числа связанных молекул гемоглобина. Образовавшееся соединение -- блокированный угарным газом гемоглобин -- уже не может служить переносчиком кислорода. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказываются связанными не с кислородом, а с угарным газом. В результате в организме возникают тяжелые последствия кислородного голодания (рвота, головная боль, потеря сознания).

Слабые отравления угарным газом являются процессом обратимым: СО постепенно отщепляется и выводится при дыхании свежим воздухом. Использование искусственного дыхания чистым кислородом ускоряет примерно в 20 раз эту реакцию. При концентрации СО, равной 1%, через несколько минут наступает гибель организма. В нормальных условиях на долю НbСО приходится лишь 1% общего количества гемоглобина крови. [1]

При действии соляной кислоты на гемоглобин образуется гемин. В этом соединении железо находится в окисленной трёхвалентной форме. Для его получения каплю высушенной крови нагревают на предметном стекле с кристалликами поваренной соли и 1-2 каплями ледяной уксусной кислоты. Коричневые ромбические кристаллы гемина, хорошо различимые в микроскоп различаются по своей форме у разных видов животных. Данная реакция, получившая название геминовой пробы, может применятся для обнаружения следов крови и их видовой идентификации [6]

Нормальные гемоглобины человека и животных

В крови взрослых людей и у многих видов животных различают типы гемоглобина, обозначаемые как HbA1 (от англ. adult - взрослый), имеющий описанное выше типичное строение, HbA2 и фетальный гемоглобин, HbF (от лат. fetus - плод).

HbA2 также состоит их четырёх субъединиц: двух б- и двух в-цепей, он с меньшей скоростью мигрирует при электрофорезе, что и позволило выделить его в отдельный тип. На долю HbA2 приходится около 2,5% от всего гемоглобина. [5]

HbF, фетальный гемоглобин (гемоглобин новорождённых) состоит из двух б- и двух г-цепей. Последовательность аминокислот в б- и г-цепях окончательно ещё не расшифрована.

Фетальный гемоглобин отличается от HbA1 не только по составу аминокислот, но и по ряду физико-хиических свойст: спектральным показателям, электрофоретической подвижности, устойчивости к щелочной денатурации и др. [5] Гемоглобин плода обладает большим сродством к кислороду, чем гемоглобин новорожденного или взрослого. Высокое сродство к О2 фетального гемоглобина облегчает перенос кислорода от матери к плоду. [4] Кровь новорождённого содержит до 80% HbF, но к концу молочного периода он почти полностью заменяется заменяется на HbA (в крови взрослого однако обнаруживатеся до 1,5 HbF от общего количества гемоглобина). [5] белковый молекула гемоглобин кровяной

Существует метод цитологической дифференцировки гемоглобина F путем обработки мазка крови лимоннокислофосфатной буферной смесью с рН = 3,4. В этих условиях эритроциты, содержащие преимущественно гемоглобин А, подвергаются гемолизу и представляются на препарате в виде теней (стром). Эритроциты, в которых преобладает гемоглобин F, оказываются резистентными и контрастно окрашиваются. [8]

Кроме того, в период эмбрионального развития у зародыша обнаруживается так называемый примитивный гемоглобин Р, характерный для желточного кроветворения.

Он характеризуется высокой щелочной резистентностью и малой электрофоретической подвижностью. Находится в эритроцитах зародыша до 18 - недельного возраста затем сменяется фетальным гемоглобином. [8]

Содержание гемоглобина в крови

* данные приводятся по Boyd J.W. , The interpretation of serum biochemistry test results in domestic animals, in Veterinary Clinical Pathology, Veterinary Practice Publishing Co., Vol. XIII, # II, 1984

На содержание гемоглобина влияет возраст, пол, порода, кормление, физические нагрузки и высота над уровнем моря. [6]

Среднее содержание гемоглобина в эритроците.

Важным диагностическим показателем, позволяющим оценить эритропоэз и провести дифференциальную диагностику различных форм анемии, служит среднее содержание гемоглобина в одном эритроците. (СГЭ) Эта величина отражает абсолютное количество гемоглобина, содержащееся в среднем в одном эритроците. Ее находят путем деления количества гемоглобина в определенном объеме крови на число эритроцитов в том же объеме. [3]

Эритроциты с нормальным содержанием гемоглобина (26-36 пг) называют нормохромными. Если СГЭ патологически снижено, то эритроциты называют гипохромными, а если оно повышено - гиперхромными. Эти же термины употребляют и для обозначения различных форм анемии. Так, когда образование гемоглобина снижается в результате недостатка железа, содержание гемоглобина в расчете на эритроцит падает, и возникает гипохромная анемия. При других разновидностях анемии нарушается образование красных кровяных телец в костном мозгу, и в крови появляются деформированные эритроциты с высоким содержанием гемоглобина - гиперхромная анемия. После значительной кровопотери СГЭ сначала не изменяется (нормохромная анемия), а в последующем вследствие избыточной продукции эритроцитов содержание гемоглобина в них падает (гипохромная анемия). [3]

Нормальная плазма содержит следы гемоглобина, не превышающие 10 мг%. Сильные увеличения (свыше 100 мг%) встречаются при всех гемоглобинуриях. [7]

Измерение содержания гемоглобина.

Для измерения содержания гемоглобина существует много методов, в том числе:

1) определение количества связанного O2 (1 г НЬ может присоединить до 1,36 мл O2. Количество кислорода устанавливают прибором ван-Слайка или прибором Баркрофта.)

2) анализ уровня железа в крови (содержание железа в гемоглобине составляет 0,347%);

3) колориметрия (сравнение цвета крови с цветом стандартного раствора). Гемоглобин колориметрируют как оксигемоглобин или редуцированный гемоглобин или же сперва превращают его в цветные производные (солянокислый гематин, щелочной гемоглобин, метгемоглобин, карбоксигемоглобин, циангемоглобин, азид-метгемоглобин и пр.)

4) измерение экстинкции (спектрофотометрия).

При проведении рутинных определений уровня гемоглобина отдают предпочтение последнему методу, так как при использовании первых двух способов необходима сложная аппаратура, а метод колориметрии неточен. [3], [7]

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Транспорт кислорода

Лишь небольшая часть О2 (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах.

1 г гемоглобина может связать 1,36 мл газообразного О2 (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека и многих животных содержится порядка 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О2. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления 02 в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 4 - 5). [1]

Сложная S--образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О2) которых различны.

Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное Р O2 приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро2 соответствует крутой части кривой) эффективно отдает О2. Отдаче кислорода способствует одержащийся в эритроцитах 2,3--дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях. [1]

Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и при увеличении концентрации водородных ионов в среде которая, в свою очередь, зависит от Рсо2 (эффект Вериго--Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. [1]

Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50% (Р50). Параметр Р50 отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для фетального гемоглобина.

Транспорт углекислого газа

Хотя СО2 растворяется в жидкости гораздо лучше, чем O2, только 3--6% общего количества продуцируемого тканями C02 переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи.

Поступая в тканевые капилляры, С02 гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту:

СО2 + Н20 - Н2СОз -H+ + НСО3--

Направление этой обратимой реакции зависит от Рсо2 в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СО2 быстро диффундирует из плазмы.

Около 4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО3--. Связыванию С02 способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода -- дезоксигенирование (эффект Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым, в свою очередь, реагирует угольная кислота:

К+ + HbO2 + H+ + НСОз-- = HHb + КНСО3 + 02

Часть ионов НСО3-- диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора.

Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимого кровью СО2.

В легочных капиллярах происходит высвобождение части CO2, который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое чем в плазме, альвеолярное Pco2, а также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСОз-- поступают из плазмы в эритроцит, а ионы Сl-- - в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4--5 мл С02 -- то же количество, какое кровь получает в тканях (артерио--венозная разница по СО2). [1]

Гемоглобин (в силу амфотерных свойств) и гидрокарбонат являются важными буферными системами крови.

Гемоглобин является частью белкового буфера. Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Концевые карбокси- и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп сравнительно мало. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться, и особенно имидазольное кольцо гистидина. [3]

К буферным белкам относятся как белки плазмы (в частности, альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин. На долю последнего приходится большая часть буферной ёмкости белковой системы, что связано как со значительной концентрацией гемоглобина, так и с относительно высоким содержанием в нем гистидина.

Гемоглобин играет также важную роль в буферной емкости крови благодаря изменению его кислотных свойств при оксигенации и дезоксигенации. В физиологическом диапазоне рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Такая разница обусловлена главным образом влиянием кислорода, связанного с железом, на связывание Н+ соседними имидазольными группами гистидина. Благодаря этому влиянию гемоглобин, освобождая в тканях кислород, приобретает большую способность к связыванию ионов Н+ образующихся при одновременном поглощении СO2. При поглощении кислорода кровью в легких происходят обратные процессы. Таким образом, обмен O2 усиливает буферный эффект гемоглобина. [3]

Гемоглобин можно считать своего рода модельным белком, структура, свойства и функции которого наиболее полно изучены по сравнению с другими белками на протяжении последних 50 лет. Американский физик Хопфилд назвал его «атомом водорода современной биохимии», имея в виду, что изучение гемоглобина сыграло в биохимии ту же роль, что и изучение атома водорода в физике. Гемоглобин называют также «почётным ферментом», поскольку исследования его структуры в статике и динамике позволили значительно продвинуться в понимании механизмов функционирования ферментов. [2]

Список использованной литературы

[1] Начала физиологии под ред. акад. А. Д. Ноздрачева, СПб.: Лань, 2001.

[2] Гемоглобин Л.А Блюменфельд, Соросовский обаразвательный журнал, 1998

[3] Физиология человека под. ред. Шмидта А. и Тевса Г.; М.: Мир; 1996.

[4] Физиология животных т. 1,2 Эккерт Р., Рэнделл Д., Огастин.Дж.; М.: Мир, 1991

[5] Биологическая химия Берёзов Т.Т., Коровкин Б.Ф.; М.: Медицина, 1990

[6] Физиология сельскохозяйственных животных под ред. А. Н. Голикова, Г.В. Паршутина М.: Колос, 1980

[7] Клинические лабораторные исследования в педиатрии; И.Тодоров; София: Медицина и физкультура; 1968г.

[8] Эритропоэз и его регуляция в эмбриональном, фетальном и неонатальном периодах Е.Ф. Морщакова, А.Д. Павлов, А.Г. Румянцев

Размещено на Allbest.ru