Гемоглобин: строение и биологическая роль, нарушение функций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения Российской Федерации

(ФГБОУ ВО НГМУ Минздрава России)

Кафедра медицинской химии

Реферат по теме

Гемоглобин: строение и биологическая роль, нарушение функций

Гулиев Рузи Акиф оглы

Новосибирск - 2020

Содержание

гемоглобин биологический белок

Введение

1. Строение гемоглобина

2. Формы гемоглобина

3. Типы гемоглобина

4. Функции гемоглобина

5. Клиническое значение гемоглобинов

6. Причины уровня гемоглобина

Заключение

Список литературы

Введение

Гемоглобимн (от др.-греч. Б?мб - 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 дыхательных газов. 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 прочнее, чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в геме до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH) (metHb, от мета… и гемоглобин, иначе гемиглобин или ферригемоглобин). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода. Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в легких.

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.

Проблемы синтеза и распада хромопротеидов привлекают внимание как исследователей, так и практических врачей по двум основным причинам. Во первых, вследствие широкого разнообразия биологически важных функций гемоглобина, в молекуле которой центральную роль играет ядро порфирина, обладающее способностью координационно связываться с ионами металлов. Во вторых, изменение синтеза или распада порфиринов и соответственно их комплексов с белками приводят к нарушению жизненно важных функций у человека и животных.

1. Строение гемоглобина

Пространственная структура молекулы гемоглобина в деталях изучена методом рентгеноструктурного анализа еще в конце 40-х гг. XX в., главным образом благодаря работам английского биофизика М. Перутца. За эти исследования он был удостоен Нобелевской премии.

Гемоглобин является сложным белком, представленным двумя частями: небелковая планарная часть - гем (4% молекулы гемоглобина) и белковая олигомерная глобула (96%).

Гем (протогем) - тетрапиррольная ароматическая структура протопорфирина IX, в состав которого обязательно входит ион Fe2+. SP2-гибридные атомы C и N р-электронной системы порфиринового лиганда обеспечивают его плоскостную структуру. Гем является простетической группой гемсодержащих белков, обеспечивающей их главные функции: связывание и транспорт кислорода, участие в цепи переноса электронов, восстановление кислорода до воды, микросомальное окисление, разложение перекисей и др. Присутствие иона Fe2+ и ароматическая природа тетрапиррольного ядра обеспечивают интенсивную окраску гема, что и позволяет относить гемсодержащие белки к классу хромопротеидов. В состав порфиринового ядра гема входит ион Fe2+. Именно ион Fe2+, но не Fe3+, может связываться с кислородом. Свободные ионы Fe2+ спонтанно окисляются до Fe3+, поэтому неорганическое железо не может быть хорошим переносчиком кислорода. Fe2+ в составе гема (без глобина) может связывать кислород, но и оно быстро окисляется, образуя гематин. Поэтому (а также в силу плохой растворимости в воде) свободный гем тоже не способен к транспорту кислорода.

Глобин - белковый компонент гемоглобина - принадлежит к группе гистонов. Число аминокислотных остатков в полипептидной цепи разных типов колеблется в диапазоне от 140 до 150, причем чаще встречаются числа 141, 146, 153. В состав протомеров гемоглобина человека входит либо 141 (Ь-цепь), либо 146 (в-, г-, д-цепи) аминокислотных остатков.

Вторичная структура гемоглобинов представлена Ь-спиралью. Полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле более чем на 70% представлены скрученными в б-геликсовые спирали, фрагменты которых разделены участками, образующими изгибы вторичной цепи. В результате такой укладки образуются третичные глобулы овоидной формы. Число спирализованных участков различно у разных цепей Hb. Ь-Цепь имеет 7 таких доменов, в-цепь - 8. Спирализованные фрагменты гемоглобина обозначают латинскими буквами, начиная с N-конца полипептидной цепи (например, в Ь-субъединице: A, B, C, D, E, F, H).

Пространственная компоновка третичной структуры субъединиц гемоглобина соответствует принципам третичной укладки большинства глобулярных белков: максимальная компактность, гидрофобные аминокислотные радикалы расположены внутри глобулы, большинство гидрофильных аминокислотных остатков располагаются на поверхности протомера.

Физиологической формой четвертичной структуры гемоглобинов человека является тетрамерная. Все четыре протомера гемоглобина располагаются пространственно в определенном соотношении («кватернерная структура»), образуя по отношению друг к другу тетраэдрическую конфигурацию. Тетрамер гемоглобина - сфероид длиной 64Е, шириной 55Е и высотой 50Е.

Каждая сведбергова единица находится в контакте с тремя другими сведберговыми единицами, рыхло связанными между собой нековалентными связями (водородными, солевыми и, в основном, гидрофобными). Неполярные гидрофобные связи, будучи обращенными внутрь белка, играют главную роль в стабилизации четвертичной структуры гемоглобина.

2. Формы гемоглобина

Можно выделить три основные функции гемоглобина: Транспорт кислорода. Самая известная функция. Человек вдыхает воздух, молекулы кислорода попадают в легкие, а уже оттуда транспортируются к другим клеткам и тканям. Гемоглобин связывает молекулы кислорода и переносит их. Если эта функция нарушается, начинается кислородное голодание, что особенно опасно для мозга. Транспорт углекислого газа. Помимо кислорода гемоглобин может связывать и переносить молекулы углекислого газа, что также важно. Поддержание уровня Рн. Углекислый газ, скапливаясь в крови, вызывает ее закисление. Этого нельзя допускать, молекулы углекислого газа должны постоянно выводиться. В крови человека белок присутствует в нескольких разновидностях. Выделяют следующие виды гемоглобина:

1. Оксигемоглобин. Это гемоглобин со связанными молекулами кислорода. Он содержится в артериальной крови, поэтому она ярко-алая.

2. Карбоксигемоглобин. Гемоглобин со связанными молекулами углекислого газа. Они транспортируются в легкие, где углекислый газ выводится, а гемоглобин снова насыщается кислородом. Этот вид белка сдержится в венозной более темной и густой и крови.

3. Гликированный гемоглобин. Это неразделимое соединение белка и глюкозы. Этот вид глюкозы может циркулировать в крови достаточно долго, поэтому его используют для определения уровня сахара в крови. Фетальный гемоглобин. Этот гемоглобин можно встретит в крови плода или новорожденного ребенка в первые несколько недель жизни. Это более активный в плане переноса кислорода гемоглобин, но быстро разрушающийся под воздействием факторов окружающей среды.

4. Метгемоглобин. Это гемоглобин, связанный с различными химическими агентами. Его рост может говорить об отравлении организма. Связи белка и агентов достаточно прочные. При повышении уровня этого вида гемоглобина нарушается насыщаемость тканей кислородом.

5. Сульфгемоглобин. Этот вид белка появляется в крови при приеме различных препаратов. Его содержание обычно не превышает 10%.

3. Типы гемоглобина

При присоединении к белку гемоглобина (глобину) глюкозы, образуется гликозилированный (гликированный) гемоглобин.

Рост уровня гликолизированного гемоглобина происходит при переизбытке глюкозы в крови, возникающем при сахарном диабете.

В соответствии с рекомендациями Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) анализ на гликозилированный гемоглобин - самый эффективный и необходимый метод в диагностике сахарного диабета. Больным сахарным диабетом рекомендуется сдавать биохимический анализ крови на гликозилированный гемоглобин не реже 1 раза в квартал.

Врачи выделяют еще одну форму гемоглобина - фетальный гемоглобин, отличающийся от нормального гемоглобина по строению и свойствам. Фетальный гемоглобин - это гемоглобин новорожденных, содержание в крови фетального гемоглобина ребенка достигает 80%. К 1 году жизни фетальный гемоглобин у детей начинает разрушаться и практически полностью заменяется на гемоглобин взрослых. Фетальный гемоглобин - норма у детей, но для взрослых его содержание - признак серьезных заболеваний. Определение гемоглобина новорожденных используется в диагностике заболеваний крови и онкологических заболеваний.

4. Функции гемоглобина

Главной функцией гемоглобина принято считать перенос кислорода к тканям. Однако, по более точным данным, главная функция гемоглобина не состоит в переносе кислорода. Кислород, связанный с гемоглобином, переносится собственно эритроцитом. Гемоглобин ничего не переносит.

Главная функция гемоглобина заключается в трех этапах или процессах, определяющих три свойства гемоглобина.

Первый этап - присоединение молекулярного кислорода к гемоглобину.

Второй этап - образование сложных взаимоотношений между гемом и кислородом, а именно превращение молекулярного кислорода в синглетный кислород. Данный этап является этапом трансформации молекулярного кислорода в его реакционно-способную форму, необходимую для дальнейшего взаимодействия с клетками и является сущностью гемоглобина и смыслом его главной функции.

Третий этап - отдача синглетного кислорода в ткани. 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 прочнее, чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в геме до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH) (metHb, от мета… и гемоглобин, иначе гемиглобин или ферригемоглобин. В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода.

5. Клиническое значение гемоглобинов

Определение количества гемоглобина в крови имеет большое значение для характеристики дыхательной функции крови в нормальных условиях и при самых различных заболеваниях, особенно при болезнях крови. Снижение концентрации гемоглобина отмечается при анемиях различной этиологии. Повышение общей концентрации гемоглобина крови может быть:

а) физиологическим; б) патологическим.

При интравитальном гемолизе концентрация гемоглобина в плазме повышается. Умеренные повышения (до 25 мг%) встречаются при иммунных гемолитических анемиях, анемии Кули, гемоглобинозе С, дрепаноцитозе и др. Сильные увеличения (свыше 100 мг%) встречаютсяпри всех гемоглобинуриях.

Существует множество нозологических форм патологии красной крови (гематологические заболевания, талассемии, онкопатология, гипоксии и др.), при которых большое диагностически-прогностическое значение имеет не только изменение количества общего гемоглобина крови, но и его отдельных типов. Гемоглобинопатии - это группа патологических состояний, обусловленных нарушениями структуры цепей глобина - заменой одной или нескольких аминокислот в цепи глобина, отсутствием участка цепи или ее удлинением. Важная группа нарушений, связанных с аномалиями гемоглобина - талассемии. Изменение активности гена-регулятора ведет к количественному нарушению вплоть до полного прекращения синтеза той или иной полипептидной цепи в целом, что вызывает избыточное компенсаторное образование других полипептидных цепей. В результате появляются аномальные 40 гемоглобины, характеризующие талассемии. Так, мутация Ь-гена-регулятора отражается на синтезе всех гемоглобинов, содержащих Ь-цепи. Снижается скорость синтеза Ь-цепей гемоглобина - возникает Ь-талассемия. При возникновении мутаций в в-регуляторном гене нарушается синтезв-полипептидной цепи, возникает в-талассемия. В результате этого и в постнатальном периоде продолжают синтезироваться г-цепи, что при сохранении синтеза Ь-цепей приводить образованию повышенных количеств гемоглобина F. Талассемии сопровождаются анемиями, которые могут принимать очень тяжелые формы.

Изменение соотношения типов гемоглобина крови в клинической практике используют для диагностики различных патологических состояний. Увеличение количества фетального гемоглобина наблюдается при гомозиготной форме в-талассемии, наследственном персистировании фетального гемоглобина, у-, в-талассемии, серповидно-клеточной анемии. Отмечается повышение содержания фетального гемоглобина у взрослых людей при некоторых гемолитических анемиях и соматических заболеваниях.

Увеличение пропорции фетального гемоглобина при рождении наблюдается у недоношенных новорожденных, подвергавшихся хронической внутриматочной гипоксии, а также у новорожденных, родившихся у женщих с поздними гестозами (в частности - с нефропатией) и гипертонической болезнью, эндокринными нарушениями, интоксикациями, сердечнососудистой патологией, хроническими гипоксиями, гематологическими заболеваниями.

Уменьшенные уровни HbF при рождении обнаружены у новорожденных с трисомией 21 хромосомы

6. Причины превышения или снижения уровня гемоглобина

Превышение или снижение уровня гемоглобина не обязательно указывают на заболевание. Повышению показателей способствует физическое перенапряжение, проживание в высокогорных районах с разреженным воздухом (требуется больше гемоглобина, чтобы обеспечить потребности организма), обезвоживание (работа при высокой температуре, жаркий климат, болезни с рвотой и диареей). Повышение гемоглобина проявляется вялостью, апатией, снижением работоспособности, ухудшением зрения, суставными болями. Чаще всего встречается во врачебной практике пониженный показатель сложного железосодержащего белка, но и высокий (более 160 г./л) случается.

Последний может быть связан с эритремией, сгущением крови, проблемами с сердцем и сосудами (в том числе и врождённым пороком сердца), кишечной непроходимостью, сахарным диабетом. Повышенный фетальный гемоглобин, которому свойственно находиться в организме ребёнка до 12 месяцев с момента рождения, также является поводом для беспокойства родителей. Рекомендуется продолжить диагностическое исследование в направлении заболеваний крови и онкологических патологий. Уровень гемоглобина выше установленной нормы в результате больших физических нагрузок, профессиональной деятельности (у альпинистов, лётчиков, космонавтов) или проживания в горной местности является естественным явлением.

Понижение нормальных показателей может быть связано с заражением глистными инвазиями, несбалансированным питанием, заболеваниями ЖКТ, эндокринными нарушениями, злоупотреблением алкоголем, кофе, шоколадом. Подобным образом организм реагирует на большие кровопотери, заболевания костного мозга, селезенки, злокачественные опухоли. Оценивать показатели уровня гемоглобина должен врач, исходя из анамнеза больного, его состояния, времени, в которое был сделан забор крови. Индивидуальные факторы имеют важное значение, и уравнивать всех под сухие цифры норм нельзя.

Состояние, при котором показатель гемоглобина падает ниже установленного эталона, называется анемией (в народе - «малокровие»). Выделяют несколько видов этого заболевания, часто встречаются железодефицитная и мегалобластная анемии. Для поднятия гемоглобина нужно стимулировать рост клеток эритроцитов, что возможно при обилии Fe и витамина В12. Анемия возникает вследствие неправильного питания или регулярных стрессов, а также при внутреннем и открытом кровотечениях, переливании крови, глистной инвазии, геморроидальных узлах, алиментарном недостатке железа из-за исключения мясных продуктов.

При высоком значении гемоглобина стоит воздерживаться пищи, в которой содержится много железа, а при низком же, наоборот, нужно участить употребление еды с железом.

Заключение

В эритроцитах, красных кровяных клетках, выстраиваясь вокруг атомов железа гем-группы, белок глобин образует сложнейшее соединение, отвечающее за дыхание и снабжение клеток кислородом, - гемоглобин. При дыхании человека он захватывает кислород в легких, адаптирует в усвояемую форму и несет по крови в органы и ткани, в каждую клетку нашего тела, чтобы обеспечить их жизнедеятельность и нормальный окислительный процесс. Затем гемоглобин забирает скопившийся там углекислый газ и транспортирует обратно в легкие для последующего его выведения. Этот процесс непрерывен, практически весь кислород, попадающий в организм человека, переносится гемоглобином, всего лишь его 2% остается в плазме крови. Когда количество железосодержащего белка сокращается, клетки получают кислорода недостаточно, наступает кислородное голодание, а это приводит к дегенеративным процессам в тканях. Происходит увеличение кислотности клеток, что отрицательно влияет на работу сердца, сосудов, дыхания и всех органов. Следовательно, гемоглобин - это один из гарантов дыхания и жизнедеятельности человеческого организма.

Список литературы

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химияhttp://www.xumuk.ru/biologhim/-дата обращения 11.05.2014 г. [1]

2. Изучение гемоглобина http://www.newreferat.com/ref-5147-4.html дата обращения 11.05.2014 г. [2]

3. / В.Т. Антоненко, Ю.Н. Королев Особенности кислородсвязывающей функции фетального гемоглобина: Обзор // Гематология и трансфузиология. 2006. Т.28. №5. С. 61-64.

4. Фетальный гемоглобин как тест для диагностики гипоксических состояний / А.Б. Агапова [и др.] // Материалы III съезда биохимического общества РАН. С-Пб. 2005. С. 131.

Размещено на Allbest.ru