Производные гемоглобина. Физиологические и патологические тип гемоглобина. Ферментные гемпротеиды.

Гемоглоби́н относится к числу важнейших дыхательных белков, принимающих участие в переносе кислорода от легких к тканям. Он является основным компонентом эритроцитов крови, в каждом из них содержится примерно 280 млн молекул гемоглобина.

Гемоглобин является сложным белком, который относится к классу хромопротеинов и состоит из двух компонентов:

1) железосодержащего гема – 4 %;

2) белка глобина – 96 %.

Гем является комплексным соединением порфирина с железом. Это соединение довольно неустойчивое и легко превращается либо в гематин, либо в гемин. Строение гема идентично для гемоглобина всех видов животных. Отличия связаны со свойствами белкового компонента, который представлен двумя парами полипептидных цепей. Различаю HbA, HbF, HbP формы гемоглобина.

Существуют физиологические и патологические виды гемоглобина.

 К физиологическим гемоглобинам относятся НЬА (гемоглобин взрослого) и HbF (фетальный гемоглобин, составляющий основную массу гемоглобина плода иисчезающий почти полностью ко 2-му году жизни ребенка). Современными электрофоретическими исследованиями доказано существование по крайней мере двух разновидностей нормального гемоглобина А: А1 (главный) и А2 (медленный). Основную массу гемоглобина взрослого (96-99%) составляет HbAl, содержание других фракций (А2 F) не превышает 1 - 4%. Каждый вид гемоглобина, вернее его глобиновая часть, характеризуется своей «полипептидной формулой». Так, HbAl обозначается как ά2 β2, то есть он состоит из двух ά-цепей и двух β-цепей (всего 574 аминокислотных остатка, расположенных в строго определенном порядке). Другие виды нормальных гемоглобинов - F, A2 обладают общей с HbAl β-пептидной цепью, но отличаются структурой второйполипептидной цепи (например, структурная формула HbF – ά2γ2).

 Помимо физиологических гемоглобинов, существуют еще несколько патологических разновидностей гемоглобина, отличающихся друг от друга физико-химическими качествами, в частности различной электрофоретической подвижностью и разным отношением к щелочам. В настоящее время признается достоверным существование следующих видов патологического гемоглобина: B(S), С, D, E, G, H, I, Y, К, L, M, N, О, Р и Q. Патологические гемоглобины возникают в результате врожденного, передаваемого по наследству дефекта образования гемоглобина. Изменения молекулярной структуры гемоглобина (его аминокислотного состава) являются основой развития гемоглобинопатий, относимых к «молекулярным болезням». Гемоглобинопатии (гемоглобинозы) могут являться причиной развития тяжелых анемий гемолитического типа. В эритроцитах циркулирующей крови гемоглобин находится в состоянии беспрерывной обратимой реакции. Он топрисоединяет молекулу кислорода (в легочных капиллярах), то отдает ее (в тканевых капиллярах). Гемоглобин в венозной крови с низким парциальным давлением кислорода связан с 1 молекулой воды. Такой гемоглобин называется редуцированным (восстановленным) гемоглобином. В артериальной крови с высоким парциальным давлением кислорода гемоглобин соединен с 1 молекулой кислорода и имеет название - оксигемоглобин. Путем непрерывного превращения оксигемоглобина в редуцированный гемоглобин и обратно осуществляется перенос кислорода из легких к тканям. Восприятие углекислоты в тканевых капиллярах и доставка ее в легкие также является функцией гемоглобина. В тканях оксигемоглобин, отдавая кислород, превращается в редуцированный гемоглобин. Кислотные свойства редуцированного гемоглобина в 70 раз слабее свойств оксигемоглобина, поэтому свободные валентности его связывают углекислоту. Таким образом, углекислота доставляется из тканей в легкие с помощью гемоглобина. В легких образующийся оксигемоглобин в силу своих высоких кислотных свойств вступает в связь с щелочными валентностями карбогемоглобина, вытесняя углекислоту. Так как основной функцией гемоглобина является обеспечение тканей кислородом, то при всех состояниях, сопровождающихся снижением концентрации гемоглобина в крови, или при качественных его изменениях развивается гипоксия тканей.

Гемоглобин обладает способностью вступать в диссоциирующие соединения не только с кислородом и углекислый газом, но и с другими газами. В результате образуются  карбоксигемоглобин, оксиазотистый гемоглобин и сульфгемоглобин.

Метгемоглобин (MetHb). Метгемоглобин образуется при окислении гемоглобина и представляет собой комплекс гемина с нативным глобином. Искусственно можно получить метгемоглобин, окисляя оксигемоглобин красной кровяной солью. В процессе переноса кислорода все время происходит окисление гемоглобина. Образующийся метгемоглобин восстанавливается в гемоглобин с помощью восстановительных ферментативных систем эритроцита. Основным субстратом в этом процессе является глюкоза. В этом и заключается собственное дыхание эритроцитов, причем гемоглобин в данном случае выполняет функцию, которую в тканях осуществляют ферменты цитохромной системы. В результате постоянного образования и восстановления метгемоглобина устанавливается равновесие и в крови в каждый данный момент всегда имеются небольшие (0,5—1%) количества метгемоглобина. Метгемоглобин обладает способностью связывать токсические вещества типа сульфидов и цианидов. В процессе метаболизма постоянно вырабатываются небольшие количества таких токсических веществ, и «физиологический» метгемоглобин защищает такие важные участки организма, как, например, дыхательный центр, от проникновения туда токсических веществ, блокирующих цитохромоксидазу.

Метгемоглобинообразование, т. е. частичное превращение гемоглобина в метгемоглобин, приводит не только к уменьшению количества гемоглобина, способного переносить кислород. В этом смысле метгемоглобинемия не равнозначна геморрагии. Превращение 50% гемоглобина в метгемоглобин приводит к значительно большей аноксии, чем простая потеря половины гемоглобина крови. Это связано с тем, что при частичном окислении гемоглобина в метгемоглобин не только «портится» подвергшийся окислению гемоглобин, но и изменяется кривая диссоциации оставшегося неокисленным гемоглобина. Можно считать, что при окислении железа каждый гем окисляется практически независимо от других гемов той же молекулы гемоглобина.

Поэтому когда говорят, например, что в метгемоглобин превратилось 50% всего количества гемоглобина, то это не значит, что 50% гемоглобина полностью окислилось, а 50% молекул остались совершенно незатронутьими. При этом, кроме указанного выше, должны образовываться и частично измененные молекулы гемоглобина с одним, двумя и тремя окисленными темами в молекуле гемоглобина. Поэтому гем — гем взаимодействие должно резко уменьшиться.

Карбоксигемоглобин (HbCO). Хорошо известно, что даже при небольших концентрациях окись углерода (СО) вытесняет кислород из связи с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, неспособный служить переносчиком кислорода. Следует отметить, что повышенное «сродство» гемоглобина к окиси углерода не означает повышенную скорость присоединения СО к гемоглобину. Как показывают эксперименты, скорость присоединения СО к гемоглобину не выше, а примерно в 10 раз ниже скорости присоединения кислорода к гемоглобину. Однако скорость отщепления СО от гемоглобина приблизительно в 3600 раз меньше соответствующей скорости для кислорода. Поэтому хотя СО и присоединяется медленнее, но, присоединившись, остается в связанном виде значительно дольше, чем кислород. Так, при содержании во вдыхаемом воздухе 0,1% СО 50% гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин. При наличии в воздухе 0,3% СО количество карбоксигемоглобина в крови достигает 60—75%.

 Из вышеизложенного ясно, что для удаления окиси углерода необходимо повысить содержание кислорода и понизить содержание СО во вдыхаемом воздухе. Присоединение СО — обратимый процесс и при повышенном содержании кислорода увеличивается вероятность того, что после отщепления молекулы СО ее место будет занято не новой молекулой СО, а кислородом. Следует отметить, что к отравлению окисью углерода приложимы те же рассуждения, что и в случае метгемоглобинемии. Частичная замена кислорода на СО не только уменьшает количество гемоглобина, способного переносить кислород, но и ухудшает (приближая к гиперболической форме) кривую диссоциации оставшегося неповрежденным гемоглобина.

 Сульфгемоглобин (SHb). Точная химическая характеристика этого соединения не известна. Очевидно, в сульфгемоглобине к железу гемоглобина каким-то образом присоединена группа, содержащая серу. Образование сульфгемоглобина происходит при воздействии сероводорода на восстановленный гемоглобин. Известно, однако, что в организме сероводород не абсорбируется в количествах, достаточных для накопления сульфгемоглобина в крови. Это может иметь место только в резко выраженных случаях гнилостного брожения в кишечнике. В нормальных условиях H2S разрушается или выделяется легкими. Но в условиях избыточного накопления H2S или в присутствии веществ, ускоряющих его воздействие на гемоглобин, может наступить сульфгемоглобинемия. Так, известно сульфгемоглобинообразование при комбинированном введении сернокислого магния и сульфаниламидов, когда имеется сочетанное воздействие упомянутых факторов. В крови содержание сульфгемоглобина редко превышает 10%. Образование сульфгемоглобина, по-видимому, не приводит к разрушению эритроцитов, и в плазме его не удается обнаружить, кроме очень тяжелых случаев бактериемии. Некоторые исследователи предполагают, что сульфгемоглобин отличается от гемоглобина не только тем, что к атому железа присоединена какая-то серусодержащая группа, но и тем, что при образовании сульфгемоглобина разрывается один из СН-мостиков порфиринового кольца.
До настоящего времени еще нет достоверных данных, подтверждающих это предположение. Известно лишь, что в организме образование сульфгемоглобина необратимо. Средств для превращения сульфгемоглобина в нормальный гемоглобин до сих пор нет.

Гемохром (CrHb). При воздействии на гемоглобин (или оксигемоглобин) тепла или щелочи белок денатурируется, но связь с простетической группой сохраняется. Поскольку при денатурации гемоглобин теряет все свои специфические свойства, в том числе и устойчивость к окислению на воздухе, железо гема практически мгновенно окисляется. Поэтому непосредственным продуктом денатурации является глобингемихром (ранее называвшийся катгемоглобином), т. е. комплекс гемина с денатурированным глобином.
Глобингемихром не обладает четкой спектральной характеристикой и, более того, его спектр сильно зависит от условий (например, рН) и изменяется при стоянии. Если до или после денатурации добавить восстановитель, например гидросульфита натрия, то образуется глобингемохром.

В зависимости от того, с чем связан гем, можно характеризовать гемохромы как глобингемохром, пиридингемохром и пр .Устойчивость гемоглобина по отношению к действию денатурирующих агентов является весьма важной его характеристикой. Это свойство может резко отличать гемоглобины близких видов животных, не отличимых по своей спектральной характеристике. Мерой устойчивости гемоглобина по отношению к денатурации может явиться скорость образования глобингемохрома, измеряемая по появлению его характерного спектра при воздействии слабых концентраций щелочи. На основе различной устойчивости по отношению к щелочной денатурации гемоглобинов различных видов животных был разработан (А. А. Блюменфельд и С. Э. Красовицкая) простой, объективный и доступный метод, позволяющий отличать кровь человека от крови ряда животных: собаки, кошки, крысы, кролика, козы, барана, петуха и быка, а также кровь этих животных друг от друга. Указанный метод применим также при изучении старых кровяных пятен, что делает его весьма ценным способом при изучении вещественных доказательств в судебно-медицинской практике.

Метгемальбумин. При ряде патологических состояний (черная лихорадка, гемолитическая желтуха, гемоглобинурия) в плазме крови удается обнаружить комплекс окисленного гема с белком плазмы альбумином — метгемальбумин. Появление его обусловлено особым нарушением синтеза гемоглобина, в связи с чем связь между гемом и глобином становится очень непрочной, чем очень легко отрывается от глобина и переходит в плазму (эндогенный гемолиз), где и «связывается» альбумином.
В момент своего отрыва от глобина гем окисляется, в связи с чем новое соединение и носит название метгемальбумина.

Гемопротеиды – белки, небелковым компонентом которых является   гем, построенный  из четырех пиррольных колец, с ними связан ион двухвалентного железа (через атомы азота). К таким белкам относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Этот класс белков еще называют хромопротеиды, поскольку гем является окрашенным соединением. 

 Цитохромы  являются ферментыми гемопротеидами и осуществляют катализ окислительно - восстановаительных реакций и электронный транспорт в дыхательной цепи. 

И поскольку цитохромы (гемопротеины) — это маленькие глобулярные белки (в первом приближении их структура может быть представлена в виде шара или вытянутого эллипсоида), которые содержат ковалентно связанный гем, расположенный во внутреннем кармане, образованном аминокислотными остатками.

Итак, основная функция хитохромов (синоним: миогематины, гистогематины) — гемопротеидов, заключается в переносе электронов и осуществляется (в процессе тканевого дыхания) путем обратимого изменения валентности атомов железа, входящих в состав гема.

В зависимости от конфигурации простетической группы цитохромы делятся на четыре типа (каждый из которых в свою очередь содержит несколько видов цитохромов): цитохромы a, b, c, d.

Соответствующие им простетические группы: железо-формил-порфирин (гем А или родственный ему гем с формильной боковой цепью); протогем (железо-протопорфирин); замещенный мезогем; железо-дигидропорфирин.

В восстановленном состоянии цитохромы дают четкий спектр с тремя полосами поглощения (а, р и у), характерными для каждого типа цитохромов и позволяющими обнаружить цитохромы спектрофотометрическими методами. Цитохромы найдены во всех животных и растительных клетках, а также в дрожжах и в некоторых факультативных анаэробах. Роль многих цитохромов в организме еще неизвестна, хотя некоторым приписывают высокоспециализированные функции. Важнейшей функцией цитохромов нужно считать их связь с нормальной окислительной цепью в процессе дыхания большинства тканей. Общепризнанным в настоящее время считается следующее расположение цитохромов в цепи переносчиков электронов:
b — c1 — с — а — а3 — О2.

У бактерий часто отсутствуют отдельные компоненты полной цитохромной системы, присущей животным и растительным тканям; в некоторых случаях вместо них обнаружены другие цитохромы, отсутствующие в животном и растительном организмах.
Основные компоненты цитохромной системы локализованы в митохондриях. В микросомах животных клеток обнаружен цитохром b5; в растительных микросомах —  b3; в хлоропластах растений — b6.

Цитохромы плохо растворимы в воде; их растворимость повышается при обработке исходного материала, содержащего цитохромы, поверхностно-активными веществами. Имеющиеся в настоящее время данные указывают на то, что основная часть энергии биологического окисления освобождается в результате реакций, катализируемых цитохромной системой.

Характеристика некоторых цитохромов. 

Цитохром c получен в кристаллическом виде. Молекулярный вес — 12 000. В организме находится как в свободном, водорастворимом, состоянии, так и в связанном с клеточными частицами. Окисленный цитохром с восстанавливается химическими реагентами, например гидросульфитом и др. В тканях организма восстановление может осуществляться за счет ферментов, называемых цитохромредуктазами. Относятся они к флавопротеидам. Различают два типа: окисляющие НАД восстановленный (восстановленный НАД-цитохром-С-редуктазы) и НАДФ восстановленный (восстановленный НАДФ-цитохром-С-редуктазы).

Цитохром a3 (цитохромоксидаза; цитохром-с : O2-оксидоредуктаза; Варбурга дыхательный фермент) — фермент, переносящий электроны от цитохрома c на O2. Содержит медь. Вопрос о самостоятельном существовании цитохромов a и a3 является спорным. Предполагается даже, что оба соединения представляют собой один и тот же белок. Недавно получены данные, указывающие на то, что цитохромоксидаза, возможно, состоит из шести единиц, две из которых эквивалентны цитохрому a3, а четыре — цитохрому a.

В гистохимии цитохромоксидаза определяется по нади-реакции:
α-нафтол + диметил-α-фенилендиамин + 4 цитохром c спонтанно → индофеноловый синий + 4 цитохром с (восстановленный) цитохромоксидаза + кислород → цитохром c + Н2O.
Результатом является возникновение синего или сине-фиолетового окрашивания.