Гемоглобины

Гемоглобины — это красные железосодержащие пигменты крови и гемолимфы, способные обратимо связывать молекулярный кислород. По химической природе они представляют собой сложные белки, состоящие из железопорфириновой простетической группы (гема) и белкового компонента — глобина.

Основная функция гемоглобинов — транспорт газов: они обеспечивают перенос кислорода (O₂) от органов дыхания к тканям и углекислого газа (CO₂) в обратном направлении. Кроме того, они участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (pH) крови.

Гемоглобины встречаются у всех позвоночных (за исключением некоторых антарктических рыб) и у многих групп беспозвоночных. В организме они могут находиться:

Внутри специализированных клеток — эритроцитов (у позвоночных и некоторых беспозвоночных).
В свободно растворённом виде в плазме крови (у большинства беспозвоночных).

Строение и свойства:

Молекулярная масса варьирует в широких пределах: у млекопитающих — 66 000 — 68 000, у птиц, рыб, земноводных и пресмыкающихся — 61 000 — 72 000. У беспозвоночных с растворённым в плазме гемоглобином она может достигать 3 000 000.
Молекула гемоглобина большинства высших позвоночных представляет собой тетрамер, собранный из четырёх полипептидных цепей. К каждой цепи присоединена гемовая группа, содержащая атом железа в степени окисления +2 (Fe²⁺). Именно этот атом способен без изменения валентности присоединять и отдавать молекулу O₂.
Все четыре гемовые группы в собранной молекуле расположены на её поверхности и легко доступны для кислорода.
Видовая специфичность гемоглобинов и различия в их сродстве к кислороду определяются строением их белковых компонентов.

Гемоглобины человека:

Гемоглобин взрослого человека (HbA) состоит из двух идентичных α-цепей (по 141 аминокислотному остатку) и двух β-цепей (по 146 остатков).
Фетальный гемоглобин (HbF), присутствующий у плода, состоит из двух α-цепей и двух γ-цепей. Он обладает более высоким сродством к кислороду, чем HbA, что обеспечивает эффективный перенос кислорода от матери к плоду.
Соотношение различных форм гемоглобина меняется в процессе индивидуального развития организма.

Механизм работы (кооперативность):

Присоединение кислорода к гемоглобину в лёгких (процесс оксигенации) с образованием оксигемоглобина сопровождается конформационной перестройкой всей белковой молекулы. Связывание O₂ с одним из четырёх гемов повышает сродство к кислороду остальных гемов (так, четвёртый гем оксигенируется примерно в 500 раз быстрее первого). Этот кооперативный эффект значительно повышает эффективность насыщения крови кислородом и его отдачи тканям.

Регуляция связывания кислорода зависит от:

Парциального давления O₂ (напряжения кислорода).
Концентрации CO₂ и pH (эффект Бора): повышение концентрации CO₂ и снижение pH в тканях облегчает отдачу O₂, а в лёгких — способствует его связыванию.
Концентрации 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) и некоторых анионов (например, Cl⁻), которые, связываясь с гемоглобином, снижают его сродство к кислороду.

Физиологические параметры у человека:

В капиллярах лёгких при парциальном давлении O₂ около 0,15 атм гемоглобин насыщен кислородом на 96%.
В тканях, где давление O₂ около 0,04 атм, насыщение падает до 20%. Эта разница обеспечивает эффективную отдачу кислорода.
Содержание гемоглобина в крови: 13 — 16 г на 100 мл (у женщин обычно несколько ниже, чем у мужчин).
Один грамм гемоглобина может связать до 1,34 мл O₂.
Каждые 100 мл крови, проходя через тканевые капилляры, отдают тканям 5 — 6,5 мл O₂.
В состоянии покоя через сердце протекает около 4 л крови в минуту, доставляя тканям примерно 200 мл O₂. При интенсивной мышечной работе потребление кислорода может возрастать в 10 и более раз.

Биосинтез и обновление:

Гемоглобин синтезируется в молодых формах эритроцитов. Его синтез непрерывен, что обеспечивает постоянное обновление в организме. Скорость синтеза возрастает при длительной гипоксии (кислородном голодании) или анемии.

Ежесекундно в организме образуется около 650 × 10¹² молекул гемоглобина.
В каждом эритроците содержится около 265 × 10⁶ молекул.
«Сборка» целой молекулы занимает примерно 90 секунд. Синтез гемоглобина у позвоночных регулируется гормоном эритропоэтином и контролируется группой генов, кодирующих полипептидные цепи (α, β, γ и др.).

Патологии и другие формы:

Гемоглобин, высвобождающийся при разрушении старых эритроцитов, является источником для образования жёлчных пигментов.
В результате мутаций в генах, кодирующих цепи гемоглобина, могут образовываться аномальные гемоглобины. У человека известно около 300 таких вариантов. Их наличие приводит к развитию заболеваний — гемоглобинопатий (например, серповидноклеточная анемия, талассемия).
В мышечной ткани содержится мышечный гемоглобин — миоглобин, который служит локальным депо кислорода.
Аналоги гемоглобина обнаружены и у некоторых растений (например, легоглобин в клубеньках бобовых).

Современный контекст

Современные исследования гемоглобина вышли далеко за рамки его транспортной функции. Установлено, что гемоглобин и его производные играют важную роль в регуляции сосудистого тонуса, выступая как источник сигнальной молекулы — оксида азота (NO). Кроме того, активно изучаются искусственные заменители гемоглобина на основе модифицированного человеческого или рекомбинантного гемоглобина, а также перфторуглеродных эмульсий, которые могут быть использованы в качестве кровезаменителей или для улучшения оксигенации тканей в критических состояниях. Генетические исследования позволили детально изучить молекулярные механизмы многих гемоглобинопатий и разработать методы их диагностики.