Гемоглобин содержит плазма крови

Содержание статьи

Гемоглобин

Молекула гемоглобина: 4 субъединицы окрашены в разные цвета

Структура гемоглобина человека. Железосодержащие гем-группы показаны зелёным. Красным и синим показаны альфа- и бета- субъединицы.

Гемоглоби́н (от др.-греч. αἷμα «кровь» + лат. globus «шар») (Hb или Hgb) — сложный железосодержащий белок животных, обладающих кровообращением, 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[1]. Молекулярная масса гемоглобина человека — около 66,8 кДа. Молекула гемоглобина может нести до четырёх молекул кислорода. Один грамм гемоглобина может переносить до 1,34 мл кислорода.

Гемоглобин появился более чем 400 миллионов лет назад у последнего общего предка человека и акул в результате 2 мутаций, приведших к формированию четырёхкомпонентного комплекса гемоглобина, сродство которого к кислороду достаточно для связывания кислорода в насыщенной им среде, но недостаточно, чтобы удерживать его в других тканях организма.[2][3]

Большой вклад в исследование структуры и функционирования гемоглобина внёс Макс Фердинанд Перуц, получивший за это в 1962 году Нобелевскую премию[4].

Нормальным содержанием гемоглобина в крови человека считается: у мужчин — 130-160 г/л (нижний предел — 120, верхний предел — 180 г/л), у женщин — 120-160 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 максимален 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[5].

Во время беременности в организме женщины происходит задержка и накопление жидкости, что является причиной гемодилюции — физиологического разведения крови. В результате наблюдается относительное снижение концентрации гемоглобина (при беременности уровень гемоглобина в норме составляет 110-155 г/л). Кроме этого, в связи с внутриутробным ростом ребёнка происходит быстрое расходование запасов железа и фолиевой кислоты. Если до беременности у женщины был дефицит этих веществ, проблемы, связанные со снижением гемоглобина, могут возникнуть уже на ранних сроках беременности[6].

Главные функции гемоглобина: перенос кислорода и буферная функция. У человека в капиллярах лёгких в условиях избытка кислорода последний соединяется с гемоглобином. Потоком крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом, доставляются к органам и тканям, где кислорода мало; здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается от 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 намного сильнее (в 250 раз[7]), чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в лёгких. Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в гемоглобине до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH) (metHb, от «мета-» и «гемоглобин», иначе гемиглобин или ферригемоглобин, см. Метгемоглобинемия). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода.

Строение[править | править код]

Гемоглобин является сложным белком класса гемопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает гем — порфириновое ядро, содержащее железо. Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из 4 протомеров. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α1, α2, β1 и β2. Субъединицы соединены друг с другом по принципу изологического тетраэдра. Основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия. И α-, и β-цепи относятся к α-спиральному структурному классу, так как содержат исключительно α-спирали. Каждая цепь содержит восемь спиральных участков, обозначаемых буквами от A до H (от N-конца к C-концу).

Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа(II). Этот кофактор нековалентно связан с гидрофобной впадиной молекул гемоглобина и миоглобина.

Железо(II) характеризуется октаэдрической координацией, то есть связывается с шестью лигандами. Четыре из них представлены атомами азота порфиринового кольца, лежащими в одной плоскости. Две другие координационные позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93-м положении полипептидной цепи (участок F). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу с обратной стороны и оказывается заключённой между атомом железа и азотом ещё одного остатка гистидина, располагающегося в 64-м положении цепи (участок E).

Всего в гемоглобине человека четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может связываться четыре молекулы. Гемоглобин в лёгких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гема на 6-ю координационную связь. На эту же связь присоединяется и монооксид углерода, вступая с кислородом в «конкурентную борьбу» за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин.

Связь гемоглобина с монооксидом углерода более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с монооксидом углерода, не участвует в транспорте кислорода. В норме у человека образуется 1,2 % карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.

Физиология[править | править код]

Изменение состояний окси- и дезоксигемоглобина

В отличие от миоглобина гемоглобин имеет четвертичную структуру, которая придаёт ему способность регулировать присоединение и отщепление кислорода и характерную кооперативность: после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается. Структура может находиться в двух устойчивых состояниях (конформациях): оксигемоглобин (содержит 4 молекулы кислорода; напряжённая конформация) и дезоксигемоглобин (кислорода не содержит; расслабленная конформация).

Устойчивое состояние структуры дезоксигемоглобина усложняет присоединение к нему кислорода. Поэтому для начала реакции необходимо достаточное парциальное давление кислорода, что возможно в альвеолах лёгких. Изменения в одной из 4 субъединиц влияют на оставшиеся, и после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается.

Отдав кислород тканям, гемоглобин присоединяет к себе ионы водорода и углекислый газ, перенося их в лёгкие[8].

Гемоглобин является одним из основных белков, которыми питаются малярийные плазмодии — возбудители малярии, и в эндемичных по малярии районах земного шара весьма распространены наследственные аномалии строения гемоглобина, затрудняющие малярийным плазмодиям питание этим белком и проникновение в эритроцит. В частности, к таким имеющим эволюционно-приспособительное значение мутациям относится аномалия гемоглобина, приводящая к серповидноклеточной анемии. Однако, к несчастью, эти аномалии (как и аномалии строения гемоглобина, не имеющие явно приспособительного значения) сопровождаются нарушением кислород-транспортирующей функции гемоглобина, снижением устойчивости эритроцитов к разрушению, анемией и другими негативными последствиями. Аномалии строения гемоглобина называются гемоглобинопатиями.

Гемоглобин высокотоксичен при попадании значительного его количества из эритроцитов в плазму крови (что происходит при массивном внутрисосудистом гемолизе, геморрагическом шоке, гемолитических анемиях, переливании несовместимой крови и других патологических состояниях). Токсичность гемоглобина, находящегося вне эритроцитов, в свободном состоянии в плазме крови, проявляется тканевой гипоксией — ухудшением кислородного снабжения тканей, перегрузкой организма продуктами разрушения гемоглобина — железом, билирубином, порфиринами с развитием желтухи или острой порфирии, закупоркой почечных канальцев крупными молекулами гемоглобина с развитием некроза почечных канальцев и острой почечной недостаточности.

Ввиду высокой токсичности свободного гемоглобина в организме существуют специальные системы для его связывания и обезвреживания. В частности, одним из компонентов системы обезвреживания гемоглобина является особый плазменный белок гаптоглобин, специфически связывающий свободный глобин и глобин в составе гемоглобина. Комплекс гаптоглобина и глобина (или гемоглобина) затем захватывается селезёнкой и макрофагами тканевой ретикуло-эндотелиальной системы и обезвреживается.

Другой частью гемоглобинообезвреживающей системы является белок гемопексин[en], специфически связывающий свободный гем и гем в составе гемоглобина. Комплекс гема (или гемоглобина) и гемопексина затем захватывается печенью, гем отщепляется и используется для синтеза билирубина и других жёлчных пигментов или выпускается в рециркуляцию в комплексе с трансферринами для повторного использования костным мозгом в процессе эритропоэза.

Экспрессия генов гемоглобина до и после рождения.

Также указаны типы клеток и органы, в которых происходит экспрессия гена (данные по Wood W. G., (1976). Br. Med. Bull. 32, 282.).[9]

Гемоглобин при заболеваниях крови[править | править код]

Дефицит гемоглобина может быть вызван, во-первых, уменьшением количества молекул самого гемоглобина (см. анемия), во-вторых, из-за уменьшенной способности каждой молекулы связать кислород при том же самом парциальном давлении кислорода.

Гипоксемия — это уменьшение парциального давления кислорода в крови, её следует отличать от дефицита гемоглобина. Хотя и гипоксемия, и дефицит гемоглобина являются причинами гипоксии. Если дефицит кислорода в организме в общем называют гипоксией, то местные нарушения кислородоснабжения называют ишемией.

Прочие причины низкого гемоглобина разнообразны: кровопотеря, пищевой дефицит, болезни костного мозга, химиотерапия, отказ почек, атипичный гемоглобин.

Повышенное содержание гемоглобина в крови связано с увеличением количества или размеров эритроцитов, что наблюдается также при истинной полицитемии. Это повышение может быть вызвано: врождённой болезнью сердца, лёгочным фиброзом, слишком большим количеством эритропоэтина.

См. также[править | править код]

Гемоглобин А
Гемоглобин С (мутантная форма)
Эмбриональный гемоглобин
Гемоглобин S (мутантная форма)
Гемоглобин F (фетальный)
Кобоглобин
Нейроглобин
Анемия
Порфирия
Талассемия
Эффект Вериго — Бора

Примечания[править | править код]

↑ Haemoglobins of invertebrate tissues. Nerve haemoglobins of Aphrodite, Aplysia and Halosydna
↑ Ученые выяснили происхождение гемоглобина. РИА Новостей, 20.05.2020, 18:59
↑ Michael Berenbrink. Evolution of a molecular machine/Nature, NEWS AND VIEWS, 20 MAY 2020
↑ Лауреаты нобелевской премии. Макс Перуц.
↑ Назаренко Г. И., Кишкун А. А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. — 2005.
↑ Общий анализ крови и беременность Архивная копия от 10 марта 2014 на Wayback Machine
↑ Hall, John E. Guyton and Hall textbook of medical physiology (англ.). — 12th ed.. — Philadelphia, Pa.: Saunders/Elsevier, 2010. — P. 1120. — ISBN 978-1416045748.
↑ Степанов В. М. Структура и функции белков : Учебник. — М. : Высшая школа, 1996. — С. 167-175. — 335 с. — 5000 экз. — ISBN 5-06-002573-X.
↑ Айала Ф., . Современная генетика: В 3-х т = Modern Genetics / Пер. А. Г. Имашевой, А. Л. Остермана, . Под ред. Е. В. Ананьева. — М.: Мир, 1987. — Т. 2. — 368 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-03-000495-5.

Литература[править | править код]

Mathews, CK; van Holde, KE & Ahern, KG (2000), Biochemistry (3rd ed.), Addison Wesley Longman, ISBN 0-8053-3066-6
Levitt, M & Chothia, C (1976), Structural patterns in globular proteins, Nature

Ссылки[править | править код]

Eshaghian, S; Horwich, TB; Fonarow, GC (2006). «An unexpected inverse relationship between HbA1c levels and mortality in patients with diabetes and advanced systolic heart failure». Am Heart J. 151 (1): 91.e1-91.e6. DOI:10.1016/j.ahj.2005.10.008. PMID 16368297.
Kneipp J, Balakrishnan G, Chen R, Shen TJ, Sahu SC, Ho NT, Giovannelli JL, Simplaceanu V, Ho C, Spiro T (2005). «Dynamics of allostery in hemoglobin: roles of the penultimate tyrosine H bonds». J Mol Biol. 356 (2): 335-53. DOI:10.1016/j.jmb.2005.11.006. PMID 16368110.
Hardison, Ross C. (2012). «Evolution of Hemoglobin and Its Genes». Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2 (12): a011627. DOI:10.1101/cshperspect.a011627. ISSN 2157-1422. PMC 3543078. PMID 23209182.

Источник

Кровь представляет собой разновидность соединительной ткани и состоит из суспензии форменных элементов (эритроциты, лейкоциты и тромбоциты) в растворе — плазме (смотри рисунок 1.5.2) . Кроме того, она содержит клетки (фагоциты) и антитела, защищающие организм от болезнетворных микробов

Если человек весит 65 кг, в нем 5,2 кг крови (7-8%); из 5 л крови около 2,5 л приходится на воду.

В состав плазмы (на нее приходится 55%) входят минеральные вещества (соли натрия, кальция и многие другие) и органические (белки, глюкоза и другие). Плазма принимает участие в транспорте веществ и свертывании крови.

Эритроциты — это красные кровяные тельца. Их больше всего среди клеток крови. Эритроциты содержат гемоглобин, который придает им красноватую окраску. Благодаря ему эритроциты участвуют в газообмене: гемоглобин необходим для транспорта кислорода и удаления углекислого газа из тканей. Эритроциты принимают участие в регуляции кислотно-щелочного равновесия и в ряде ферментативных и обменных процессов. Образуются эритроциты в красном костном мозге и существуют 100-120 суток. Ежедневно вместо погибших образуется до 300 миллиардов новых эритроцитов. Характерным свойством их является способность «склеиваться» друг с другом, образуя конгломераты, которые называются монетными столбиками. При повышенном образовании подобных соединений появляется угроза появления тромбов в сердечно-сосудистой системе.

Лейкоциты — это белые клетки крови. Они выполняют защитную функцию, являясь частью иммунной системы организма. Это активные клетки, способные самостоятельно передвигаться, проникать сквозь стенки кровеносных сосудов, перемещаться между клетками различных тканей.

Тромбоциты — это кровяные пластинки. Продолжительность их жизни — 5-7 дней. Они содержат тромбопластин, являющийся фактором свертывания крови и играющий важную роль в остановке кровотечений.

Необходимо знать, что клеточный состав крови и кроветворные органы в здоровом организме представляют собой систему, находящуюся в динамическом равновесии: непрерывно происходящее разрушение клеток крови уравновешивается образованием новых в кроветворных органах. Такое равновесие регулируется специальными факторами, оказывающими влияние на кроветворение. Так, при кровопотере, недостатке кислорода в крови, воспалительных процессах, инфекционных заболеваниях кроветворение усиливается, при ряде заболеваний (недостатке в организме железа, некоторых витаминов и других состояниях) — понижается. Кроме того, в костном мозге могут возникать патологические процессы, основной признак которых — увеличение молодых (несозревших) клеточных элементов крови.

Знаете ли вы, что …

— в крови 35 миллиардов лейкоцитов, 1250 миллиардов тромбоцитов и 25 000 миллиардов эритроцитов. Если все лейкоциты выложить в ряд, получится линия, длиной 525 км, если выложить в ряд тромбоциты — 2500 км (расстояние от Парижа до Москвы), а эритроциты — 175 000 км (4 раза можно опоясать земной шар);

— ежесекундно в кровь просачивается 2-3 миллиона эритроцитов, и столько же эритроцитов погибает, прожив 4 месяца.

В медицине применяют различные методы исследования крови (некоторые приведены в разделе 2.1.2, которые позволяют установить характер изменений состава крови, даже на самых ранних этапах болезни у людей, не считающих себя больными.

	Исследования крови врачи советуют проводить каждому человеку с частотой 1 раз в год при профилактических осмотрах.

Наш организм постоянно испытывает воздействия самых разнообразных и изменчивых внешних факторов. Так и свойства крови не только зависят от исходного состояния нашего организма, возраста, наличия какого-либо заболевания и его характера, но и определяются также климатом, в котором живет человек.

Сначала скажем, что кровь, как жидкая среда, подчиняется определенным физическим законам и имеет определенные режимы течения. При упорядоченном течении кровь перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. При увеличении скорости течения (например при мышечной работе), в области сужения сосудов (например при образовании атеросклеротической бляшки) или при понижении вязкости крови (при выраженной анемии) происходит интенсивное перемешивание слоев жидкости, в потоке возникают многочисленные вихри. Подобное течение связано с дополнительной затратой энергии, поэтому в кровеносной системе это может привести к дополнительной нагрузке на сердце.

Внешние воздействия также способны изменить реологические свойства крови. К примеру, доказано, что колебания барометрического давления воздуха понижают насыщение крови кислородом, создается эффект так называемых барометрических «ям». Изменения солнечной активности и магнитного поля Земли (геомагнитные возмущения и бури) способны повлиять на течение крови. Их действие проявляется за 1-2 дня до перемены погоды. Людям с повышенной метеочувствительностью следует учитывать данные факторы и по возможности с большим вниманием относиться к своему здоровью в подобные неблагоприятные дни.

Так, ученые США установили, что около 7% афроамериканцев могут предчувствовать изменение погоды благодаря изменениям растворимости некоторых белков в крови. При повышении влажности воздуха эритроциты изменяют свою форму, наблюдается нарушение кровообращения, возникают боли сосудистого генеза, предсказывающие, как барометр, к примеру, приближение дождей.

Как уже не раз отмечалось, для того чтобы организм нормально функционировал, ему необходимы постоянные условия существования. Так, белки плазмы поддерживают строгое постоянство концентрации водородных ионов (Н+) на слабощелочном уровне. Активная реакция (рН) артериальной крови составляет 7,4; венозной — 7,35; крайние границы значений — 7,0-7,8. Только при таких ее значениях возможно оптимальное течение большинства биохимических процессов в организме.

Белки крови играют важную роль и в процессах свертывания крови, обеспечивая сохранение жидкого состояния крови, а также способствуют остановке кровотечений при повреждении стенок сосудов. Это защитная реакция, препятствующая потере крови и проникновению в организм болезнетворных организмов.

Если бы в процессе эволюции кровь не «научилась» свертываться, то всякое нарушение герметичности сосудов могло бы привести к полной ее потере. Считается, что потеря 10% крови допустима, 30% — опасна, 50% — смертельна. Вы, наверное, обращали внимание на то, что при мелких ранениях через 3-4 мин кровотечение останавливается, а в ранке видна сгустившаяся кровь. Что же произошло с кровью? Кровь «научилась», оставаясь жидкостью в сосудах, образовывать сгусток при их повреждении. Для этого в организме действует так называемая система гемостаза, обеспечивающая равновесие между процессами свертывания крови и фибринолиза (расщепления фибрина — белка, являющегося основой тромба). Это одна из важнейших биологических систем человека. Схематически работа этой системы представлена на рисунке 1.5.7. Разумеется, на этом рисунке указаны далеко не все участники этого сложнейшего процесса. Только плазменных (присутствующих в плазме) факторов свертывающей системы насчитывается около 20, а ведь есть еще и клеточные (тромбоцитарные, эритроцитарные, лейкоцитарные, эндотелиальные), в том числе противодействующие названным активаторы и ингибиторы. Факторы свертывающей системы крови участвуют в процессе образования тромбопластина, а также, в комплексе с тромбопластином и в присутствии ионов кальция, в превращении неактивного белка протромбина в активный фермент тромбин.

Рисунок 1.5.7. Динамическое равновесие систем свертывания крови и фибринолиза:

1 — стенка кровеносного сосуда; 2 — повреждение стенки сосуда; 3 — тромбоциты; 4 — адгезия и агрегация тромбоцитов; 5 — тромб; 6 — факторы свертывающей системы

Как можно видеть на данном рисунке, в основе свертывания крови лежит превращение растворимого белка плазмы фибриногена в плотный белок — фибрин. К числу агентов процесса относятся ионы кальция и протромбин. Если к свежей крови добавить небольшое количество щавелевокислого или лимоннокислого натрия (натрия цитрата), то свертывания не наступит, так сильно эти соединения связывают ионы кальция. Этим пользуются при хранении донорской крови. Другое вещество, которое требуется для нормального протекания процесса свертывания крови — упомянутый ранее протромбин. Этот белок плазмы вырабатывается в печени, причем для его образования необходим витамин К. Перечисленные выше компоненты (фибриноген, ионы кальция и протромбин) всегда присутствуют в плазме крови, но в нормальных условиях кровь не свертывается.

Дело в том, что процесс не может начаться без еще одного компонента — тромбопластина — ферментного белка, содержащегося в тромбоцитах и в клетках всех тканей организма. Если порезать палец, то из поврежденных клеток высвобождается тромбопластин. Тромбопластин выделяется также из тромбоцитов, разрушающихся при кровотечении. При взаимодействии в присутствии ионов кальция тромбопластина с протромбином, последний расщепляется и образует фермент тромбин, который превращает растворимый белок фибриноген в нерастворимый фибрин. Важную роль в механизме прекращения кровотечений играют тромбоциты. До тех пор, пока сосуды не повреждены, тромбоциты не прилипают к стенкам сосудов, но при нарушении их целостности или появлении патологической шероховатости (например атеросклеротической бляшки) они оседают на поврежденной поверхности, склеиваются друг с другом и высвобождают вещества, стимулирующие свертывание крови. Так образуется сгусток крови, который при разрастании превращается в тромб.

Процесс тромбообразования представляет собой сложную цепочку взаимодействий различных факторов и состоит из нескольких этапов. На первом этапе происходит образование томбопластина. В этой фазе принимают участие ряд плазменных и тромбоцитарных факторов свертывания крови. Во второй фазе тромбопластин в комплексе с VII и X факторами свертывания крови и в присутствии ионов кальция превращают неактивный белок протромбин в активный фермент тромбин. В третьей фазе растворимый белок фибриноген (под действием тромбина) превращается в нерастворимый фибрин. Нити фибрина, сплетенные в густую сеть, с захваченными тромбоцитами образуют сгусток — тромб — закрывающий дефект кровеносного сосуда.

Жидкое состояние крови в нормальных условиях поддерживает противосвертывающее вещество — антитромбин. Он вырабатывается в печени, и его роль заключается в нейтрализации небольших количеств тромбина, появляющихся в крови. Если все же образование сгустка крови произошло, то начинается процесс тромболиза или фибринолиза, в результате чего тромб постепенно растворяется, и проходимость сосуда восстанавливается. Если снова посмотреть на рисунок 1.5.7, а точнее, на его правую часть, то можно увидеть, что разрушение фибрина происходит под действием фермента плазмина. Этот фермент образуется из своего предшественника плазминогена под действием определенных факторов, называемых активаторами плазминогена.

Таким образом, гемостаз (остановка кровотечения) в организме обеспечивают две системы — тромбообразующая (свертывающая) и тромболитическая (фибринолитическая — растворяющая фибрин). Обе они находятся в динамическом равновесии и вместе выполняют одну из важнейших защитных биологических реакций человека — сохранять текучесть крови в сосудах и вызывать образование сгустка при их повреждении.

Нарушения в любом из звеньев этих систем могут привести к спонтанным кровотечениям в случае снижения свертываемости крови, если свертываемость патологически повышается — к образованию тромба и закупорке сосуда. Тогда мы прибегаем к помощи лекарств. Подробная информация о препаратах, используемых для лечения заболеваний крови, представлена в главе 3.6.

Источник