Гемоглобин в жизни позвоночных

Какую роль в организме играет гемоглобин и что значит, если он повышен или понижен?

Цифры напротив символа Hb, или гемоглобина, в бланке с результатами общего анализа крови могут раскрыть врачу причины низкого давления, головокружения, судорог ног пациента, а также оповестить о надвигающихся серьезных угрозах. Своевременное выявление отклонений и приведение концентрации гемоглобина в норму позволит избежать серьезных проблем со здоровьем. Речь идет о снижении рисков инфарктов и инсультов у людей в возрасте, патологий развития детей, ухудшения состояния матери и плода во время беременности.

Что такое гемоглобин и каковы его функции

Гемоглобин (Hb) — сложный железосодержащий белок, содержащийся в эритроцитах (красных кровяных тельцах) крови и частично присутствующий в свободном виде в плазме. Именно он осуществляет перенос кислорода от легких к клеткам и углекислого газа — в обратном направлении. Если говорить образно, то эритроцит — это своеобразное грузовое судно, курсирующее по кровяному руслу, а молекулы гемоглобина — контейнеры, в которых транспортируется кислород и углекислый газ. В норме один эритроцит вмещает порядка 400 млн молекул гемоглобина.

Участие в газообмене — важнейшая, но не единственная функция «кровяных шаров» (от греч. haima — «кровь» + лат. globus — «шар»). Благодаря своим уникальным химическим свойствам гемоглобин является ключевым элементом буферной системы крови, поддерживающим кислотно-щелочной баланс в организме. Hb связывает и выводит на клеточном уровне кислые соединения (препятствует ацидозу — закислению тканей и крови). А в легких, куда он поступает в форме карбгемоглобина (HbCO2), за счет синтеза углекислоты предотвращает противоположный процесс — защелачивание крови, или алкалоз[1].

Производная Hb — метгемоглобин (HbOH) — обладает еще одним полезным свойством: прочно связывать синильную кислоту и другие токсичные вещества. Таким образом, железосодержащий белок принимает удар на себя и снижает степень отравления организма[2].

Итак, гемоглобин крайне важный элемент жизнедеятельности и патологическое уменьшение его концентрации (анемия или малокровие) может спровоцировать в лучшем случае ломкость ногтей и волос, сухость и шелушение кожи, мышечные судороги, тошноту и рвоту, головокружение. Острая же форма анемии вызывает кислородное голодание клеток, приводящее к обморокам, галлюцинациям и фатальным последствиям — гипоксии мозга, атрофии нервных клеток, параличу дыхательной системы.

Как должно быть в норме

Уровень гемоглобина в нашей крови может несколько увеличиваться и уменьшаться по естественным причинам. Обновление гемоглобина связано с жизненным циклом эритроцита, к которому он прикреплен. Так, примерно каждые 120 дней часть молекул гемоглобина вместе с эритроцитами отправляется в печень — на расщепление и после вновь синтезируется, присоединяясь к свободному эритроциту[3].

Количество гемоглобина зависит от возраста и пола, меняется в процессе вынашивания и рождения ребенка[4].

На гемоглобин также оказывают влияние специфические условия труда или проживания (например, повышенные показатели бывают у пилотов и жителей гористой местности), приверженность вегетарианству и донорство (эти факторы, напротив, снижают гемоглобин)[5].

Согласно рекомендациям ВОЗ[6], нормой гемоглобина считается:

  • для детей от полугода до 5 лет — 110 г/л и выше;
  • для детей 5–11 лет — 115 г/л и больше;
  • для детей 12–14 лет, а также девушек и женщин (15 лет и старше) — 120 г/л и выше;
  • для мужчин (15 лет и старше) — 130–160 г/л.

Беременным женщинам, обеспечивающим минералами (в том числе железом) себя и малыша, важно следить, чтобы уровень гемоглобина не падал ниже 110 г/л. Отметим, что, по данным ВОЗ, железодефицитная анемия (ЖДА) диагностируется у 38,2% беременных на планете[7]. Дефицит молекул гемоглобина может возникнуть после 20-й недели «интересного положения»: из-за увеличения объема циркулирующей крови, растущих потребностей плода, уменьшения поступления и всасывания железа вследствие токсикоза и расстройств ЖКТ. В это время женщину может мучить слабость, головокружение, одышка даже при непродолжительной ходьбе, судороги нижних конечностей. Опасное следствие острых форм ЖДА — преждевременные роды, задержки в развитии плода.

Кстати, необычные вкусовые запросы беременных (вплоть до анекдотичных, таких как салат из жареной клубники и селедки) порой тоже связаны с потребностью в железе для синтеза гемоглобина. Роды, сопровождающиеся потерей крови, ведут к дополнительному понижению гемоглобина. В целом от зачатия до появления ребенка на свет организм женщины утрачивает порядка 700 мг железа, еще 200 мг — за период лактации[8]. На восстановление запасов требуется не менее трех лет.

Виды анализов на гемоглобин

Подсчет числа молекул гемоглобина производится при общем анализе крови. Помимо количества белка (строка Hb), в бланке анализа могут указать MCH/MCHC, что соответствует среднему содержанию/концентрации гемоглобина в эритроците. Это уточнение позволяет подсчитать полезный железопротеин и исключить из расчета аномальные, нестабильные формы гемоглобина, не способные переносить кислород.

Читайте также:  Продукты которые хорошо поднимают гемоглобин

Для измерения гемоглобина во внелабораторных условиях — в машинах скорой помощи или при проведении профилактических выездных осмотров — применяются специальные гемоглобинометры. Это портативные приборы, в которые помещается кровь с реагентом для фотометрического автоматического определения количества гемоглобина.

Для массового тестирования на анемию в странах третьего мира ВОЗ разработала малозатратный колорометрический метод исследования. При колориметрии каплю крови наносят на специальную хроматографическую бумагу и сопоставляют ее со шкалой цветов, соответствующих разным показателям гемоглобина с шагом 20 г/л[9].

Уровень гликированного гемоглобина определяется и при биохимическом анализе венозной крови. Цель исследования в данном случае — определение глюкозы в крови, которая образует прочное соединение с гемоглобином и лишает его возможности транспортировать кислород. Показатель важен для диагностики сахарного диабета и оценки эффективности его лечения.

Чем опасен повышенный гемоглобин в крови

Высокий гемоглобин может быть вызван объективной нехваткой кислорода, стимулирующей организм на увеличенное производство этого белка крови. Подобная патология часто фиксируется у экипажей воздушных судов и часто летающих пассажиров, жителей высокогорья, альпинистов, горнолыжников. В силу большей потребности в кислороде повышенный уровень гемоглобина свойственен профессиональным спортсменам, преимущественно лыжникам, легкоатлетам, борцам, тяжелоатлетам. Это физиологический механизм компенсации, не вызывающий никаких медицинских опасений (кавказское долголетие — яркий тому пример).

Повысить гемоглобин может и пагубная привычка: во время курения человек вдыхает меньше кислорода, чем требуется, и организм реагирует на это выработкой дополнительного гемоглобина.

К сожалению, повышенный гемоглобин может указывать и на патологии системы кроветворения: эритроцитоз, рак крови, обезвоживание организма, порок сердца и легочно-сердечную недостаточность, а также на непроходимость кишечника[10].

Увеличенное количество гликированного гемоглобина отмечается при сахарном диабете: часть молекул Hb «перетягивает» на себя глюкозу, и для нормального дыхания требуются добавочные кислородные «контейнеры»[11].

Повышенный свободный гемоглобин в плазме фиксируется и при ожоговых поражениях вследствие разрушения эритроцитов с высвобождением из них гемоглобина[12].

Опасность высокого гемоглобина (+20 г/л от нормы и более) заключается в сгущении и увеличении вязкости крови, приводящему к образованию тромбов. Тромбы, в свою очередь, могут вызвать инсульт, инфаркт, кровотечение в ЖКТ или венозный тромбоз[13].

Гемоглобин ниже нормы: что это значит и к чему приводит

Железо — один из самых распространенных и легко добываемых химических элементов на Земле. При этом, как ни парадоксально, от дефицита железа в организме страдает больше людей, чем от какого-либо другого нарушения здоровья[14]. В группе риска население из низких социальных слоев, не получающее достаточного количества железа из продуктов питания, женщины репродуктивного возраста и дети, то есть люди, у которых «приход» элемента меньше «расхода».

Причиной низкого уровня гемоглобина (минус 20 г/л от нормы и более) зачастую являются скудное или несбалансированное питание — недостаточное поступление железа и меди, витаминов A, С и группы B или употребление железосодержащей пищи совместно с цинком, магнием, хромом или кальцием, которые не позволяют Fe усваиваться[15].

Низкие показатели могут наблюдаться у вегетарианцев, т.к. негемовое железо из растительной пищи усваивается намного хуже, чем гемовое, источником которого служат продукты животного происхождения[16].

Смежная причина — наличие кишечных паразитов, которые перехватывают поступающие микроэлементы и витамины. Усвоению железа могут также мешать проблемы с желудочно-кишечным трактом.

Заметное снижение уровня гемоглобина сопровождает кровопотери, вызванные ранениями, оперативным вмешательством, менструацией, кровотечениями, возникающими во время родов и абортов, а также при донации крови и ее компонентов.

На уровень гемоглобина влияют и скрытые кровопотери при патологии ЖКТ (язвы желудка и ДКП), варикозе, миомах и кистах органов женской половой системы, кровоточивость десен.

Причины снижения гемоглобина, возникающие во время беременности и лактации, а также осложнения, к которым они могут привести, мы рассмотрели выше. Длительный железодефицит у мужчин, детей и небеременных женщин имеют сходную симптоматику: ухудшение состояния кожи, ногтей и волос, головокружение, обмороки, онемение рук и ног, беспричинная слабость.

Кислородное голодание вследствие недостатка гемоглобина может привести к ухудшению памяти, замедлению нервных реакций, в запущенной форме — к атрофии клеток мозга и других органов и систем организма.

Усиленное кровообращение (более частый прогон гемоглобина от легких к тканям и обратно) чревато проблемами с сердцем и сосудами: кардиомиопатией и развитием сердечной недостаточности.

Низкий гемоглобин негативно отражается на буферной функции: это значит, что закисление крови подрывает иммунную защиту организма, снижает сопротивляемость простудным и инфекционным заболеваниям.

Наиболее уязвимы перед анемией дети и подростки. Острый дефицит жизненно важного минерала может сказаться на их умственном и физическом развитии[17].

Гемоглобин — незаменимый участник жизнедеятельности, на который возложены важнейшие функции: перенос кислорода и углекислого газа, сохранение кислотно-щелочного баланса, противостояние ядам. Еще одна функция — сигнальная — помогает по отклонению уровня гемоглобина от нормы выявить риски развития патологий и принять контрмеры. Таким образом, контроль и оперативная коррекция уровня гемоглобина — не прихоть врачей, а действенный способ сохранить здоровье.

Источник

Тайна крови: эволюцию гемоглобина воссоздали в пробирке

Биологи выяснили происхождение гемоглобина и синтезировали белки, которые были его предками. Оказалось, что поразительная эффективность этого вещества, сделавшая позвоночных господами планеты, возникла благодаря всего двум ключевым мутациям.

Читайте также:  Гемоглобин в живых организмах

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

Великолепная четвёрка

Все современные наземные позвоночные и почти все морские, за исключением жалкой сотни видов, относятся к группе челюстных. Но выделяются они не только челюстями, но и строением гемоглобина. Он невероятно эффективно справляется с переносом кислорода. Несомненно, это стало одним из главных эволюционных козырей челюстных, позволивших им оккупировать верхние уровни всех пищевых цепей на суше и в море.

Гемоглобин челюстных – белок с характером. Его молекула – это комплекс из четырёх субъединиц, каждая из которых, в общем-то, и сама представляет собой полноценную молекулу белка. Таким образом, наш гемоглобин – это белок, состоящий из других белков.

Таких белков два, и обозначаются они греческими буквами α и β. Каждая молекула гемоглобина в нашей крови состоит из двух молекул α-белка (α-субъединиц) и двух молекул β-белка (β-субъединиц).

При этом все четыре субъединицы связывают или высвобождают кислород одновременно. Так что молекула гемоглобина транспортирует живительный газ по принципу «четыре грузовика по цене одного». Ничего удивительного, что организмы с такой щедрой кислородной логистикой добились господствующего положения на земном шаре.

Удивительная эффективность гемоглобина позволяет нам иметь быстрый обмен веществ.

Потомки индивидуалистов

При этом и α-, и β-белок входят в обширное семейство глобинов. Удивительно, но их ближайшие известные «сородичи» по этому семейству совсем не склонны объединятся в комплексы и брать на себя скромную роль субъединиц. Они предпочитают гордое одиночество. В таком случае когда и как они обрели способность к объединению (за что им огромное спасибо от имени всех челюстных)? До сих пор ответа не было.

Между прочим, эта загадка касается не только гемоглобина. Большинство белков представляют собой комплексы из нескольких субъединиц и только благодаря этому могут выполнять свои биологические функции. И совершенно неизвестно, как и когда молекулы-субъединицы научились подобной кооперации.

И, пожалуй, именно с гемоглобина удобнее всего было начать распутывать эту головоломку.

«Структура и функция гемоглобина изучены лучше, чем, возможно, любой другой молекулы. Но ничего не было известно о том, как они возникли в ходе эволюции, – рассказывает первый автор статьи Арвид Пиллаи (Arvind Pillai) из Чикагского университета. – Это отличная модель [для изучения эволюции белков], потому что компоненты гемоглобина являются частью обширного семейства белков, и их самые близкие «родственники» не образуют комплексов, а функционируют в одиночку».

Отзвуки прошлого

Проанализировав структуру разных глобинов, исследователи восстановили их эволюционное древо. Они исходили из того, что все глобины происходят от общего белка-предка. При этом чем больше похожи друг на друга последовательности аминокислот в двух белках, тем позже разошлись их эволюционные пути. А зная, насколько часто происходят мутации, можно установить и когда произошло это ветвление.

Биологи не просто вычислили структуру белков-предков. Они синтезировали эти вещества и изучили их в эксперименте. Здесь авторам опять-таки помог тот факт, что человечество десятилетиями пристально изучало гемоглобин и накопило целый арсенал методов для этого занятия. Он подошёл и для исследования «воскрешенных» молекул.

«Есть отличные лабораторные инструменты для анализа их свойств», – отмечает Пиллаи.

Эволюционное дерево гемоглобина челюстных согласно новому исследованию.

Захватывающая история из жизни белков

У авторов получилась следующая история из жизни белков. Это быль, но, чтобы облегчить участь читателя, расскажем её в тоне сказки.

Жил-был на свете белок, последний общий предок гемоглобина и миоглобина (исследователи назвали его AncMH). И никаких комплексов ни с кем он образовывать не умел и не хотел.

Но однажды он мутировал, и получился из него белок Ancα/β – последний общий предок α- и β-белков гемоглобина. Две молекулы Ancα/β уже умели образовывать пару друг с другом.

Долго ли, коротко ли, но Ancα/β тоже мутировал. И возникло два новых белка: Ancα и Ancβ. И оказалось, что молекула Ancα так нравится молекуле Ancβ, а та настолько отвечает ей взаимностью, что две эти молекулы могут образовать пару.

До гемоглобина остался лишь один шаг. Ancα и Ancβ снова претерпели каждый свою мутацию. После чего из Ancα получился уже α-белок собственной персоной, а из Ancβ – β-белок. А пара, состоящая из одной молекулы α-белка и одной молекулы β-белка, обрела способность объединиться с другой такой же парой.

Читайте также:  Повышенный гемоглобин крови при беременности

Так и получилась молекула-четвёрка, поныне снабжающая каждого из нас кислородом (в этом месте все челюстные дружно поаплодировали руками, лапами и плавниками).

Три революции в одной

Удивительно, но две мутации, научившие пары Ancα+Ancβ объединяться в четвёрки, привели к ещё одному животворному изменению.

Молекулы всех предшественников нашего современного гемоглобина, включая Ancα и Ancβ, слишком уж страстно сливались в объятиях с молекулой кислорода и неохотно расставались с ней. Поэтому они плохо выполняли свою функцию по снабжению этим веществом клеток.

Мутации, собравшие четыре белка в один, не заменили ни одной аминокислоты в участке молекулы, который соединяется с кислородом. Но когда четыре молекулы объединились, аминокислотная нить буквально натянулась как верёвка. Участок, связывающий кислород, изменил свою форму. В результате белок умерил свой пыл в отношении O2.

Более того, при этом возникла и та самая склонность всех субъединиц присоединять или отдавать кислород одновременно (очень удачно для каждого из нас).

Происходит этот процесс так. Когда одна субъединица соединяется с молекулой кислорода, натяжение аминокислотной нити ослабевает. «Кислородосвязывающий» участок соседней субъединицы возвращает себе исходную форму. Примерно ту самую, которую он имел в жадной до O2 молекуле Ancα или Ancβ. Поэтому эта субъединица тоже сразу же хватает пролетающий мимо кислород. Потом приходит черёд третьей субъединицы, а затем и четвёртой.

Когда приходит время расставаться с добычей, всё происходит в обратном порядке. Достаточно одной субъединице отдать свою молекулу газа, как аминокислотная нить снова натягивается. Форма связывающего кислород участка ближайшей субъединицы меняется, и она уже не настолько крепко держит молекулу O2. Потом та же участь постигает третью и четвёртую субъединицу.

Так и получается наш замечательный гемоглобин. Его молекула состоит из четырёх субъединиц, присоединяющих или отдающих кислород одновременно. И чувство родства с кислородом у него ровно такое, какое выгодно организму. Он охотно забирает этот газ из лёгких или жабр, но при этом послушно отдаёт его нуждающимся клеткам. И всё благодаря двум простым мутациям, научившим пары молекулы объединяться в четвёрку.

Кстати, произошли они более 400 миллионов лет назад, ещё до того, как разделились эволюционные линии человека и акулы.

Эффективный гемоглобин стал эволюционным козырем челюстных позвоночных.

Всемогущая случайность

«Мы были поражены, когда увидели, что такой простой механизм может породить такие сложные свойства, – признаётся глава исследовательской группы Джозеф Торнтон (Joseph Thornton) из Чикагского университета. – Это говорит о том, что во время эволюции скачки в сложности могут происходить внезапно и даже случайно, создавая новые молекулярные объекты, которые в конечном итоге становятся необходимыми для нашей биологии».

Традиционный взгляд на эволюцию, восходящий ещё к Дарвину, заключается в том, что новое не возникает сразу. Мутации, ведущие к кардинальным изменениям в организме, конечно, случаются, но они могут быть только вредными. Получится урод, монстр, который не сможет выжить и размножиться.

Живой организм настолько сложен, говорят сторонники этой позиции, что любое крупное изменение нарушит какой-нибудь важный процесс. Изменить живое и при этом оставить его живым можно только в мелочах. Конечно, мелкие изменения постепенно накапливаются, рано или поздно меняя организм до неузнаваемости. Но нужны целые эпохи, чтобы потомок перестал походить на предка.

Между тем восстановленная авторами история гемоглобина убедительно демонстрирует, что иногда ключевые изменения происходят скачком, за одну-две мутации. Кстати, это далеко не единственный пример того, как изменения в небольшом числе генов обеспечивают эволюционные прорывы. Так что, хотя эволюция действительно чаще всего работает через накопление небольших изменений, иногда случаются стремительные революции.

Другой урок этого исследования, пожалуй, в том, насколько нынешний облик всей биосферы определяется произошедшими когда-то случайностями.

«Представьте себе, если эти две мутации никогда не произошли <…>, – фантазирует Торнтон. – Гемоглобин в том виде, в котором мы его знаем, не эволюционировал. А вместе с ним многие последующие инновации, которые требуют эффективного транспорта кислорода, такие как быстрый обмен веществ и способность достигать гораздо больших размеров и двигаться гораздо быстрее, чем наши древние морские предки».

Впрочем, как ни удивительно, ключевые эволюционные прорывы нередко происходят независимо в разных эволюционных линиях. Например, животные и растения стали многоклеточными независимо друг от друга. Так что было бы слишком опрометчиво утверждать, что без этих двух мутаций позвоночные так и остались бы мелкими и медлительными морскими созданиями с неэффективным дыханием. Возможно, случились бы какие-то другие изменения в белках, решившие проблему доставки кислорода. Но, вероятно, жизнь в этом случае была бы совсем не похожа на ту, частью которой мы являемся.

К слову, ранее «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) рассказывали об эволюционной истории другого ключевого изобретения живых организмов – фотосинтеза.

Источник