Строение гемоглобина его виды

Гемоглобин — сложный железосодержащий белок, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. 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.

Строение гемоглобина

Гемоглобин является сложным белком класса хромопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает особая пигментная группа, содержащая химический элемент железо — гем. Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц. 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 A-H (От N-конца к C-концу). Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа (II). Эта простетическая группа нековалентно связана 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 других координационных позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93 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 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 легких 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 моноксид углерода, вступая с кислородом в «конкурентную борьбу» за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин. Связь моноксида углерода с гемоглобином более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с моноксидом 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 гемоглобина

Для связывания кислорода с гемоглобином характерна кооперативность: после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается. 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 аномалия гемоглобина, приводящая к серповидно-клеточной 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 высоко токсичен 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 селезенкой и макрофагами тканевой ретикуло-эндотелиальной системы и обезвреживается. Другой частью гемоглобинообезвреживающей системы является белок гемопексин, 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 желчных пигментов, или выпускается в рециркуляцию в комплексе с трансферрином для повторного использования костным мозгом в процессе эритропоэза.

Определение гемоглобина в крови – клиническое исследование, направленное на измерение количества белка эритроцитов, отражающего состояние кислородного обмена между легкими и тканями организма. Исследование концентрации гемоглобина проводится в рамках общего анализа крови, при интерпретации результатов учитываются другие показатели. Данные используются для определения тяжести анемии, полицитемии, оценки эффективности терапии этих заболеваний, а также для мониторинга состояния здоровья, для подготовки к операциям. Забор крови производится из капилляров или вены, анализ выполняется колориметрическим методом.

Гемоглобин – хромопротеин, входящий в состав эритроцитов. По своей структуре он относится к сложным белкам, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представлена гемом – пигментным компонентом и глобином – аминокислотной цепью с атомом железа. Основной функцией гемоглобина является перенос кислорода от легких к тканям. Четвертичная структура белка обеспечивает способность к присоединению и отщеплению молекул О2. В норме единица гемоглобина способна транспортировать 4 атома кислорода, такой комплекс называется оксигемоглобином. Из тканей гемоглобин берет водород и углекислый газ, переносит их к легким. Такие комплексы называются дезоксигемоглобином. Оксигемоглобин и дезоксигемоглобин – две устойчивые формы белка, которые присутствуют в составе эритроцитов в норме.

Если гемоглобин связывается с окисью углерода (CO), образуется стабильный комплекс карбоксигемоглобин, который неспособен переносить кислород. Такое патологическое состояние наблюдается при отравлении углекислым газом. При некоторых наследственных заболеваниях, отравлении окисью азота, цианидом железо гемоглобина меняет валентность – образуется метгемоглобин, неспособный присоединять к себе молекулы кислорода. При сниженном уровне нормальных форм гемоглобина в крови развивается анемия – состояние, при котором ткани организма не снабжаются достаточным количеством кислорода, что приводит к утомляемости, слабости, снижению функций практически всех органов. Кроме этого, недостаток гемоглобина может быть связан с низким уровнем эритроцитов, вызванным их усиленным разрушением, уменьшением производства в красном костном мозге или потерей в результате кровотечений.

Таким образом, уровень гемоглобина в крови – показатель анемии. Материалом для анализа является венозная кровь. Наиболее распространенный метод исследования концентрации гемоглобина – колориметрия. Результаты находят применение во многих сферах медицинской практики, наиболее востребованы в терапии, педиатрии, гематологии, нефрологии и хирургии.

Показания

Тест на гемоглобин в крови часто выполняется в рамках общего анализа крови при профилактических обследованиях, медицинских осмотрах в учебных учреждениях, в армии, на производстве. Результаты выявляют анемию и риск ее развития, позволяют провести необходимую дополнительную диагностику, мероприятия по предупреждению болезни и ее устранению на ранних этапах. Кроме этого, исследование гемоглобина в крови показано при симптомах анемии – когда пациент быстро устает, легко утомляется, постоянно чувствует сонливость, испытывает головную боль, головокружения, не высыпается, не может сконцентрироваться на работе, с трудом запоминает новую информацию, чувствует покалывание и онемение в руках и ногах. При осмотре определяется бледность кожных покровов, трещинки в уголках губ, сухость и тусклость волос, боли в области языка.

При проведении общего анализа крови показатель гемоглобина выявляет анемию при различных состояниях и заболеваниях: при кровопотерях, в том числе менструальных, при недостатке витамина B12 и фолиевой кислоты, при хронической форме почечной недостаточности, болезни Крона, гипотиреозе, глютензависимой энтеропатии, гастрите и язве желудка, онкологических поражениях, патологиях крови и т. д. Поэтому список показаний для определения уровня гемоглобина в крови очень широк. В редких случаях основанием для проведения исследования становятся симптомы, характерные для повышенного уровня гемоглобина в крови. Такое состояние называется полиглобулией и проявляется покраснением кожи, посинением области носогубного треугольника, головными болями и головокружениями, снижением зрения, чувством тяжести в области подреберья, одышкой, кожным зудом.

Анализ на гемоглобин в крови определяет наличие анемии и ее выраженность, но не указывает на причину. Для более полного обследования дополнительно назначается тест на ферритин, железо сыворотки крови, трансферрин, эритропоэтин, ОЖСС. При интерпретации результатов учитываются такие показатели общего анализа крови как уровень эритроцитов, эритроцитарные индексы (MCV, MCH, MCHC), гематокрит, СОЭ. Преимуществом теста на гемоглобин является его доступность и экономичность процедуры исследования – анализ выполняется в любой лаборатории, подготовка результатов занимает не больше 1 дня.

Подготовка к анализу

Забор крови для определения уровня гемоглобина выполняется с утра. Между последним приемом пищи и процедурой рекомендуется выдержать 8-12 часов. Допустимо сдавать кровь спустя 4-6 часов после легкого перекуса. За 1 день до анализа важно воздержаться от употребления алкоголя. Последние полчаса нужно провести в спокойной обстановке, без физической и эмоциональной нагрузки, отказавшись от курения. За несколько дней до анализа стоит обсудить с врачом необходимость отмены принимаемых лекарственных препаратов.

Уровень гемоглобина определяется в крови, взятой из капилляров или из вены. В первом случае производится прокол безымянного пальца, во втором – пункция локтевой вены. В настоящее время в лабораториях используются колориметрические методы исследования: гемиглобинцианидный (HbCN), гемихромный (HbChr) и гемиглобиназидный (HbN3). Их суть заключается в том, что гемоглобин взаимодействует с реагентом, в результате чего образуется окрашенное соединение. По оптической плотности полученной смеси рассчитывается концентрация исследуемого белка. Анализ выполняется в течение 1 рабочего дня.

Нормальные значения

Нормальный уровень гемоглобина у юношей старше 16 лет и мужчин составляет 135-160 г/л. У женщин показатели распределяются в коридоре от 120 до 140 г/л, причем в начале менструального цикла они приближаются к нижней границе, в середине и в конце – к верхней. В детском возрасте нормальные показатели гемоглобина постоянно изменяются, определять их нужно индивидуально. У новорожденных в первые три дня концентрация белка колеблется от 145 до 225 г/л. Затем она постепенно снижается:

• 3-7 дней – от 135 до 215 г/л; 
• 1-2 недели – от 125 до 205 г/л; 
• 2-4 недели – от 100 до 180 г/л; 
• 1-3 месяца – от 90 до 140 г/л; 
• 3-6 месяцев – от 95 до 135 г/л; 
• с 6 до 12 месяцев – от 100 до 140 г/л; 
• 1-2 года – от 105 до 145 г/л; 
• 2-7 лет – от 110 до 150 г/л; 
• 7-16 лет – от 115 до 155 г/л. 

Как видно из приведенных норм, в период новорожденности уровень гемоглобина наиболее высок. По своим свойствам этот белок отличается от гемоглобина у взрослых людей, его называют фетальным. При отсутствии нарушений со стороны системы крови в течение первого года жизни он полностью исчезает. Концентрация гемоглобина в крови растет при кислородном голодании, связанном с подъемом на большую высоту или с курением. Физиологическое понижение уровня белка происходит во время беременности, при соблюдении вегетарианской диеты, сразу после забора крови для анализа.

Повышение гемоглобина

Причиной полиглобулии или повышенного уровня гемоглобина в крови может стать истинная полицитемия – болезнь, при которой опухолевые клетки в красном костном мозге вырабатывают избыточное количество эритроцитов. Такая патология чаще диагностируется в пожилом и старческом возрасте. Концентрация эритроцитов, а, следовательно, и гемоглобина, увеличивается при вторичной полицитемии. Она развивается при кислородном голодании, вызванном патологиями сердечно-сосудистой или дыхательной системы – хронической обструктивной болезнью легких, эмфиземой, пневмокониозом, артериовенозными фистулами, врожденным пороком сердца и т. д.

При заболеваниях почек причиной повышенного уровня гемоглобина в крови становится усиленная выработка эритропоэтина – вещества, усиливающего производство эритроцитов в красном костном мозге. Увеличение показателей анализа определяется при раке почки, гипернефроме, поликистозе почек. После удаления селезенки некоторое повышение уровня гемоглобина связано с более долгим сроком жизни эритроцитов, при обезвоживании – со сгущением крови, повышением гемоконцентрации.

Снижение гемоглобина

Одной из наиболее распространенных причин снижения уровня гемоглобина в крови являются анемии. Заболевания этой группы различны по происхождению, но для всех них характерно недостаточное снабжение тканей кислородом. В основе нарушения транспортной функции эритроцитов может лежать дефицит железа, фолиевой кислоты и/или витамина B12, усиленный распад красных кровяных телец, длительные воспаления в организме, приводящие к задержке железа в тканях, гипотиреоз, нарушение производства гемоглобина. К другим причинам снижения уровня гемоглобина в крови относятся острые и хронические кровотечения, заболевания соединительной ткани, хронические болезни почек, цирроз печени, нарушение функций щитовидной железы, распад эритроцитов на фоне инфекций и отравлений некоторыми видами ядов.

Лечение отклонений от нормы

Тест на гемоглобин входит в состав общего анализа крови. Он является простым и доступным методом первичного выявления анемий, полицитемий, состояний кислородного голодания. В клинической практике часто используется в рамках скрининговых и профилактических обследований. С результатами анализа необходимо обратиться к врачу – к терапевту, педиатру, гематологу или другому специалисту, направившему на обследование. Чтобы избежать физиологического повышения или снижения уровня гемоглобина, нужно полноценно питаться, употребляя источники железа, витамина B12, фолиевой кислоты, а также отказаться от курения, физических нагрузок, не соответствующих уровню подготовленности.