Гемоглобин. Гемоглобин, строение и биологичесая роль, нарушений функций
 Скачать 45.54 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО НГМУ Минздрава России) Кафедра медицинской химии Реферат по теме ГЕМОГЛОБИН, СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСАЯ РОЛЬ, НАРУШЕНИЙ ФУНКЦИЙ Выполнил(а): студентка 1 курса Лечебного факультета специальности «Лечебное дело», 18 группы Пузанова Мария Даниловна Проверила: Ассистент, старший лаборант, Гошко Наталья Валерьевна Новосибирск-2020 Содержание Введение………………………………………………………………………..3 Строение гемоглобина………………………………………………………3-5 Формы гемоглобина…………………………………………………………5-6 Производные гемоглобина 4.1. Оксигемоглобин………………………………………………………...6-7 4.2. Карбоксигемоглобин…………………………………………………...7-8 4.3. Карбгемоглобин…………………………………………………………..8 Миоглобин…………………………………………………………………...8-9 Биологическая роль гемоглобина…………………………………………….9 Нарушения обмена гемоглобина………………………………………...10-11 Нарушения биосинтеза гема. Порфирии………………………………..11-13 Желтухи……………………………………………………………………….13 Повышение уровня гемоглобина………………………………………..13-14 Анемия………………………………………………………………………..14 Биомедицинское значение…………………………………………………..15 Вывод…………………………………………………………………………15 Список литературы………………………………………………………….16 Введение Гемоглобин, Hb (haemoglobinum; греч. haima кровь + лат. globus шарик),— гемопротеид, сложный белок, относящийся к гемсодержащим хромопротеидам; осуществляет перенос кислорода от легких к тканям и участвует в переносе углекислого газа от тканей в органы дыхания. Гемоглобин содержится в эритроцитах всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие), а также в корневых клубеньках некоторых бобовых растений. Мол. вес (масса) Гемоглобина эритроцитов человека равен 64 458; в одном эритроците находится ок. 400 млн. молекул гемоглобина. В воде гемоглобин хорошо растворим, нерастворим в спирте, хлороформе, эфире, хорошо кристаллизуется (форма кристаллов гемоглобина различных животных неодинакова). 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. Формы гемоглобина В эритроцитах человека обнаружено несколько форм гемоглобина, отличающихся друг от друга белковой частью - количеством или качественным составом аминокислот, входящих в состав глобина. Нормальными формами гемоглобина являются: Нв А (adult- взрослый) - 22 Нв А2 - 22 Нв F (foеtus- плод) - 22 Нв Р - 22 -цепи присутствуют в молекуле гемоглобина на протяжении всей жизни человека. На ранних стадиях эмбрионального развития они соединяются с -цепями (22) с образованием Нв Р - примитивного гемоглобина; у трёхмесячного эмбриона гемоглобин Р заменяется на гемоглобин F. Нв F состоит из двух - и двух -цепей (22). В -цепи содержится 141 аминокислотный остаток, из которых 37 отличаются от гемоглобина А. Характерными его особенностями являются высокое сродство к кислороду, однако меньшая продолжительность жизни. К моменту рождения Нв F составляет до 80% всего гемоглобина, но к концу первого года жизни практически полностью заменяется на Нв А и у взрослого на долю Нв F приходится лишь 1,5%. Помимо Нв А в крови содержится 2,5% Нв А2 (22). Наряду с нормальными различают мутантные или патологические формы гемоглобина. В настоящее время известно около 150 мутантных 6 форм и поэтому для их обозначения используются как буквы латинского алфавита, так и названия тех мест, где они были впервые обнаружены (Нв «Волга», Нв «Канзас», Нв «Бостон» и т.д.). Эти формы появляются в крови отдельных людей в результате точечных мутаций и отличаются от нормальных заменой одной или нескольких аминокислот в белковой части гемоглобина, величиной заряда, формой и другими признаками. Производные гемоглобина Производными гемоглобина называются продукты его взаимодействия с различными лигандами. К ним относятся: оксигемоглобин, карбоксигемоглобин, метгемоглобин, карбгемоглобин. 4.1. Оксигемоглобин Оксигемоглобин (НвО2) - соединение гемоглобина с молекулярным кислородом. Основная функция гемоглобина - перенос кислорода от лёгких к тканям. Кислород мало растворим в воде. Один литр крови без гемоглобина способен связать лишь 3 мл кислорода, а в присутствии Нв эта способность повышается в 60-70 раз. Учитывая, что 1 г гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода, а в 100 мл крови содержится 13-16 г гемоглобина и он насыщается кислородом на 96%, 100 мл крови будет содержать 15 х 1,34 х 96/100 =19,3 мл О2/100 мл крови. Образование оксигемоглобина сопровождается кооперативным эффектом, который заключается в том, что связывание кислорода одной из субъединиц облегчает его присоединение к последующим. Это обусловлено тем, что при взаимодействии кислорода с первой субъединицей изменяется её конформация, что приводит к последовательному изменению конформации и других субъединиц, в результате чего они приобретают более высокое сродство к кислороду. При присоединении кислорода субъединицы поворачиваются друг относительно друга, в результате чего их гемы сближаются, расстояние между ними уменьшается; при распаде же оксигемоглобина расстояние между -цепями вновь увеличивается. Поэтому М.Перутц (США) даже назвал гемоглобин «дышащей» молекулой. Оксигемоглобин доставляется с током артериальной крови к тканям, где происходит его диссоциация. Способствуют распаду оксигемоглобина в тканях низкое парциальное давление кислорода, повышенная по сравнению с лёгкими температура, а также более низкое значение рН среды. 4.2. Карбоксигемоглобин Карбоксигемоглобин (НвСО) - соединение гемоглобина с угарным газом. Сродство гемоглобина к угарному газу в 200 раз выше, чем к кислороду. Поэтому даже при концентрации 0,05% СО во вдыхаемом воздухе 50% гемоглобина переходит в НвСО, а при образовании 70% НвСО наступает смерть. Разложение НвСО протекает в 30 раз медленнее, чем диссоциация оксигемоглобина. Поэтому труп человека, отравившегося угарным газом, долгое время сохраняет розовый цвет, т.к образовавшийся НвСО не восстанавливается в гемоглобин. Метгемоглобин (НвОН). Образование метгемоглобина происходит в месте ушибов, а также при соприкосновении крови с воздухом (заборе крови, гематурии). В норме около 0,5% гемоглобина в крови превращается в метгемоглобин, однако концентрация его в крови не превышает 1 г %, так как под влиянием метгемоглобинредуктазы с участием НАДН2 он вновь переходит в гемоглобин. 4.3. Карбгемоглобин Карбгемоглобин (НвСО2) - соединение гемоглобина с углекислым газом. В отличие от всех остальных производных СО2 присоединяется не к гему, а к белковой части по типу образования карбаминовой кислоты. Карбгемоглобин имеет темную краску, обуславливая цвет венозной крови. Выполняет транспортную функцию, осуществляя перенос части СО2, образовавшегося в тканях, к легким. Миоглобин Миоглобин - мышечный гемоглобин (пигмент красных мышц) – является типичным гемопротеином, содержащимся преимущественно в тех мышцах, которые выполняют большой объём работы (сердечной, жевательных), мышцах диких животных, а также ныряющих млекопитающих (моржей, тюленей). Миоглобин выполняет 2 основные функции: депонирует кислород в мышцах, являясь его резервным источником; облегчает транспорт кислорода в мышечные клетки. миоглобин отличается следующими особенностями: молекула миоглобина состоит из одного гема и одной полипептидной цепи из 153 аминокислотных остатков; пептидная цепь характеризуется высокой степенью -спирализованности (до 75%), напоминает «длинную колбасу», причудливо скрученную в пространстве. Все -спирали являются правозакрученными ; связывание миоглобином кислорода не сопряжено с кооперативным эффектом; миоглобин имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин и легче с ним связывается, т.к. не регулируется 2,3-ДФГ; диссоциация оксимиоглобина не связана с эффектом Бора и 11 протекает быстро в первые 3-10 сек после сокращения мышцы; к СО миоглобин проявляет меньше сродства, чем гемоглобин; меньше образуется и метмиоглобина. Из мышц миоглобин поступает в кровь, где в отличие от гемоглобина, не соединяется с гаптоглобином и появляется в моче, увеличиваясь при тяжелой физической работе (маршевая миоглобинурия), а также при инфаркте миокарда. Биологическая роль гемоглобина В организме Hb выполняет следующие биологические функции: 1. Транспортно-дыхательную: перенос кислорода (02) из легких к периферическим тканям; перенос углекислого газа (С02) и катионов водорода от периферических тканей к дыхательным органам для последующего выведения из организма. 2. Буферную в поддержании кислотно-основного равновесия крови. Буферная система, создаваемая НЬ, способствует сохранению pH крови в определенных пределах: гемоглоби- новый буфер является самым мощным буфером крови (= 75% от общей буферной емкости крови). Нарушения обмена гемоглобина 1. Гемоглобинопатии -наследственные изменения структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина вследствие точечных мутаций генов. Известно около 300 вариантов HbA, имеющих в первичной структуре α- или β-цепи незначительные изменения. Некоторые из них практически не влияют на функции белка и здоровье человека, другие – вызывают значительные нарушения функции HbA и развитие заболеваний различной степени тяжести. В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты: находящиеся на поверхности белка; участвующие в формировании активного центра; аминокислоты, замена которых нарушает трехмерную конформацию молекулы; аминокислоты, замена которых изменяет четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства. Аномальные гемоглобины отличаются от HbA по первичной структуре, форме, величине заряда. При этом изменяются такие свойства как сродство к кислороду, растворимость, устойчивость к денатурации и др. Примеры. Серповидноклеточная анемия. Наследственное заболевание, связанное с заменой глутаминовой кислоты в 6-м положении (с N-конца) на валин в β-цепях молекулы гемоглобина S. Растворимость дезоксигемоглобина S значительно снижена. Его молекулы начинают «слипаться», образуя волокнистый осадок, который деформирует эритроцит, придавая ему форму серпа (полумесяца). Такие эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, закупоривают сосуды и создают локальную гипоксию. Они быстро разрушаются и возникает гемолитическая анемия. Дети, гомозиготные по мутантному гену, часто умирают в раннем возрасте. Болезнь распространена в странах Южной Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. Гемоглобин М – в результате мутации в гене происходит замена в α- или β-цепи гистидина (в 7-м или 8-м положении) на тирозин. В результате этого Fe2+ окисляется в Fe3+ и образуется метгемоглобин, не способный связывать кислород. Развивается цианоз и гипоксия тканей. 2. Талассемии – наследственные заболевания, связанные с нарушением синтеза α- или β-цепей. β-талассемии развиваются в результате снижения синтеза β-цепей. Проявляется после рождения, при этом в крови наряду с НbА появляется до 15 % НbА2 и 15-60 % HbF. Болезнь характеризуется гиперплазией и разрушением костного мозга, поражением печени, селезенки и сопровождается гемолитической анемией. α-талассемии возникают при нарушении синтеза α-цепей. При полном отсутствии α-цепей наступает внутриутробная гибель плода, так как не образуется HbF, а тетрамеры γ4 обладают высоким сродством к кислороду и не способны выполнять транспортную функцию, что ведет к развитию тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения. Нарушения биосинтеза гема. Порфирии. Наследственные и приобретённые нарушения синтеза гема, сопровождающиеся повышением содержания порфириногенов, а также продуктов их окисления в тканях и крови и появлением их в моче, называют порфириями ("порфирин" в переводе с греч. означает пурпурный). Наследственные порфирии обусловлены генетическими дефектами ферментов, участвующих в синтезе гема, за исключением аминолевулинатсинтазы. При этих заболеваниях отмечают снижение образования гема. В зависимости от основной локализации патологического процесса различают печёночные и эритропоэтические наследственные порфирии. Эритропоэтические порфирии сопровождаются накоплением порфиринов в нормобластах и эритроцитах, а печёночные - в гепатоцитах. При тяжёлых формах порфирии наблюдают нейропсихические расстройства, нарушения функций РЭС, повреждения кожи. Порфириногены не окрашены и не флуоресцируют, но на свету они легко превращаются в порфирины. Последние проявляют интенсивную красную флуоресценцию в ультрафиолетовых лучах. В коже на солнце в результате взаимодействия с порфиринами кислород переходит в синглетное состояние. Синглетный кислород вызывает ускорение ПОЛ клеточных мембран и разрушение клеток, поэтому порфирии часто сопровождаются фотосенсибилизацией и изъязвлением открытых участков кожи. Нейропсихические расстройства при порфириях связаны с тем, что аминолевулинат и порфириногены являются нейротоксинами. Иногда при лёгких формах наследственных порфирии заболевание может протекать бессимптомно, но приём лекарств, являющихся индукторами синтеза аминолевулинатсинтазы, может вызвать обострение болезни. Индукторами синтеза аминолевулинатсинтазы являются такие известные лекарства, как сульфаниламиды, барбитураты, диклофенак, вольтарен, стероиды, гестагены. В некоторых случаях симптомы болезни не проявляются до периода полового созревания, когда повышение образования β-стероидов вызывает индукцию синтеза аминолевулинатсинтазы. Порфирии наблюдают и при отравлениях солями свинца, так как свинец игибирует аминолевулинатдегидратазу, феррохелатазу. Некоторые галогенсодержащие гербициды и инсектициды являются индукторами синтеза аминолевулинатсинтазы, поэтому попадание их в организм сопровождается симптомами порфирии. Желтухи Желтуха – это заболевание, характеризующееся желтой окраской кожи и слизистых в результате накопления билирубина. Основная причина этого явления – гипербилирубинемия. Причинами гипербилирубинемии могут быть: усиление гемолиза эритроцитов и увеличение образования билирубина, превышающее способность печени экскретировать его; повреждение печени, приводящее к нарушению секреции билирубина в желчь; закупорка желчевыводящих протоков печени. Во всех случаях содержание билирубина в крови повышается. При достижении определенной концентрации (выше 50 мкмоль/л) он диффундирует в ткани, окрашивая их в желтый цвет. Определение билирубина и других желчных пигментов в крови и в моче имеет важное значение для дифференциальной диагностики желтух различной этиологии. Повышение уровня гемоглобина При усиленных занятиях спортом и физических нагрузках происходит повышение уровня гемоглобина. Повышенный гемоглобин часто встречается у людей, занимающихся лыжным спортом, альпинизмом, а также у пилотов после полетов. Местожительство также может воздействовать на уровень гемоглобина в крови - сказывается разряженный воздух, способствующий повышению гемоглобина. После продолжительного пребывания на свежем воздухе уровень гемоглобина также может увеличиться. Нередко наблюдаются повышенные показатели у ярых курильщиков. Повышенный гемоглобин является одним из симптомов онкологических заболеваний и заболеваний крови, а также сердечно-легочной недостаточности, врожденных дефектов сердца, кишечной непроходимости; является следствием после ожогов. Повышенный гемоглобин наблюдается при эритроцитозе, а также при сгущении крови. При увеличении показателей гемоглобина не рекомендуется употреблять какие-либо витаминные препараты, не посоветовавшись с доктором. Нередко в их состав входит фолиевая кислота, медь, витамины группы B, способствующие усвоению железа и повышению уровня гемоглобина. Для регулирования уровня гемоглобина доктор может прописать лекарства, способствующие улучшению свертываемости и разжижению крови. Анемия Уменьшение уровня гемоглобина в крови называют анемией или малокровием. Она может быть вызвана различными причинами: потеря крови — человек становится бледным, у него кружится голова, он ощущает сильную жажду и слышит звон в ушах; недостаток железа — гемоглобин и некоторые ферменты не могут правильно функционировать и обеспечивать клеточное дыхание; сидероархестическая анемия — связана с недостатком ферментов, синтезирующих гемоглобин; увеличение гемолиза (разрушения эритроцитов); нарушение функции кроветворения — связано с нарушением образования клеток, из которых впоследствии образуются эритроциты и лейкоциты в костном мозгу; наследственный недостаток ферментов в эритроцитах; Биомедицинское значение Гемсодержащие белки участвуют в процессах связывания и транспорта кислорода, в транспорте электронов в фотосинтезе. Детальное изучение гемоглобина выявляет ряд структурных аспектов, общих для многих белков. Говоря о большом биомедицинском значении этих белков, имеется в виду, что результаты, полученные при исследовании, наглядно иллюстрируют структурно-функциональные взаимосвязи. Кроме того, эти исследования выявляют молекулярную основу ряда генетических болезней, таких как серповидноклеточная анемия (возникающая в результате изменения свойств поверхности b-субъединицы гемоглобина) или талассемия (хроническое наследуемое гемолитическое заболевание, характеризующееся нарушениями процессов синтеза гемоглобина). Летальный эффект цианида и окиси углерода объясняется тем, что эти вещества блокируют физиологическую функцию гемопротеинов - цитохромоксидазы и гемоглобина соответственно. Наконец, стабилизация четвертичной структуры дезоксигемоглобина 2,3-бифосфоглицератом (ДФГ) занимает центральное место в исследовании механизмов кислородной недостаточности в условиях высокогорья и процессов адаптации к этим условиям Вывод Гемоглобин играет важную роль в организме человека. Главная особенность дыхательных белков, и гемоглобинов в том числе, заключается в обратимом присоединении кислорода, связывании его при атмосферном давлении и освобождении в условиях недостатка. Список литературы Литература из источников интернета Книги и методические пособия с сайтов Р.Марри, Д.Греннер, П.Мейес, В.Родуэлл, Биохимия человека, том 1, "Мир", Москва 1993г., стр.52 [Сайт]. – URL: https://biology.univ.kiev.ua/images/stories/Upload/Kafedry/Biochimiya/biblioteka_new/Biohimiya_cheloveka_T1/Marri_Biohim_cheloveka_tom1.pdf (дата обращения: 24.04.2021). Статьи с сайтов Гемоглобин, строение, свойства, биологическая роль;URL: https://studfile.net/preview/4081615/page:2/ (дата обращения: 24.04.2021). Биологическая роль и происхождение гемоглобинов; [Сайт]. – URL: https://studme.org/275501/matematika_himiya_fizik/biologicheskaya_rol_proishozhdenie_gemoglobinov (дата обращения: 24.04.2021). Нарушения обмена гемоглобина;[Сайт].–URL: https://studopedia.ru/20_31826_narusheniya-obmena-gemoglobina.html (дата обращения: 24.04.2021). Литература из книжных пособий Бышевский, А.Ш. Биохимия для врача / А.Ш. Бышевский, О.А. Терсенов – Екатеринбург, 1994. – с. 261 – 266. Биологическая химия / В.К. Кухта, Т.С. Морозкина. Э.И. Олецкий, А.Д. Таганович; // под ред. А.Д. Тагановича. – Минск: Асар, М.: Издательство БИНОМ, 2008. – с. 515–541. |