гемоглобин

ГЕМОГЛОБИН (от греч. haima — кровь и лат. globus — шар)

осн. белок дыхат. цикла, участвующий в переносе O₂ от органов дыхания к тканям, а в обратном направлении — CO₂. Содержится в эритроцитах крови почти всех позвоночных и гемолимфе большинства беспозвоночных животных. Г. позвоночных (мол. м. 6,4∙10⁴-6,6∙10⁴) состоят из четырех попарно идентичных субъединиц (их обозначают греч. буквами; теми же буквами обозначают входящие в состав субъединиц полипептидные цепи, а также гены, кодирующие эти цепи). Каждая субъединица имеет белковую глобиновую часть, состоящую из 140–160 аминокислотных остатков, с которой нековалентно связан гем-ферропрото-порфирин (см. формулу).

Функцию переноса O₂ у некоторых видов беспозвоночных выполняют крупные гемсодержащие белки-эритрокруорины (мол. м. 0,4∙10⁶-6,7∙10⁶), состоящие из 30–400 субъединиц, и хлоркруорины (мол. м. 3,4∙10⁶), состоящие из 190 субъединиц. Эти белки способны обратимо связывать одну молекулу O₂ на группу тема, т. е. на субъединицу. Переносчиком O₂ у др. видов беспозвоночных служат негемовые белки, состоящие из 8–10 субъединиц,— медьсодержащие гемоцианины (мол. м. 0,05∙10⁷∙10⁷) и железосодержащие гемэритрины (мол. м. 1∙10⁵). Каждая субъединица таких белков содержит два атома металла (соотв. Cu ⁺ и Fe²⁺), способных связать одну молекулу O₂.

Г. взрослого человека (НbА) имеет мол. м. 6,49∙10⁴ и принадлежит к числу наиб. изученных белков. Его форма в растворе близка к эллипсоиду с осями 6,4, 5,5 и 5,0 нм; изоэлектрич. точка 6,9. Тетрамер НЬА состоит из двух α- и двух β-субъединиц, их полипептидные цепи содержат соотв. 141 и 146 аминокислотных остатков. Известны первичная структура обеих цепей, а также пространств. структура оксигенированной, дезоксигенированной, ряда лигандированных, а также окисленной формы (содержит Fe³⁺) НbА. Пространств. структура субъединиц (рис. 1) характеризуется наличием восьми α-спиральных участков, включающих около 80% аминокислотных остатков, и внутр. полости — гемового кармана. Фиксирование тема в субъединице осуществляется в результате гидрофобных взаимод. пиррольных и винильных групп тема с алифатич. и ароматич. боковыми радикалами аминокислот, выстилающими полость кармана, а также благодаря координационной связи (направлена перпендикулярно к плоскости кольца тема) Fe²⁺ с аксиальным лигандом-имидазольной группой гистидина (т. наз. проксимальный гистидин). При оксигенации молекула O₂ занимает шестое вакантное место в координационной сфере Fe²⁺. Связывание происходит обратимо, без окисления железа, с образованием стабильного оксигенированного комплекса НbO₂. Одна молекула Г. способна присоединить 4 молекулы O₂-по одной на группу тема.

_{Рис. 1. Схема упаковки поли-пептидной цепи β-субъединицы гемоглобина. Точками обозначены положения α-С атомов аминокислотных остатков; 1 — гем; 2 — проксимальный остаток гистидина.}

Субъединицы α и β прочно удерживаются в составе тетрамера Г. множественными ван-дер-ваальсовыми взаимод. и водородными связями; дезоксигенированная форма НbА стабилизирована кроме того неск. ионными связями внутри и между субъединицами. Тетрамер Г. — кооперативная структура, в которой существует взаимод. пространственно разобщенных между собой групп (т. наз. гем-гем взаимодействие). Это проявляется в облегчении присоединения к тетрамеру последующих молекул O₂ по мере протекания оксигенирования, что значительно увеличивает эффективность переноса O₂ при физиол. условиях по сравнению с мономерными Г. и миоглобином (белок, депонирующий O₂ в мышцах). Присоединение O₂ к молекуле Г. сопровождается значит. конформационными перестройками пространств. структуры субъединиц и тетрамера в целом.

Сродство Г. к O₂ является основным физ.-хим. показателем функциональных свойств Г.; его принято характеризовать зависимостью степени оксигенирования Г. от парциального давления кислорода (кислородно-диссоционная кривая, или КДК, рис. 2), а также величиной, при которой достигается оксигенирование 50% Г. (р₅₀)- Нормальная величина р₅₀ НbА в крови при физиол. условиях [37 °C, парциальное давление CO₂ 40 мм рт. ст., pH 7,4] составляет 26–28 мм рт. ст. Сигмоидный характер КДК отражает кооперативный характер оксигенирования. При существующем у человека различии артериальной и венозной крови (соотв. 90 ± 10 и 40 ± 2 мм рт. ст.) 1 л крови, насыщенной в легких кислородом (92–98% Г. находится в форме НbO₂), отдает в тканях ок. 45 мл O₂, при этом содержание НbO₂ в венозной крови составляет 70–75%.

_{Рис. 2. Зависимость содержания оксигемоглобина от парциального давления O2}.

Из клеток тканей CO₂ диффундирует через плазму крови в эритроциты, где гидратируется в реакции, катализируемой ферментом карбоангидразой:

Гидрокарбонат-ионы в эритроцитах замещаются далее на ионы Cl⁻ из плазмы, сами переходят в плазму и переносятся ею к легким. Определенная часть CO₂ связывается в эритроцитах с N-концевыми α-аминогруппами Г. с образованием остатка карбаминовой кислоты, уменьшая сродство Г. к O₂. Увеличение Р_СО2 температуры, ионной силы раствора и уменьшение pH снижают сродство Г. к O₂. Важнейший внутриэритроцитарный регулятор сродства — анионы 2,3-дифосфоглицериновой кислоты. Увеличение их концентрации также уменьшает сродство Г. к O₂. Снижение сродства при уменьшении pH в интервале 9–6 наз. щелочным эффектом Бора, который обусловлен существованием равновесия:

Этот эффект вносит значит. вклад в поддержание постоянного значения pH крови и освобождение O₂ в тканях соотв. уровню обмена веществ [увеличение концентрации CO₂ сдвигает равновесие реакций (1) и (2) вправо]. В легких, где р_СО2 составляет 40 мм рт. ст., процессы, описываемые реакциями (1) и (2), идут в обратном направлении, в результате чего CO₂, находящийся в растворенном и связанном с Г. состоянии, освобождается, Г. оксигенируется и дыхат. цикл завершается.

У человека на разных этапах развития организма обнаружено несколько Г., различающихся составляющими их субъединицами. На ранних стадиях эмбрионального развития у зародыша обнаруживаются Г. строения, , . На более поздних стадиях появляется и доминирует к моменту рождения HbF (; т. наз. фетальный Г.). Свойства эмбриональных Г. обеспечивают выполнение кислородтранспортной функции в специфич. условиях внутриутробной жизни. В эритроцитах взрослого человека содержится в норме 95–97% НЬА , начинающего преобладать через 2–3 месяца после рождения, и 2–3% НbА₂

Первичные структуры иполипептидных цепей Г. человека, а также мн. др. глобиновых цепей разл. происхождения известны. Гены, кодирующие α-глобиновые цепи Г. человека, сцеплены и расположены в последовательности на хромосоме 16 (цифры-номера дуплицированных генов); группа генов, кодирующих др. полипептидные цепи, также непосредственно примыкающие один к другому, локализована на хромосоме 11. Первичная структура α- и не α-глобиновых генов человека известна. Для каждого из них установлено наличие двух нитронов (отрезков ДНК, прерывающих кодирующие участки,-экзоны) и больших некодирующих участков, находящихся на флангах генов. Биосинтез тема, α- и β-глобиновых цепей, а также сборка тетрамерных молекул НbА осуществляется в клетках эритроцитарного ряда и практически завершается к моменту выхода зрелых эритроцитов (их продолжительность жизни у человека составляет 120–130 дней) из костного мозга в кровяное русло.

Точковые мутации в экзонах глобиновых генов могут вести к появлению мутантных Г. с единичной аминокислотной заменой. Это м. б. причиной молекулярных болезней — наследств. гемоглобинопатий. Наиб. известный пример мутантного Г. — HbS, в котором шестой от N-конца β-глобиновой цепи остаток глутаминовой кислоты заменен на остаток валина. Такой Г. содержится в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией. Точечная мутация, делеция (выпадение участка ДНК) или другой дефект глобинового гена, локализованный вне экзонов, может уменьшить продукцию глобиновых цепей в эритроцитах, нарушить сбалансированный биосинтез α- и β-цепей и привести к др. распространенной разновидности гемоглобинопатий-талассемии.

^{Лит.: Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Основы биохимии, пер. с англ., т. 3, М, 1981, с. 1218–66; Bunn Н. F., Forget В. G., Ranney Н. М, Нетоglobinopathies, Phil. — L. — Toronto, 1977; Human hemoglobins and hemoglobinopathies, "Texas Reports on Biology and Medicine", 1980–1981, v. 40; Atlas of molecular structures in bioldgy, ed. by D.C. Philips, P.M. Richards, v. 2, Haemoglobin and myoglobin, ed. by G. Fermi and M.F. Perutz, Oxf., 1981; Methods in enzymology, v. 76-Hemoglobins, N. Y. — L. — [a. o.], 1981.}

_{В. А. Спивак}