Гемоглобин – это основной белок крови. Молекула гемоглобина, благодаря его уникальной части гем, связывает и отдает кислород, необходимый для нормальной работы всех органов и тканей в организме. Низкий уровень этого белка приводит к тяжелому состоянию — анемии, при котором нарушаются питание и правильная работа всех клеток организма. Избыток также опасен — молекулы железа окисляются и повреждают живые ткани.
Врачу, чтобы своевременно поставить правильный диагноз и применить правильную тактику лечения, очень важно знать и понимать все процессы, связанные с синтезом и распадом гемоглобина.
Содержание статьи
Что такое гемоглобин
Гемоглобин — сложный белок, осуществляющий перенос молекулярного кислорода от органов дыхания к тканям организма. Молекула гемоглобина состоит из глобина и гема.
Гем — комплексное соединение железа и протопорфирина IХ, состоящего из четырех пиррольных колец, соединенных СН-мостиками. Железо, находящееся в центре протопорфирина, связано с четырьмя атомами азота пиррольных колец двумя главными и двумя дополнительными связями. Одна из двух оставшихся связей используется для соединения с глобином, другая — с кислородом.
Глобин — тетрамер, образующийся в ретикулоцитах, и состоящий из двух пар полипептидных цепей. Он содержит 570 остатков 18 различных аминокислот, образующих полипептидные цепи, отдельные участки которых закручены в альфа-спирали, а сами полипептидные цепи свернуты в сферические компактные глобулы.
Биосинтез гемоглобина
Особенность синтеза этого соединения — синхронное образование гема и глобина. Затем эти вещества соединяются в ретикулоцитах, образуя гемоглобин. Механизм позволяет синтезировать строго одинаковое количество обоих элементов.
Гем регулирует синтез глобина: при снижении скорости синтеза гема синтез глобина в ретикулоцитах тормозится. Процесс регулируется веществами 5-аминолевулинатсинтазой и аминолевулинатдегидратазой. В ретикулоцитах синтез фермента регулирует железо.
Нарушение синтеза гемоглобина, приводит к порфирии – заболеванию, при котором в гепатоцитах, нормобластах и эритроцитах накапливается излишек порфирина.
Образование порфибриногена
Гем синтезируется практически во многих клеточных структурах, но с наибольшей скоростью он вырабатывается в печени и костном мозге. Железо, необходимое для его и синтеза, поступает в организм с пищей и из разрушенных «старых» эритроцитов. При его нехватке синтез гема, а в дальнейшем, гемоглобина, замедляется и у человека возникает анемия.
- Образование 5–аминолевулиновой кислоты (5–АЛК). Вещество образуется из тиоэфира дикарбоновой янтарной кислоты и кофермента А – (сукцинила – КоА) и глицина в матриксе митохондрий. Катализатором выступает 5-аминолевулинатсинтаза – пиридоксальфосфат- зависимый фермент. Он служит регулятором протекания реакции.
- Образование порфобилиногена. Из митохондрий 5-АЛК поступает в цитоплазму, где ее молекулы соединяются по две, образуя моно- порфобилиноген, имеющий пиррольное кольцо и две молекулы воды. Реакция проходит в присутствии. аминолевулинат-дегидратазы – фермента, локализованного в жидком содержимом клетки – цитозоле
- Образование гидроксиметилбилана. Вещество образуется из четырех молекул порфобилиногена с образованием линейного тетрапиррола — гидроксиметилбилана. Катализатором служит фермент порфобилиноген-дезаминаза.
Окончательное образование гема
Вначале из гидроксиметилбилана образуется уропорфириноген III. Катализатором процесса служит вещество уропорфириноген III-косинтаза. Затем из уропорфириногена удаляются четыре карбоксильных группы с образованием копропорфириногена. Катализирует процесс фермент уропорфириноген-декарбоксилаза
После этого Урофибриноген III превращается в присутствии фермента уропорфириноген-декарбоксилазы в Копрофибриноген III.
После чего процесс опять переходит в митохондрии, где тем Копрофибриноген III превращается в протопорфириноген IX с помощью фермента копропорфириноген-оксидазы, а затем под воздействием протопорфириноген-оксидазы – в Протопорфирин -IX.
На заключительно этапе синтеза гема фермент феррохелатаза, присоединяет к протопорфирину IX двухвалентное железо.
Образование глобина
Цепи глобина синтезируются на полисомах, образованных пятью рибосомами. Цепь а освобождается первой, присоединяется к р-цепи, еще связанной с рибосомой, и отделяет ее, образуя димер (аР). Два димера соединяются в молекулу НЬ (а2Р2).
Синтез цепей глобина идет на полирибосомах и контролируется генами 11 и 16 хромосом. Гены, контролирующие синтез α- цепи, находятся одной хромосоме, а отвечающие за синтез β-, γ-, δ- и ε-цепи- в другой. У взрослого человека глобин состоит из двух а- и двух Р- полипептидных цепей.
Образование гемоглобина
После образования гем и глобин соединяются в единое вещество – гемоглобин. Это вещество связывает кислород, обеспечивая клеточное дыхание. Зрелые расные кровяные тела, образующиеся из ретиекулоцитов, на 85% заполнены гемоглобином. Каждый эритроцит содержит около 400 млн. молекул этого вещества. Всего в гемоглобине имеются четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может захватывать четыре кислородные молекулы.
Гемоглобин у взрослых людей, имеющий две а- и две Р-цепи глобина, называется А-типом (от adult — взрослый). На него приходится 98% объема этого кровяного элемента. Но в крови обнаруживаются и вариации этого вещества с немного измененной структурой глобина, на которые приходится 2% этого вещества. Их роль до конца не изучена.
Распад гемоглобина
Красные кровяные тельца – эритроциты, в которых содердится гемоглобин, живут примерно 120 дней, после чего распадаются. В сновном этот процесс происходит в селезенке, но часть телец разрушается в печени и костном мозге.
10-20% эритроцитов разрушается при внутрисосудистом гемолизе. Их гемоглобин освобождается непосредственно в плазму, где связывается плазменным белком — гаптоглобином. Это гликопротеин, при электрофорезе белков мигрирующий с а2— глобулином. Половина объема образовавшегося комплекса — гемоглобин-гаптоглобин за 10 минут покидает плазму и поглощается паренхиматозными клетками печени, что предупреждает поступление свободного гемоглобина в почки.
В остальных случаях распад гемоглобина начинается с разрыва α-метиновой связи между I и II кольцами порфиринового кольца. Катализатором процесса выступает НАДФ-содержащая оксидаза. В первой стадии разложения гемоглобина уваствуют витамин С, ионы двухвалентного железа и другие кофакторы. Гемоглобин превращается в вердоглобин, меняя цвет с красного на зеленый.
Дальнейший распад проходит с освобождением железа, белка-глобина и образованием одного из желчных пигментов — биливердина. Освободившееся железо используется для образования нового гемоглобина. Для этого белок-ферритин переносит его в печень, где находится депо железа. Белки распадаются до аминокислот и используются для повторного белкового синтеза.
Образовавшийся биливердин ферментативным путем при помощи белка-редуктазы превращается в печени в билирубин, являющийся основным желчным пигментом. Это вещество, имеющее жетоватый цвет, необходимо для производства желчи. При массовом распаде кровяных клеток и освобожении большого количества гемоглобина у больного резко возрастает уровень биллирубина в крови и возникает желтуха.
Билирубин, образовавшийся в клетках ретикулоэндотелия, называется свободным, поскольку из-за плохой растворимости в воде он легко адсорбируется на белках плазмы.
Несвободный, или конъюгированный, составляющий комплекс билирубина с глюкуроновой кислотой, попадает по системе желчных протоков в кишечник, где конъюгат билирубина расщепляется β-глюкуронидазой, Освободившийся желчный фермент постепенно восстанавливается до бесцветного уробилиногена и стеркобилиногена, которые окисляются кислородом воздуха до уробилина и стеркобилина.
При прекращении процесса, например, при гепатите кал становится светдым «собачьим», а моча — темной. Это значит, что биллирубин перестал поступать в кишечник, а начал впитываться в кровь, выделяясь с мочой.
Механизм бактериальных превращений билирубина до стеркобилиногена и стерокобилина еще не до конца расшифрован. Имеются данные, что промежуточными продуктами процесса яляются мезобилирубин и уробилиноген. После всасывания небольшая часть мезобилиногена поступает через воротную вену в печень, где подвергается разрушению с образованием моно- и дипиррольных соединений.
Небольшая часть стеркобилиногена после всасывания через систему геморроидальных вен попадает в большой круг кровообращения, минуя печень, и в таком виде выводится почками. Суточное содержание этих пигментов в моче составляет около 4 мг.
Если с мочой выделяется повышенное содержание уробилиногена и мезобилиногена, это является свидетельством недостаточностифункции печени, потерявшей способность извлекать пигмент из крови воротной вены.
Выводы
Каждому врачу следует знать схему распада молекулы гемоглобина, так как в норме в крови содержится определенное количество желчных пигментов. При развитии патологических процессов в печени и селезенке, показатели билирубина значительно повышаются. Такое поражение может привести к развитию печеночной комы и летальному исходу.
Не менее важно понимать процесс синтеза гемоглобина. Зная этот механизм, можно понять причины анемии и успешно ее лечить.
Источники
- Биохимия: Учеб. для вузов. Под ред. Е.С. Северина, 2003.
- Электронное издание на основе: Биологическая химия с упражнениями и задачами: учебник под ред. чл.-корр. РАМН С.Е. Северина, 2011.
- ФБУ ВО УГМУ Минздрава Росии Гаврилов И.В. Лекция 17 «Биохимия лейкоцитов, гемоблобина и эритроцитов», 2016 г.
- Папаян А. В., Жукова Л. Ю. Анемии у детей, 2001.
- Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функция белков, 1996.
- Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин «Биологическая химия», 1998 г.
- Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., т. 5 3-е издание.
- Ленинджер А. «Основы биохимии», 1985.
