Гемоглобины

Гемоглоби́ны (от гемо... и лат. globus – шарик), железосодержащие красные пигменты крови и гемолимфы, обеспечивающие перенос молекулярного кислорода (O₂) от органов дыхания к тканям и частично диоксида углерода (CO₂) от тканей к органам дыхания; участвуют в поддержании pH крови. Содержатся в эритроцитах крови всех позвоночных (за исключением некоторых антарктических рыб) и отдельных беспозвоночных или растворены в гемолимфе многих беспозвоночных животных.

Виды гемоглобинов

Гемоглобины – сложные белки (гемопротеины), относящиеся к семейству глобинов. Их молекулы состоят из белкового компонента и простетической железопорфириновой группы – гема, который способен без изменения степени окисления входящего в его состав иона железа Fe²⁺ легко присоединять и отдавать O₂. Связанный с O₂ гемоглобин называется оксигемоглобином.

Видовая специфичность гемоглобина обусловлена белковым компонентом, который определяет его растворимость, сродство к O₂ и молекулярную массу (у позвоночных она колеблется от 61 000 до 72 000, у беспозвоночных достигает 3 000 000). Присоединение кислорода в органах дыхания (оксигенация) зависит от парциального давления (напряжения) O₂ и косвенно регулируется CO₂ (как правило, он облегчает отдачу O₂ тканям, а его выход из крови, наоборот, способствует её насыщению O₂). Связывание CO₂ гемоглобином (до 15 % всего диоксида углерода крови) происходит сразу после высвобождения кислорода.

При взаимодействии с угарным газом (CO), сродство которого к гемоглобину в 300 раз выше, чем у O₂, образуется плохо диссоциирующий карбоксигемоглобин, не способный связывать и переносить кислород; развивается кислородная недостаточность (именно этим обусловлена токсичность CO).

Структура гемоглобинов

Молекулы гемоглобинов большинства высших позвоночных состоят из нескольких полипептидных цепей, к каждой из которых присоединён гем. Установлены первичная и пространственная структуры многих глобинов из различных источников.

Наиболее изучен гемоглобин человека. Его молекула образована четырьмя полипептидными цепями, упакованными в форме тетраэдра. На разных стадиях развития организма человека обнаруживаются гемоглобины, различающиеся составляющими их субъединицами. У взрослых людей до 97 % приходится на долю гемоглобина A (от англ. adult – взрослый, HbA), который содержит по две идентичные α- и β-цепи (α₂β₂).

Около 2 % составляет гемоглобин А2 (HbA2), у которого вместо β-цепей присутствуют сходные с ними по структуре S-цепи (α₂S₂).

Кроме того, у взрослых людей сохраняется небольшое количество (около 1 %) гемоглобина плода (т. н. фетальный гемоглобин, HbF), характерного для внутриутробного периода. Кроме двух α-цепей он содержит две γ-цепи (α₂γ₂) и обладает более высоким сродством к кислороду, чем HbA и HbA2. На ранних этапах эмбрионального развития присутствуют и другие гемоглобины: типа ζ₂ε₂, α₂ε₂ и ζ₂γ₂. Они обеспечивают снабжение эмбриона кислородом в условиях внутриутробной жизни. HbA начинает преобладать через 2–3 месяца после рождения.

Гены гемоглобинов

У всех этих гемоглобинов α-глобиновые цепи состоят из 141 аминокислотного остатка, поэтому они образуют группу α-подобных глобинов. Остальные глобиновые цепи (состоят из 146 аминокислотных остатков) по ряду свойств отличаются от α-цепей, но сходны между собой и обычно формируют группу β-подобных гемоглобинов. Соответственно этим группам глобинов в геноме человека имеются две группы глобиновых генов, организованных в два кластера. Гены, кодирующие α-подобные цепи гемоглобина, сцеплены и расположены на хромосоме 16, а кодирующие β-подобные цепи – на хромосоме 11.

Мутации в генах, кодирующих структуру полипептидных цепей гемоглобинов, сопровождаются изменениями в их первичной структуре, связанными с заменами отдельных аминокислотных остатков (у человека известно около 300 форм гемоглобина). Большая часть подобных замен не влияет на проявление функциональных свойств белка, но есть и такие аномальные гемоглобины, которые служат причиной заболеваний – гемоглобинопатий. Например, замена в β-глобиновой цепи остатка глутаминовой кислоты в положении 6 на остаток валина сопровождается развитием серповидно-клеточной анемии. Различные дефекты структуры глобиновых генов могут уменьшить продукцию гемоглобина, привести к разбалансировке синтеза α- и β-цепей и к другому заболеванию – талассемии.

Биосинтез гемоглобина

Биосинтез гемоглобина (в костном мозге, в предшественниках эритроцитов – эритробластах, нормобластах, ретикулоцитах) и формирование четвертичной структуры HbA завершается к моменту выхода зрелых эритроцитов в кровяное русло. Гемоглобин синтезируется непрерывно, что обеспечивает его постоянное обновление в организме. В 100 мл крови человека содержится 12–16 г гемоглобина (у женщин меньше, чем у мужчин); снижение этих показателей наряду с уменьшением числа эритроцитов свидетельствует об анемии.

Гем гемоглобина после разрушения эритроцитов служит источником образования жёлчных пигментов. У позвоночных образование гемоглобина регулируется гормоном эритропоэтином.

В мышцах присутствует структурно родственный гемоглобину белок – миоглобин, который обеспечивает клетки кислородом в условиях его дефицита. У некоторых растений обнаружены аналоги гемоглобина (например, легоглобин, регулирующий кислородный режим азотфиксирующих клубеньковых бактерий).

Значение исследований гемоглобинов

Изучение гемоглобина внесло большой вклад в представление о структуре, функции и эволюции белков. Работы по структуре глобиновых генов человека и их экспрессии положили начало молекулярной генетике высших организмов и позволили выявить некоторые общие принципы организации и функционирования геномов эукариот. Сравнительный анализ аминокислотной последовательности глобиновых цепей у разных видов животных используется для определения степени их эволюционного родства. Открытие аномальных гемоглобинов позволило Л. Полингу привлечь внимание к изучению наследственных «молекулярных болезней».