Введение
Гемоглобин – сложный белок, хромопротеид, дыхательный пигмент крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. Основная функция гемоглобина - перенос кислорода от органов дыхания к тканям, является своего рода посредник между тканями и легкими в обмене кислородом и углекислым газом. Химически гемоглобин относится к группе хромопротеидов. Молекула гемоглобина состоит из белковой части - глобина и простетичной группы небелковой природы - гема, в состав которого входит железо [3].
В курсовой работе нами будут рассмотрены особенности транспортной функции гемоглобина.
Объект исследования: гемоглобин.
Предмет исследования: особенности транспортной функции гемоглобина.
Цель исследования: изучить особенности транспортной функции гемоглобина и дать характеристику заболеваниям, связанным с нарушение функций гемоглобина.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
- дать понятие «гемоглобина» и его соединений;
- рассмотреть особенности осуществления гемоглобином транспортной функции;
- охарактеризовать заболевания, связанные с нарушением функций гемоглобина.
1. Гемоглобин и его соединения
Гемоглобин (Нв) – основной компонент эритроцитов, благодаря которому эритроциты выполняют дыхательную функцию и поддерживают рН крови. По химической природе он относится к хромопротеидам. У мужчин в крови содержится в среднем 130-160 г/л гемоглобина, у женщин – 120 150 г/л. Молекулярная масса гемоглобина составляет около 60000 Да. Гемоглобин состоит из белка глобина и 4 молекул гема. Гем имеет в своем составе атом железа, способный присоединять или отдавать молекулу кислорода. Гем содержит двухвалентное железо, которое играет ключевую роль в деятельности гемоглобина, являясь его активной (простетической) группой. Гемоглобин синтезируется эритро- и нормобластами костного мозга. Для нормального синтеза гемоглобина необходимо достаточное поступление железа с пищей.
В крови здорового человека содержание гемоглобина колеблется несколько ниже (до 150 г/литр), чем у мужчин (до 160 г/литр). У беременных женщин содержание гемоглобина может падать до 110 г/литр, и это не является патологией [5].
У жителей, проживающих на высоте 2000 метров, количество гемоглобина в среднем на 10 г/литр, а на уровне 3000 м – на 20 г/литр больше, чем на равнине. При этом одновременно наблюдается повышение числа эритроцитов.
Основное назначение гемоглобина – транспорт кислорода и углекислого газа. Кроме того, гемоглобин обладает буферными свойствами, а также способностью связывать некоторые токсические вещества, благодаря чему поддерживается постоянство внутренней среды – гомеостаз.
Гемоглобин человека и разных животных имеет различное строение. Это касается белковой части – глобина, ибо гемм у всех представителей животного мира имеет одну и ту же структуру. Он состоит из молекулы порфирина, в центре которой расположен атом железа со степенью окисления +2, способный присоединять кислород. Белковая часть гемоглобина человека неоднородна по своей структуре, благодаря чему разделяется на ряд фракций. Большая часть гемоглобина взрослого человека (до 95-98%) состоит из фракции А (от слова adultus – взрослый). От 2 до 3% всего гемоглобина приходится на фракцию А2. Наконец, в эритроцитах взрослого человека находится так называемый фетальный гемоглобин (от лат. foetus – плод), или гемоглобин F, содержание его в норме подвержено значительным колебаниям, хотя редко превышает 1-2%. Гемоглобины А и А2 обнаруживаются практически во всех эритроцитах, тогда как гемоглобин F присутствует в них не всегда [4].
Гемоглобин F содержится преимущественно у плода. К моменту рождения ребенка на его долю приходится до 70-90%. Гемоглобин F имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин А, что позволяет тканям плода не испытывать гипоксии, несмотря на относительно низкое напряжение кислорода в его крови. Эта приспособительная реакция объясняется тем, что гемоглобин более трудно вступает в связь с 2,3-дифосфоглицериновой
2. Осуществление транспортной функции гемоглобина
Cвойство гемоглобина связывать кислород определяется тем, что в центре каждого из четырех гемов находится по атому железа. Молекулы кислорода формируют слабую неполярную связь с атомами железа. Продукт этой реакции называется оксигемоглобином. Когда все четыре гема заняты кислородом, говорят, что молекула гемоглобина насыщена [15].
Степень, до которой насыщается гемоглобин, зависит от содержания кислорода в крови. Насыщение гемоглобина кислородом увеличивается, когда парциальное давление кислорода в крови (РО2) повышается. Физиологическое значение этого соотношения лежит в основе транспортной функции гемоглобина. В легких кислород вдыхаемого воздуха проходит через альвеолы в кровь, так что РО2 высокое (около 95 мм рт. ст.). При высоком РО2 сродство гемоглобина к кислороду увеличивается и гемоглобин быстро (за несколько секунд) полностью насыщается (до 100%).
Наоборот, в тканях РО2 относительно низкое (только около 40 мм рт. ст.), поэтому и сродство гемоглобина к кислороду снижено. В результате кислород высвобождается из гемоглобина и диффундирует из эритроцитов в тканевые клетки, где используется в процессах клеточного метаболизма [15].
В то время как транспорт кислорода из легких к тканям почти полностью зависит от гемоглобина в эритроцитах, транспорт двуокиси (диоксида) углерода в обратном направлении немного сложнее. Двуокись углерода, в отличии от кислорода, растворима в плазме крови, так что большое количество СО2 переносится просто в растворенном виде. Остаток транспортируется эритроцитами. В тканях СО2 диффундирует из клеток в кровоток. Часть остается растворенной в плазме, а часть диффундирует в эритроциты.
Внутри эритроцитов часть углекислоты соединяется с гемоглобином, освободившимся от кислорода, и формирует карбгемоглобин, а часть соединяется с водой в цитоплазме эритроцитов и образует угольную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент карбоангидраза. Угольная кислота диссоциирует на ионы водорода (количество которых определяется гемоглобином) и бикарбонат-ионы, которые диффундируют из эритроцитов в плазму. В легких эти клеточные реакции протекают в обратном направлении, и СО2, диффундируя из эритроцитов, проходит вместе с СО2, растворенным в плазме крови, в альвеолы, чтобы выделиться с выдыхаемых воздухом.
Кооперативное связывание кислорода делает гемоглобин более эффективным переносчиком кислорода.
В легких, заполненных воздухом, парциальное давление кислорода равно приблизительно 100 мм рт. ст.; при этом давлении гемоглобин насыщен кислородом примерно на 96%. В клетках же работающей мышцы парциальное давление кислорода составляет всего лишь около 26 мм рт. ст., так как мышечные клетки очень быстро расходуют кислород и его локальная концентрация соответственно снижается. По мере протекания крови через капилляры в мышцах кислород из содержащегося в эритроцитах гемоглобина
3. Характеристика заболеваний, связанных с нарушение функции гемоглобина
Болезни гемоглобинов называют гемоглобинозами, их насчитывают более 200.
Гемоглобинозы делятся на гемоглобинопатии и таласемии.
Гемоглобинопатии, возникают в результате точечных мутаций в структурных генах, кодирующих полипептидные цепи гемоглобина. Поэтому в крови появляется аномальный гемоглобин [18].
Серповидноклеточная анемия – классический пример наследственной гемоглобинопатии. В норме в b-субъединицах гемоглобина в шестом положении находится гидрофильная глутаминовая кислота. В гемоглобине S глутаминовая кислота заменена на гидрофобный валин. Такая замена приводит к появлению на поверхности b-субъединицы гидрофобного («липкого») участка, который соединяется с гидрофобным карманом другой молекулы гемоглобина S. Происходит полимеризация гемоглобина S и его осаждение в виде длинных волокон. Длинная волокнистая структура нарушает нормальную форму эритроцитов, превращая её из двояковогнутого диска в серповидную, которая имеет тенденцию блокировать капилляры. Такие эритроциты преждевременно разрушаются, способствуя развитию анемии. Если поражены обе гомологичные хромосомы, заболевание может оказаться смертельным. Заболевание широко распространено в географических зонах, где наиболее часто встречается злокачественная форма малярии. Высокий показатель заболеваемости можно объяснить положительной селекцией генома носителей аномальных генов. Серповидная красная кровяная клетка «неудобна» для развития малярийного плазмодия [18].
Гемоглобиноз S имеет гомозиготную и гетерозиготную формы, встречается также в виде двойного гетерозиготизма. При сепровидноклеточной анемии HbS составляет 80-100% гемоглобина клетки [12].
Примерная формулировка диагноза: Серповидноклеточная анемия с гемолитическими кризами, гемоглобинурией, иктеричностью видимых слизистых оболочек и кожных покровов, повышением свободной фракции билирубине сыворотки крови, уробилина в моче; башенный тип черепа, салено- и гепатомегалия с развитием инфарктов; пигментные камни в желчном пузыре, остеосклероз, трофические язвы на голенях, нормохромная анемия, лейкоцитоз со сдвигом до миелоцитов, активация эритро-нормобластического ростка костного мозга, среди эритроцитов - мишеневидные и серповидные формы.
Серповидноклеточная болезнь протекает очень тяжело. Обычно к пятимесячному возрасту у ребенка, наследовавшего от своих родителей гены HbS, появляются первые гемолитические кризы, болезненная припухлость стоп, кистей, голеней, суставов. Эти кризы, возникая нередко на фоне инфекций, протекают очень тяжело. В начале отмечаются озноб, повышение температуры тела, гемоглобинурия, прогрессирующая анемия, затем появляется иктеричность видимых слизистых оболочек и кожных покровов,
Заключение
В заключении можно сделать следующие выводы:
Хромопротеиды (от греч. chroma – краска) состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Различают гемопротеины (содержат в качестве простетической группы железо), магнийпорфирины и флавопротеины (содержат производные изоаллоксазина).
Хромопротеиды наделены рядом уникальных биологических функций: они участвуют в таких фундаментальных процессах жизнедеятельности, как фотосинтез, дыхание клеток и целостного организма, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстановительные реакции, свето- и цветовосприятие и др. Хромопротеины играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности.
Наверное, самым известным хромопротеидом является гемоглобин. Гемоглобин – белок эритроцитов, красных кровяных клеток, переносящий молекулярный кислород от легких к тканям в организмах позвоночных животных. Гемоглобин можно считать своего рода модельным белком, структура, свойства и функции которого наиболее полно изучены по сравнению с другими белками на протяжении последних 50 лет. Американский физик Хопфилд назвал его атомом водорода современной биохимии, имея в виду, что изучение гемоглобина сыграло в биохимии ту же роль, что и изучение атома водорода в физике. Гемоглобин называют также почетным ферментом, поскольку исследования его структуры в статике и динамике позволили значительно продвинуться в понимании механизмов функционирования ферментов.
Гемоглобин является переносчиком кислорода. Он состоит из двух частей: присоединяющейся группы - гема и белковой части - глобина. Гем в молекуле гемоглобина составляет 4%, а глобин - 96%.
К заболеваниям, связанным с нарушением структуры гемоглобина и его функций относятся: серповидноклеточная анемия и талассемии.
1. Ажигирова, М.А., Вязова, Е.П. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1993 г., т. 115. – №4. – С. 364-366.
2. Ахсянов, У.У., Афонин, Н.И. Гематология и трансфузиология. 1983 г., т.28 – С.41-44.
3. Блюменфельд, Л.А. Гемоглобин // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – №4 – C. 33–38.
4. Гласко, Е.Н., Логинова, Л.Н. Гематология и трансфузиология. 1983 г., т.28. – №4. – С. 49-50.
5. Грин, Н., Стаут, У., Тейлор, Д. Биология: В 3-х т. Т. 2.: Пер. с англ./Под ред. Р. Сопера – М.: Мир, 1990. – 325 с.
6. Иванов, К.П. Гематология и трансфузиология. 1989 г., т.34. – №1. – С. 42-47.
7. Иванов, К.П. Гематология и трансфузиология. 1992 г., т. 37. – №2. – С. 26-29.
8. Кононенков, В.И. Медицинская и экологическая иммуногенетика / В.И. Кононеков. – М, 2007. – 249 с.
9. Кузник, Б.И. Физиология и патология системы крови / Б.И. Кузник – М.: Вузовская книга, 2008. – 294 с.
10. Марри, Р.К. Биохимия человека: в 2-х томах / Роберт К. Марри, Дерил К. Граннер, Питер А. Мейес, Виктор В. Родуэлл; под общ. ред. Л.М. Гинодмана; Т. 1. Пер. с англ.: – М.: Мир, 1993. – 384 с.
11. Матвиенко, В.П., Гусенова, Ф.М. Гематология и трансфузиология. 1983 г., т. 28. – №4. – С. 38-41.
12. Образцов, В.В., Гриманова, А.Ю. Биохимия. 1992 г., т. 57, вып. 7 – С. 1011-1020.
13. Панченко, С.М., Адгонин, Н.И. Гематология и трансфузиология. 1988 г., т. 33. – №5. – С. 29-31.
14. Смирнов, И.В., Хачатурьян, А.А. Гематология и трансфузиология. 1992 г., т.37. – №7-8. – С. 15-17.
15. Страйер, Л. Биохимия: В 3-х т. Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – Т.1 – 232 с.
16. Терешина, Е.В., Дорошина, Н.Н. Химико-фармацевтический журнал, 1990, т. 20. – №7. – С. 16-18.
17. Шабалин, В.Н., Кочетопов, Н.И. Гематология и трансфузиология. 1985 г., т.30. – №2. – С.3-4.
18. Фогель, Ф., Мотульски, А. Генетика человека: В 3-х т. Т.2: Пер с англ. – М.: Мир, 1990. – 378 с.
