Гемоглобин
-
Гемоглобин: общая информация
- Белок, содержащий железо, транспортирует кислород в эритроцитах
- Содержится почти у всех позвоночных, кроме рыб семейства Channichthyidae
- У человека на каждые 100 мл крови приходится от 12 до 20 граммов гемоглобина
-
Структура и функции гемоглобина
- Металлопротеин, хромопротеин и глобулин
- Связывает кислород с эффективностью 1,34 мл O2 на грамм
- Транспортирует углекислый газ и оксид азота
- Содержится в различных клетках, включая дофаминергические нейроны и легкие
-
История исследований
- Иоганн Фридрих Энгельхарт определил молекулярную массу гемоглобина в 1825 году
- Гилберт Смитсон Эдер подтвердил результаты Энгельхарта в 1925 году
- Макс Перуц определил молекулярную структуру гемоглобина в 1959 году
-
Генетика гемоглобина
- Состоит из белковых субъединиц, кодируемых генами HBA1, HBA2 и HBBB
- Аминокислотные последовательности субъединиц различаются у разных видов
- Мутации в генах могут вызывать гемоглобинопатии, такие как серповидноклеточная анемия
-
Адаптация гемоглобина
- Гемоглобин адаптируется к разреженному воздуху на больших высотах
- Мутации в генах позволяют высокогорным мышам и мамонтам эффективно использовать кислород
- У тибетских женщин с высоким сродством гемоглобина к кислороду наблюдается более высокий уровень выживаемости потомства
-
Синтез гемоглобина
- Синтезируется в несколько этапов в митохондриях и цитозоле эритроцитов
- Выработка продолжается до потери ядра эритроцитов у млекопитающих
- Остаточная рибосомальная РНК обеспечивает дальнейший синтез гемоглобина
-
Структура гема
- Гемоглобин имеет четвертичную структуру, состоящую из четырех субъединиц
- Аминокислоты образуют альфа-спирали, стабилизированные водородными связями
-
Структура гемоглобина
- Гемоглобин состоит из четырех глобулярных белковых субъединиц
- Каждая субъединица содержит белковую цепь и простетическую гемовую группу
- Гемовая группа состоит из иона железа и порфиринового кольца
-
Связывание кислорода
- Гемоглобин связывает кислород через ион железа
- Кислород связывается в форме «загнутого конца»
- Железо может находиться в двухвалентном или трехвалентном состоянии
-
Типы гемоглобина
- У взрослых людей наиболее распространен гемоглобин А (α2β2)
- У младенцев фетальный гемоглобин состоит из α- и γ-цепей
-
Насыщение кислородом
- Гемоглобин может быть насыщен или ненасыщен кислородом
- Оксигемоглобин образуется при связывании кислорода в легких
- Дезоксигемоглобин не содержит связанного кислорода
-
Эволюция гемоглобина
- Разделение миоглобина и гемоглобина произошло после отделения миног от челюстных позвоночных
- Гены α- и β-глобинов возникли в результате дупликации
- Наличие нескольких субъединиц способствует совместному связыванию кислорода
-
Сотрудничество в гемоглобине
- Связывание кислорода вызывает конформационные изменения в тетрамере
- Сродство гемоглобина к кислороду повышается за счет насыщения молекулы
- Кривая связывания кислорода имеет сигмовидную форму
-
Лиганд гемоглобина
- Гемоглобин связывается с кислородом, монооксидом углерода (CO), диоксидом углерода (CO2) и оксидом азота (NO).
- CO конкурирует с кислородом, образуя карбоксигемоглобин.
- CO2 связывается с гемоглобином, способствуя высвобождению кислорода.
- NO связывается с тиольными группами гемоглобина, высвобождая сосудорасширяющий оксид азота.
-
Конкурентные ингибиторы
- CO, цианид, монооксид серы и сульфид конкурируют с кислородом, вызывая токсичность.
- Оксид азота может превращать гемоглобин в метгемоглобин.
-
Аллостерические лиганды
- CO2 связывается с гемоглобином, снижая сродство к кислороду.
- Эффект Бора способствует высвобождению кислорода из гемоглобина.
- Корневой эффект снижает общую способность гемоглобина связывать кислород.
-
Адаптация гемоглобина
- У людей на больших высотах гемоглобин адаптирован к низким парциальным давлениям кислорода.
- Рыбы используют АТФ и ГТФ для изменения сродства гемоглобина к кислороду.
-
Типы гемоглобина у человека
- Варианты гемоглобина включают эмбриональные, фетальные и патологические формы.
- Гемоглобин А является наиболее распространенным у взрослых.
- Гемоглобин F ограничен у взрослых, но может быть повышен при заболеваниях.
-
Деградация гемоглобина
- Стареющие эритроциты удаляются из кровотока макрофагами.
- Свободный гемоглобин выводится из кровообращения с помощью CD163.
- Внутри макрофагов гемоглобин расщепляется, и железо перерабатывается повторно.
-
Деградация гема и её продукты
- Деградация гема является единственным естественным источником окиси углерода в организме человека.
- Билирубин образуется при разрушении гема и выводится через кишечник.
-
Заболевания, связанные с гемоглобином
- Дефицит гемоглобина может быть вызван анемией или генетическими дефектами.
- Гемоглобинопатии могут привести к снижению способности крови переносить кислород.
- Анемия может быть вызвана дефицитом железа, проблемами с костным мозгом или химиотерапией.
-
Гликированный гемоглобин
- Гликированный гемоглобин (Hb A1c) отражает уровень глюкозы в крови за время жизни эритроцитов.
- Высокий уровень Hb A1c связан с плохим контролем диабета.
-
Полицитемия и её причины
- Полицитемия связана с увеличением количества или размеров эритроцитов.
- Причины включают врожденный порок сердца, легочный фиброз и избыток эритропоэтина.
-
Диагностические применения
- Измерение концентрации гемоглобина является частью общего анализа крови.
- Нормальные уровни гемоглобина варьируются в зависимости от пола и возраста.
- Обезвоживание и гипергидратация могут влиять на уровень гемоглобина.
-
Методы измерения гемоглобина
- Лабораторные методы включают взятие крови и анализ на гематологическом анализаторе.
- Пульсоксиметрия и инфракрасная томография также используются для измерения гемоглобина.
- Метод повторного дыхания монооксидом углерода позволяет измерить массу гемоглобина.
-
Долгосрочный контроль глюкозы
- Hb A1c отражает уровень глюкозы в крови за период полураспада эритроцитов.
- Значения Hb A1c менее 6,0% свидетельствуют о хорошем контроле уровня глюкозы.
-
Комбинированное измерение с помощью NIRS
- Хорошая корреляция с сигналом окси- и дезоксигемоглобина
- Сравнение с сигналом BOLD
-
Использование спортивного трекинга и самонаблюдения
- Неинвазивное отслеживание уровня гемоглобина
- Создание индивидуального набора данных для понимания спортивных результатов и тренировок
-
Аналоги в беспозвоночных организмах
- Множество белков, переносящих и связывающих кислород
- Гемоглобиноподобные белки у бактерий, простейших и грибов
- Различия в структуре гемоглобинов у разных видов
-
Структура гемоглобинов у разных видов
- Примитивные виды содержат гемоглобины с одним глобином
- Черви-нематоды, моллюски и ракообразные имеют крупные многосвязные молекулы
- Химерные гемоглобины у грибов и гигантских кольчатых червей
-
Другие кислородсвязывающие белки
- Гемоглобин в неэритроидных клетках мозга
- Функции гемоглобина в макрофагах, альвеолярных клетках и мезангиальных клетках почек
-
Историческое и культурное значение
- Связь между цветом крови и ржавчины
- Скульптуры Джулиана Восс-Андреа и Николаса Байера
-
Дополнительные ресурсы
- Биологический и медицинский порталы
- Карбаминогемоглобин, карбоксигемоглобин, хлорофилл
- Полный анализ крови, дельта-глобин, гемоглобинометр
- Гемопротеин, метгемоглобин, оксигемоглобин
- Тегилларка граноза, металлоорганический комплекс Васьки