Химическая энциклопедия

ГЕМОГЛОБИН (от греч. haima- кровь и лат. globus-шар), осн. белок дыхат. цикла, участвующий в переносе О₂ от органов дыхания к тканям, а в обратном направлении - СО₂. 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 к-рой нековалентно связан гем-ферропрото-порфирин (см. ф-лу).

Ф-цию переноса О₂ у нек-рых 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 О₂ на группу тема, т.е. на субъединицу. Переносчиком О₂ 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. Сu ⁺ и Fe^{2 +}), способных связать одну молекулу О₂.

Г. взрослого человека (НbА) имеет мол. м. 6,49*10⁴ и принадлежит к числу наиб. изученных белков. Его форма в р-ре близка к эллипсоиду с осями 6,4, 5,5 и 5,0 нм; изоэлектрич. точка 6,9. Тетрамер НЬА состоит из двух и двухсубъединиц, 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 Fe^{3 +}) НbА. Пространств. структура субъединиц (рис. 1) характеризуется наличием восьмиспиральных 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 О₂ занимает шестое вакантное место в координационной сфере Fe²⁺. Связывание происходит обратимо, без окисления железа, с образованием стабильного оксигенированного комплекса НbО₂. Одна молекула Г. способна присоединить 4 молекулы О₂-по одной на группу тема.

Рис. 1. Схема упаковки поли-пептидной цеписубъединицы гемоглобина. Точками обозначены положенияС атомов аминокислотных остатков; 1 -гем; 2-проксимальный остаток гистидина.

Субъединицы и 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 к-рой существует взаимод. пространственно разобщенных между собой групп (т. наз. гем-гем взаимодействие). Это проявляется в облегчении присоединения к тетрамеру последующих молекул О₂ по мере протекания оксигенирования, что значительно увеличивает эффективность переноса О₂ при физиол. условиях по сравнению с мономерными Г. и миоглобином (белок, депонирующий О₂ в мышцах). Присоединение О₂ к молекуле Г. сопровождается значит. конформационными перестройками пространств. структуры субъединиц и тетрамера в целом.

Сродство Г. к О₂ является основным физ.-хим. показателем функциональных св-в Г.; его принято характеризовать зависимостью степени оксигенирования Г. от парциального давления кислорода (кислородно-диссоционная кривая, или КДК, рис. 2), а также величиной, при к-рой достигается оксигенирование 50% Г. (р₅₀)- Нормальная величина р₅₀ НbА в крови при физиол. условиях [37 °С, парциальное давление СО₂ 40 мм рт. ст., рН 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 НbО₂), отдает в тканях ок. 45 мл О₂, при этом содержание НbО₂ в венозной крови составляет 70-75%.

Рис. 2. Зависимость содержания оксигемоглобина от парциального давления О₂.

Из клеток тканей СО₂ диффундирует через плазму крови в эритроциты, где гидратируется в р-ции, 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 СО₂ связывается в эритроцитах с N-концевымиаминогруппами Г. с образованием остатка карбаминовой к-ты, уменьшая сродство Г. к О₂. Увеличение Р_СО2 т-ры, ионной силы р-ра и уменьшение рН снижают сродство Г. к О₂. Важнейший внутриэритроцитарный регулятор сродства - анионы 2,3-дифосфоглицериновой к-ты. Увеличение их концентрации также уменьшает сродство Г. к О₂. Снижение сродства при уменьшении рН в интервале 9-6 наз. щелочным эффектом Бора, к-рый обусловлен существованием равновесия:

Этот эффект вносит значит. вклад в поддержание постоянного значения рН крови и освобождение О₂ в тканях соотв. уровню обмена в-в [увеличение концентрации СО₂ сдвигает равновесие р-ций (1) и (2) вправо]. В легких, где р_СО2 составляет 40 мм рт. ст., процессы, описываемые р-циями (1) и (2), идут в обратном направлении, в результате чего СО₂, 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.). Св-ва эмбриональных Г. обеспечивают выполнение кисло-родтранспортной ф-ции 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, кодирующиеглобиновые 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 структураи неглобиновых 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, иглобиновых 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 к-ром шестой от N-концаглобиновой цепи остаток глутаминовой к-ты 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 биосинтезицепей 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. B.A. Спивак.