Образование оксигемоглобина

Мы уже отмечали, что оксигемоглобин — более сильная кислота, чем дезоксигемоглобин, поскольку при оксигенации кислые группы белка каждой из субъединиц гемоглобина снижают рК. При соединении гемоглобина с кислородом его отрицательный заряд увеличивается, вытесняется соответствующее количество ионов НСОз и облегчается отдача С02. Окись азота — кровяной яд, переводит оксигемоглобин в метгемо-глобин.

Окись углерода вытесняет кислород из оксигемоглобина крови, образуя карбоксигемоглобин (СОНв). Кроме того, в присутствии окиси углерода в крови ухудшается отдача кислорода тканями. При содержании 0,04% СО в воздухе более 30% гемоглобина крови химически связано с СО; при 0,1%.— соответственно 50%; при 0,4%—более 80%; при 0,50%.—смерть наступает через 2— 3 вдоха.

При одинаковом РОг количество образующегося оксигемоглобина тем меньше, чем больше С02.

В тканях всегда содержится повышенное количество СОг. Когда оксигемоглобин в потоке артериальной крови достигает клеток, то он обязательно должен распасться на НЬ и Ог, т, е. отдать 02, Этой реакции в тканях благоприятствуют два основных фактора: 1) малое рОг и 2) большое рСОа.

Действительно, в некоторых случаях получают кривую диссоциации оксигемоглобина, близкую , к гиперболе. Это означает, что молекулы гемоглобина не образуют групп (агрегатов) и каждая молекула НЬ может связать молекулу 02. В большинстве же случаев, как было указано ранее, получают диссоциационные кривые, имеющие 5-образный характер.

Анилин является нервным и кровяным ядом, он вызывает превращение оксигемоглобина в метгемоглобин, а также изменения и распад эритроцитов. Отравления возможны при вдыхании паров анилина, а также при проникновении его в организм через кожу.

СОНв — карбоксигемоглобин, образующийся при вытеснении 0£ окисью углерода из оксигемоглобина крови.

В органах дыхания (например, в жабрах) имеются обратные отношения: высокое рОг и малое рСОг. При этих условиях распад оксигемоглобина затруднен, образование же его крайне облегчено. Степень влияния СОз на кровь разных рыб проявляется в разной мере.

Окись углерода — крайне опасный яд. Токсическое действие окиси углерода заключается в способности ее вытеснять кислород из оксигемоглобина крови, образуя карбоксигемоглобин. Вследствие этого нарушается обмен кислорода в организме, и наступает удушье.

И-ал кил анилины и толуидины являются политропными ядами с преимущественным действием на систему крови с нарушениями функций оксигемоглобина, с вторичным поражением нервной системы.

Большинство аминосоединений ароматического ряда, подобно нитросоединениям, является нервными и кровяными ядами. Они вызывают превращение Оксигемоглобина в метгемоглобин, а также дегенеративные изменения в эритроцитах и распад их. Характерной особенностью некоторых аминосоединений является способность их вызывать доброкачественные и злокачественные опухоли мочевого пузыря, так называемый «анилиновый рак». Некоторые аминосоединения вызывают раздражение кожи — экземы. Главный путь поступления ароматических аминов в организм — всасывание через кожу или вдыхание паров и пыли.

Реакция гемоглобина с кислородом в значительной степени зависит от рСОг. С увеличением напряжения угольной кислоты в крови диссо-циационная кривая оксигемоглобина смещается вправо. Это явление называется эффектом Бора.

Анализ данных, приведенных в табл. 11.7, показывает, что все концентрации ППС не вызывали достоверных сдвигов в крови смариды количества метгемоглобина, оксигемоглобина и общего пигмента. Результаты исследования содержания гемоглобина, эритроцитов и лейкоцитов у смариды при посадке л = 8 при отравлении ППС приведены в табл. 11.8. Из таблицы видно, что динамика указанных показателей при отравлении ППС в течение всего эксперимента (30 сут) аналогична как в контроле, так и опыте.

Была высказана химическая теория, согласно которой угольная; кислота, освобождающаяся из венозных капилляров, переходит в .артериальные капилляры и действует на оксигемоглобин. Оксигемоглобин: под влиянием угольной кислоты легко отдает» кислород, который и переходит в плавательный пузырь. Кислый характер секрета, выделяемого железистым эпителием, также усиливает отщепление кислорода ог оксигемоглобина, увеличивая его диссоциацию.

Особый кровяной пигмент, образующийся из гемоглобина при действии некоторых ядов. Представляет собой соединение гемоглобина с кислородом, причем в отличие от оксигемоглобина это соединение прочное, поэтому метгемоглобин не может выполнять функции переносчика кислорода. Образование большого количества метгемоглобина приводит к кислородному голоданию организма.

Отравляющее действие СО основывается на его способности образовывать с гемоглобином относительно устойчивое комплексное соединение светло-красного цвета карбоксигемоглобин, аналогичное оксигемоглобину. Сродство СО к гемоглобину более чем в 200 раз сильнее, чем у кислорода. Поэтому 0,1 % СО в воздухе связывает такое же количество гемоглобина (50%), что и кислород. Однако образование карбоксигемоглобина обратимо; при достаточном доступе воздуха в легкие он снова превращается в оксигемоглобин. При этом содержание примерно 10% карбоксигемоглобина в крови еще не создает непосредственной опасности для дыхательной функции; длительно его содержание не должно превышать 2%. Поскольку СО в папиросном дыме присутствует в значительных концентрациях [до 2% (об.) == 20 000 млн-1], кровь курильщиков содержит сравнительно большое количество карбоксигемоглобина.

Увеличение сродства гемоглобина с кислородом благоприятствует реакции их связывания в органах дыхания, но это же свойство гемо—глобина затрудняет отдачу кислорода в тканях. Чтобы реакция распада оксигемоглобина могла осуществиться в потребляющих кислород тканях, там должно существовать низкое рОг.[ …]

Хлор-ИФК не угнетает активность холинэстеразы, но угнетает тканевые окислительные ферменты, содержащие сульфгидрильные группы, способствует образованию в крови метгемоглобина, снижению содержания оксигемоглобина. Кроме того, он снижает количество эритроцитов, благоприятствует появлению в крови незрелых форм эритроцитов, увеличению количества нейтрофилов, развитию лимфопении. Нормализация состояния крови (в отношении количественного состава клеток) происходит через месяц после исчезновения клинических признаков отравления.

Чем ниже содержание кислорода в воде, при котором происходит полунасыщение (Р ,о), тем выше сродство гемоглобина к кислороду и наоборот. При высоком сродстве гемоглобина к кислороду кривые диссоциации оксигемоглобина сдвинуты влево, а при более низком — вправо. Гемоглобин с пониженным сродством к кислороду отдает его в тканях легче, чем гемоглобин с повышенным сродством к кислороду. Помимо р02, в воде многие другие факторы оказывают существенное влияние на связывание кислорода гемоглобином и кривые его диссоциации. Особое место среди них принадлежит С02 и другим кислотам, оказывающим влияние на pH крови.

Двухвалентное железо гема способно связывать кислород, не переходя само при этом в трехвалентное. Эту реакцию схематически, можно изобразить следующим уравнением, в котором НЬ — восстановленный гемоглобин, а НЬОг — окисный гемоглобин (оксигемоглобин).

Объяснение Ледебуром процесса секреции газов в плавательном пузыре в общих чертах, по-видимому, больше соответствует действительности, чем объяснение с чисто физико-химической точки зрения — как влияние угольной кислоты на диссоциацию оксигемоглобина. Однако-остается совершенно невыясненным тот биохимический процесс, который обеспечивает выделение кислорода в плавательный пузырь в значительных количествах. По-видимому, рыбы, имеющие высокий процент кислорода в плавательном пузыре, обладают ферментативной системой пере-кисного характера, которая обеспечивает относительно быстрое отщепление кислорода в плавательный пузырь.

По признаку сродства гемоглобина к кислороду ныряющие животные в большинстве случаев существенно не отличаются от неныряющих. Поскольку дыхание у всех этих животных происходит при нормальном давлении, повышение степени сродства не имело бы смысла; при разрядке оксигемоглобина в тканях высокое сродство к кислороду лишь затрудняло бы этот процесс. Не исключено, что высокое сродство гемоглобина к кислороду выполняет у пингвинов особую функцию, ускоряя реоксигенацию крови при коротких появлениях кормящихся птиц на поверхности, а снабжение тканей кислородом облегчается относительно высоким эффектом Бора.

Всем хорошо известно, что необходимый клеткам кислород переносится к ним от легких (а у рыб — от жабр) содержащимся в эритроцитах гемоглобином. В капиллярах легких кислород присоединяется к гемоглобину, а в капиллярах других органов и тканей происходит диссоциация оксигемоглобина — отщепление от него кислорода. Кислород используется тканями для обеспечения окислительных процессов, а обедненная им венозная кровь направляется к легким за новыми порциями кислорода.

Как видим, наибольшим сродством к кислороду обладает гемоглобин животных, всегда или периодически обитающих в воде, особенно у ведущих придонный образ жизни (миксина, карп), а среди наземных оно выше у живущей в горах ламы, чем у равнинных птиц и человека. То же можно сказать и о диссоциации оксигемоглобина в капиллярах тканей и органов. У животных, приспособленных к гипоксическим условиям, она происходит быстрее и полнее.

Почти все летучие и водорастворимые соединения азота ядовиты [1, с. 119]. Эти соединения и продукты их превращения вызывают в организме различные поражения. Особенно характерны поражения центральной нервной системы и крови. Почти все токсичные азотсодержащие соединения вызывают в той или иной степени превращение оксигемоглобина в метагемоглобин и распад красных кровяных телец. Эти процессы влекут за собой поражение печени и почек. Ряд веществ (аммиак, гидразин и их производные) вызывает сильное раздражение верхних дыхательных путей и глаз, а также поражение легких и отек легких (диоксид азота).

Кривые, выражающие связь НЬ с С02, имеют вид парабол и полностью объясняются законом действующих масс: с увеличением рСОг увеличивается количество связанной угольной кислоты. Имеющиеся 6 крови основания связывают С02 почти в неограниченном количестве. Поэтому кривые, выражающие этот процесс, не имеют уплощения (предела), как диссоциационные кривые оксигемоглобина.

Если форели, как правило, не встречаются со значительными концентрациями угольной кислоты, то карп и линь встречаются. Поэтому первые не выработали способности противостоять повышенным концентрациям СОг, а вторые выработали. Приспособление шло, по-видимому, в первую очередь по пути обеспечения реакции связывания кислорода гемоглобином (см. диссоциационные кривые оксигемоглобина, рис. 31 и 33).

Физиологическое действие мышьяка заключается в разрушении красных кровяных шариков, что ведет к малокровию. При систематическом действии мышьяковистый водород вызывает гемолиз эритроцитов и образование метгемоглобина. Отравления мышьяковистым водородом всегда носят острый характер и являются неожиданными. Токсикологическое действие продукта, вероятно, объясняется тем, что его окисление протекает за счет отнятия кислорода от оксигемоглобина. ПДК равен 0,000 1 мг/л.[ …]

Основополагающая роль упорядоченных кристаллических структур воды в белках подтверждена многочисленными исследованиями кристаллофизических свойств белков с помощью электронного мик-роскопирования, рентгеноструктурного анализа и методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [14,15]. Получаемые структуры белка подобны структурам аллотропных форм льдов.

Механизм токсического действия окиси углерода весьма сложен. Одна из сторон его определяется способностью СО превращать часть гемоглобина в инак-тивную форму — карбоксигемоглобин (СОНЬ), что ведет к развитию гипоксемии и нарушению тканевого дыхания. Ввиду большого сродства гемоглобина к СО образование СОНЬ происходит даже при ничтожном парциальном давлении окиси углерода в альвеолярном воздухе. Процесс НЬ+СО—»-СОНЬ идет в 10 раз медленнее, чем процесс НЬ+02—Ю2НЬ. Обратный же процесс диссоциации карбоксигемоглобина протекает в 3600 раз медленнее, чем у оксигемоглобина (Е. К- Жуков, 1937).

Определение метгемоглобина в крови. Качественное определение— спектроскопическое. Удается не всегда, лучше—на начальных стадиях, когда еще имеется легкое желтушно-синеватое окрашивание кожи (особенно лица). Не удается обнаружить метгемоглобин часто при тяжелой синюхе. Спектроскопическое исследование на метгемоглобин надо начинать с малых разведений крови, когда спектр затемнен целиком вплоть до красной его части; тогда лучше выступает типичная полоса в красно-оранжевой части (Д, = 634 ммк). При дальнейшем разведении выступают также и обе нормальные полосы оксигемоглобина — сначала а-, а затем Р-полоса, наконец, широкая полоса в сине-фиолетовой части спектра; характерная же полоса в оранжевой части постепенно бледнеет [71]. Возможна и прямая спектроскопия циркулирующей крови, для чего слегка натянутую ушную раковину рассматривают в проходящем свете от приставленной почти вплотную электрической лампочки. Для этого применим обычный лабораторный спектроскоп.

Оксид углерода в высоких концентрациях в воздухе может привести к физиологическим и патологическим изменениям и неожиданной смерти человека. Это токсичный газ, вызывающий головную боль, головокружение, рвоту, одышку, замедленное дыхание, судороги и быструю гибель людей, поэтому для него установлены жесткие предельно-допустимые концентрации. ПДК в воздухе рабочей зоны — 10 мг/м3, ПДКыр — 5 мг/м3, а ПДК,с — 3 мг/м3. Оксид углерода можно считать вдыхаемым ядом, который лишает ткани тела необходимого им кислорода. Оксид углерода, соединяясь с гемоглобином крови, образует карбоксигемоглобин, соединение же кислорода с гемоглобином дает оксигемоглобин. Сродство гемоглобина с СО примерно в 210 раз выше его сродства с кислородом. К счастью, процесс образования в крови карбоксигемоглобина — обратимый. Когда вдыхание оксида углерода прекращается, СО, связанный с гемоглобином, постепенно выделяется, и кровь человека очищается от оксида углерода наполовину за каждые 3-4 часа.

Практически весь 0₂ (около 20 об%- 20 мл 0₂ на 100 мл кро­ви) переносится кровью в виде химического соединения с гемогло­бином. В виде физического растворения транспортируется только 0,3 об%. Однако эта фаза весьма важна, так как 0₂ из капилляров к тканям и 0₂ из альвеол в кровь и в эритроциты проходит через плазму крови в виде физически растворенного газа.

А. Свойства гемоглобина и его соединения. Этот красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах как переносчик 0₂, обладает замечательным свойством присоединять 0₂, когда кровь находится в легком, и отдавать 0₂, когда кровь проходит по капиллярам всех органов и тканей организма. Гемоглобин являет­ся хромопротеидом, его молекулярный вес составляет 64 500, он состоит из четырех одинаковых групп — гемов. Гем представляет собой протопорфирин, в центре которого расположен ион двухва­лентного железа, играющего ключевую роль в переносе 0₂. Кисло­род образует обратимую связь с гемом, причем валентность желе­за не изменяется. При этом восстановленный гемоглобин (НЬ) становится окисленным НЬ0₂, точнее, НЬ(0₂)₄ Каждый гем при­соединяет по одной молекуле’кислорода, поэтому одна молекула гемоглобина связывает четыре молекулы 0₂. Содержание гемогло­бина в крови у мужчин 130-160 г/л, у женщин 120-140 г/л. Ко­личество 0₂, которое может быть связано в 100 мл крови, у мужчин составляет около 20 мл (20 об%) — кислородная емкость крови, у женщин она на 1-2 об% меньше, так как у них меньше НЬ. После разрушения старых эритроцитов в норме и в результате патологиче­ских процессов прекращается и дыхательная функция гемоглобина, поскольку он частично «теряется» через почки, частично фагоцитиру­ется клетками мононуклеарной фагоцитирующей системы.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истин­ному окислению. При этом железо из двухвалентного превраща­ется в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся полипептидная молекула в целом — метгемоглоби-на. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незна­чительных количествах, но при отравлениях некоторыми ядами, при действии некоторых лекарств, например, кодеина, фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключа­ется в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает 0₂ тканям) и, естественно, не может присоединять до­полнительно молекулы 0₂, то-есть он теряет свои свойства пере­носчика кислорода. Так же опасно соединение гемоглобина с угар­ным газом (СО) — карбоксигемоглобин, поскольку сродство

гемоглобина к СО в 300 раз больше, чем к кислороду, и НЬСО дис­социирует в 10 000 раз медленнее, чем НЬ0₂. Даже при крайне низ­ких парциальных давлениях угарного газа гемоглобин превращает­ся в карбоксигемоглобин: НЬ+СО = НЬСО. В норме на долю НЬСО приходится лишь 1 % общего количества гемоглобина крови, у ку­рильщиков — значительно больше: к вечеру оно достигает 20%. Если в воздухе содержится 0,1% СО, то около 80% гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин и выключается из транспорта 0₂. Опасность образования большого количества НЬСО подстерегает пассажиров на автомобильных дорогах. Известно много случаев со смертельным исходом при включении двигателя автомобиля в га­раже в холодное время года с целью обогрева. Первая помощь по­страдавшему заключается в немедленном прекращении его контак­та с угарным газом.

Б. Образование оксигемоглобина происходит в капиллярах легких очень быстро. Время полунасыщения гемоглобина кислоро­дом составляет всего лишь 0,01 с (длительность пребывания крови в капиллярах легких в среднем 0,5 с). Главным фактором, обеспе­чивающим образование оксигемоглобина, является высокое парци­альное давление 0₂ в альвеолах (100 мм рт.ст.).

Пологий характер кривой образования и диссоциации оксиге-* моглобина в верхней ее части свидетельствует о том, что в случае значительного падения Ро₂ в воздухе содержание 0₂ в крови будет сохраняться достаточно высоким (рис. 7.6). Так, даже при падении Ро₂ в артериальной крови до 60 мм рт.ст. (8,0 кПа) насыщение ге­моглобина кислородом равно 90% — это весьма важный биологи­ческий факт: организм все еще будет обеспечен 0₂ (например, при подъеме в горы, полетах на низких высотах — до 3 км), т. е. имеется высокая надежность механизмов обеспечения организма кисло­родом.

Процесс насыщения гемоглобина кислородом в легких отра­жает верхняя часть кривой от 75 % до 96-98%. В венозной кро­ви, поступающей в капилляры легких, Ро₂ равно 40 мм рт.ст. и достигает в артериальной крови 100 мм рт.ст., как Ро₂ в альвео­лах. Имеется ряд вспомогательных факторов, способству­ющих оксигенации крови: 1) отщепление от карбгемоглобина С0₂ и удаление его (эффект Вериго); 2) понижение температуры в лег­ких; 3) увеличение рН крови (эффект Бора). Следует также отме­тить, что с возрастом связывание 0₂ гемоглобином ухудшается.

В. Диссоциация оксигемоглобина происходит в капиллярах, когда кровь от легких приходит к тканям организма. При этом ге­моглобин не только отдает 0₂ тканям, но и присоединяет образо­вавшийся в тканях С0₂. Главным фактором, обеспечивающим

диссоциацию оксигемоглобина, является падение Ро₂, который бы­стро потребляется тканями. Образование оксигемоглобина в легких и диссоциация его в тканях проходят в пределах одного и того же верхнего участка кривой (75-96% насыщения гемогло­бина кислородом). В межклеточной жидкости Ро₂ уменьшается до 5-20 мм рт.ст., а в клетках падает до 1 мм рт.ст. и меньше (когда Ро₂ в клетке становится равным 0,1 мм рт.ст., клетка погибает). Поскольку возникает большой градиент Ро₂ (в пришедшей артери­альной крови он около 95 мм рт.ст.), диссоциация оксигемоглоби­на идет быстро, и 0₂ переходит из капилляров в ткань. Длитель­ность полудиссоциаций равна 0,02 с (время прохождения каждого эритроцита через капилляры большого круга около 2,5 с), что дос­таточно для отщепления 0₂ (огромный запас времени).

Кроме главного фактора (градиента Ро₂) имеется и ряд вспо­могательных факторов, способствующих диссоциации окси­гемоглобина в тканях. К ним относятся: 1) накопление С0₂ в тканях; 2) закисление среды; 3) повышение температуры.

Таким образом, усиление метаболизма любой ткани ведет к улучшению диссоциации оксигемоглобина. Кроме того, диссоциа­ции оксигемоглобина способствует 2,3-дифосфоглицерат — про­межуточный продукт, образующийся в эритроцитах при расщеп-

лении глюкозы. При гипоксии его образуется больше, что улучша­ет диссоциацию оксигемоглобина и обеспечение тканей организма кислородом. Ускоряет диссоциацию оксигемоглобина также и АТФ,но в значительно меньшей степени, так как 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах содержится в 4-5 раз больше, чем АТФ.

Г. Миоглобин также присоединяет 0₂. По последовательнос­ти аминокислот и третичной структуре молекула миоглобина очень сходна с отдельной субъединицей молекулы гемоглобина. Однако молекулы миоглобина не соединяются между собой с образовани­ем тетрамера, что, по-видимому, объясняет функциональные осо­бенности связывания 0₂. Сродство миоглобина к 0₂ больше, чем у гемоглобина: уже при напряжении Ро₂ 3-4 мм рт.ст. 50% миогло­бина насыщено кислородом, а при 40 мм рт.ст. насыщение достига­ет 95%. Однако миоглобин труднее отдает кислород. Это своего рода запас 0₂, который составляет 14% от общего количества 0₂, содержащегося в организме. Оксимиоглобин начинает отдавать кислород только после того, как парциальное давление 0₂ падает ниже 15 мм рт.ст. Благодаря этому он играет в покоящейся мышце роль кислородного депо и отдает 0₂ только тогда, когда исчерпыва­ются запасы оксигемоглобина, в частности, во время сокращения мышцы кровоток в капиллярах может прекращаться в результате, их сдавливания, мышцы в этот период используют запасенный во время расслабления кислород. Это особенно важно для сердечной мышцы, источником энергии которой является в основном аэроб­ное окисление. В условиях гипоксии содержание миоглобина воз­растает. Сродство миоглобина с СО меньше, чем гемоглобина.

Обмен кислорода и углекислого газа в тканях

В тканях диффундирующий в кровь из клеток СО₂ большей частью (около 90%) по градиенту концентрации попадает в эритроциты. Движущей силой этого процесса является быстрая, постоянно идущая реакция превращения его в угольную кислоту при участии фермента карбоангидразы. Угольная кислота диссоциирует и подкисляет содержимое эритроцита, что улучшает отдачу оксигемоглобином кислорода (Эффект Бора).

Одновременно с концевыми NH₂-группами β-цепей гемоглобина связывается 10-12% двуокиси углерода (CO₂) с образованием карбаминогемоглобина (H-HbCO₂).

Остальные бикарбонаты выходят в плазму крови в обмен на ионы хлора (гипохлоремический сдвиг).

Таким образом, в составе карбаминогемоглобина транспортируется 10-12% CO₂, в растворенном состоянии в плазме крови также до 12%, остальная часть находится в виде растворенного карбонат-иона (HCO₃^–) в плазме и эритроците, примерно поровну (соотношение 9 : 7).

Обмен кислорода и углекислого газа в легких

В легких в альвеолярном воздухе имеется высокая концентрация кислорода и относительно низкая концентрация углекислого газа. Поэтому происходит быстрая диффузия СО₂ из плазмы через альвеолярные мембраны и его удаление с выдыхаемым воздухом,

Далее

• уменьшение концентрации СО₂ в плазме стимулирует его образование в карбоангидразной реакции внутри эритроцита и снижает здесь концентрацию иона HCO₃^–,
• одновременно высокая концентрация кислорода вытесняет СО₂ из комплекса с гемоглобином с образованием оксигемоглобина – более сильной кислоты, чем угольная,
• диссоциирующие от оксигемоглобина ионы Н⁺ нейтрализуют поступающий из-вне ион HCO₃^– с образованием угольной кислоты. После карбоангидразной реакции образуется СО₂, который выводится наружу.

Строение

Гемоглобин является сложным белком класса хромопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает особая пигментная группа, содержащая химический элемент железо — гем. Гемоглобин является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α₁, α₂, β₁ и β₂. Субъединицы соединены друг с другом по принципу изологического тетраэдра. Основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия. И α, и β-цепи относятся к α-спиральному структурному классу, так как содержат исключительно α-спирали. Каждая цепь содержит восемь спиральных участков, обозначаемых буквами A-H (От N-конца к C-концу).

Гем представляет собой комплекс протопорфирина IX, относящегося к классу порфириновых соединений, с атомом железа(II). Эта простетическая группа нековалентно связана с гидрофобной впадиной молекул гемоглобина и миоглобина. Железо(II) характеризуется октаэдрической координацией, то есть связывается с шестью лигандами. Четыре из них представлены атомами азота порфиринового кольца, лежащими в одной плоскости. Две других координационных позиции лежат на оси, перпендикулярной плоскости порфирина. Одна из них занята азотом остатка гистидина в 93 положении полипептидной цепи (участок F). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу с обратной стороны и оказывается заключённой между атомом железа и азотом ещё одного остатка гистидина, располагающегося в 64 положении цепи (участок E). Всего в гемоглобине четыре участка связывания кислорода (по одному гему на каждую субъединицу), то есть одновременно может связываться четыре молекулы. Гемоглобин в легких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гема на 6-ю координационную связь.На эту же связь присоединяется и моноксид углерода, вступая с кислородом в конкурентную борьбу за связь с гемоглобином,образуя карбоксигемоглобин.Связь моноксида углерода с гемоглобином более прочная, чем с кислородом.Поэтому часть гемоглобина,образующая комплекс с моноксидом углерода не участвует в транспорте кислорода.В норме у человека образуется 1,2% карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.

Физиология

Гемоглобин является одним из основных белков, которыми питаются плазмодии малярии, и в эндемичных по малярии районах земного шара весьма распространены наследственные аномалии строения гемоглобина, затрудняющие малярийным плазмодиям питание этим белком и проникновение в эритроцит. В частности, к таким имеющим эволюционно-приспособительное значение аномалиям относится серповидно-клеточная анемия. Однако, к несчастью, эти аномалии, как и аномалии строения гемоглобина не имеющие явно приспособительного значения, сопровождаются нарушением кислород-транспортирующей функции гемоглобина, снижением устойчивости эритроцитов к разрушению, анемией и другими негативными последствиями. Аномалии строения гемоглобина называются гемоглобинопатиями.

Гемоглобин высоко токсичен при попадании значительного его количества из эритроцитов в плазму крови (что происходит при массивном внутрисосудистом гемолизе, геморрагическом шоке, гемолитических анемиях, переливании несовместимой крови и других патологических состояниях). Токсичность гемоглобина, находящегося вне эритроцитов, в свободном состоянии в плазме крови, проявляется тканевой гипоксией — ухудшением кислородного снабжения тканей, перегрузкой организма продуктами разрушения гемоглобина — железом, билирубином, порфиринами с развитием желтухи или острой порфирии, закупоркой почечных канальцев крупными молекулами гемоглобина с развитием некроза почечных канальцев и острой почечной недостаточности.

Ввиду высокой токсичности свободного гемоглобина в организме существуют специальные системы для его связывания и обезвреживания. В частности, одним из компонентов системы обезвреживания гемоглобина является особый плазменный белок гаптоглобин, специфически связывающий свободный глобин и глобин в составе гемоглобина. Комплекс гаптоглобина и глобина (или гемоглобина) затем захватывается селезенкой и макрофагами тканевой ретикуло-эндотелиальной системы и обезвреживается.

Другой частью гемоглобинообезвреживающей системы является белок гемопексин, специфически связывающий свободный гем и гем в составе гемоглобина. Комплекс гема (или гемоглобина) и гемопексина затем захватывается печенью, гем отщепляется и используется для синтеза билирубина и других желчных пигментов, или выпускается в рециркуляцию в комплексе с трансферрином для повторного использования костным мозгом в процессе эритропоэза.