Биологическая химия - часть 19

Рис. 2.1. Координационные связи атома железа в молекуле гема. Все 4 связи

с атомами азота пиррольных колец расположены в одной плоскости, 5-я и 6-я

координационные связи (с атомом азота имидазольного кольца гистидина и с кис-

лородом соответственно) – по разные стороны перпендикулярно к этой плоскости.

(от англ. adult – взрослый) содержатся четыре полипептидные цепи, которые

вместе составляют белковую часть молекулы – глобин. Две из них, на-

зываемые α-цепями, имеют одинаковую первичную структуру и по 141

аминокислотному остатку. Две другие, обозначаемые β-цепями, также

идентично построены и содержат по 146 аминокислотных остатков. Таким

образом, вся молекула белковой части гемоглобина состоит из 574 амино-

кислот. Во многих положениях α- и β-цепи содержат разные аминокислот-

ные последовательности, хотя и имеют почти одинаковые пространствен-

ные структуры. Получены доказательства, что в структуре гемоглобинов

более 20 видов животных 9 аминокислот в последовательности оказались

одинаковыми, консервативными (инвариантными), определяющими функ-

ции гемоглобинов; некоторые из них находятся вблизи гема, в составе

участка связывания с кислородом, другие – в составе неполярной внутрен-

ней структуры глобулы.

В дополнение к основному гемоглобину HbA

1

 в крови взрослого

человека доказано существование мигрирующего с меньшей скоростью при

электрофорезе гемоглобина НbА

2

, также состоящего из 4 субъединиц: двух

α-цепей и двух δ-цепей. На долю НbА

2

 приходится около 2,5% от всего

гемоглобина. Известен, кроме того, фетальный гемоглобин (гемоглобин

новорожденных), обозначаемый HbF и состоящий из двух α-цепей и двух

γ-цепей. Фетальный гемоглобин отличается от HbA

1

 не только составом

аминокислот, но и физико-химическими свойствами: спектральным пока-

зателем, электрофоретической подвижностью, устойчивостью к щелочной

денатурации и др. Кровь новорожденного содержит до 80% HbF, но

к концу 1-го года жизни он почти целиком заменяется на НbА (все же

в крови взрослого человека открывается до 1,5% HbF от общего количества

гемоглобина). Последовательность аминокислот в γ- и δ-цепях гемогло-

бинов окончательно не расшифрована.

Установление первичной структуры субъединиц молекулы гемоглобина

стимулировало исследования по расшифровке структуры так называемых

а н о м а л ь н ы х  г е м о г л о б и н о в . В крови человека в общей сложности

открыто около 150 различных типов мутантных гемоглобинов. Появляются

мутантные формы гемоглобинов в крови вследствие мутации генов. Обыч-

но мутации делят на 3 класса в соответствии с топографией измененного

участка молекулы. Если замена аминокислоты происходит на поверхности

молекулы гемоглобина, то это мутация первого класса; подобные мутации

обычно не сопровождаются развитием тяжелой патологии, и болезнь

протекает бессимптомно; исключение составляет серповидно-клеточная

анемия. При замене аминокислоты вблизи гема нарушается связывание

81

N (имидазол)

О

2

кислорода – это мутация второго класса, сопровождающаяся развитием

болезни. И наконец, если замена происходит во внутреннем участке

молекулы гемоглобина, говорят о третьем классе мутации; подобные

мутации приводят к нарушению пространственной структуры и соответст-

венно функции гемоглобина.

Аномальные гемоглобины, различающиеся по форме, химическому

составу и величине заряда, были выделены при помощи электрофореза

и хроматографии. Передающиеся по наследству изменения чаще всего

являются результатом мутации единственного триплета, приводящей к за-

мене одной какой-либо аминокислоты в полипептидных цепях молекулы

гемоглобина на другую. В большинстве случаев происходит замена кислой

аминокислоты на основную или нейтральную (табл. 2.1). Поскольку это

замещение осуществляется в обеих полипептидных цепях одной из пар (α

или β), образовавшийся аномальный гемоглобин будет отличаться от

нормального величиной заряда и соответственно электрофоретической

подвижностью.

Т а б л и ц а 2.1. Замены аминокислот в аномальных гемоглобинах человека

Тип

гемоглобина

А

1

А

2

С

D

α

D

β

Е
F

G

G

p

H

Н

I

M

О

S

Состав пептидных

цепей

α

2

β

2

α

2

δ

2

α

2

β

2

α

2

β

2

α

2

β

2

α

2

β

2

α

2

γ

2

α

2

β

2

α

2

β

2

β

4

α

2

β

2

α

2

β

2

α

2

β

2

α

2

β

2

Нормальный остаток

и его положение в цепи

Глу 6 в β-цепи
Глу 23 в α-цепи

Лей 28 в β-цепи

Глу 26 в β-цепи

Глу 43 в β-цепи

Асп 68 в α-цепи

Лиз 16 в α-цепи

Вал 67 в β-цепи
Глу 116 в α-цепи
Глу 6 в β-цепи

Замена

Лиз

?

Глу

Лиз

Ала

Лиз

Асп

Глу

Лиз

Вал

В табл. 2.1 представлены некоторые типы аномальных гемоглобинов,

составы их полипептидных цепей с указанием известной или вероятной

локализации замены либо в α-, либо в β-цепях. Замены необычной

аминокислотой в аномальных гемоглобинах имеют место как в α-, так

и в β-цепях. Исключение составляет гемоглобин Н, все 4 полипептида

которого представлены β-цепями, идентичными по структуре β-цепям

нормального гемоглобина A

1

.

Следует указать, что некоторые мутации, вызывающие существенное

изменение структуры и соответственно функции гемоглобина, оказываются

летальными, и индивидуумы с подобным гемоглобином умирают в раннем

возрасте. Однако при ряде мутаций замена аминокислот не вызывает

заметного изменения функции гемоглобина, в этих случаях болезнь про-

текает бессимптомно.

Болезни гемоглобинов (их насчитывают более 200) называют гемогло-

бинозами. Принято делить их на  г е м о г л о б и н о п а т и и , в основе развития

которых лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи

82

Рис. 2.2. Нормальные и серповидные эритроциты.

нормального гемоглобина (часто их относят также к «молекулярным

болезням»), и талассемии, обусловленные наследственным нарушением

синтеза какой-либо нормальной цепи гемоглобина. Различают также же-

лезодефицитные анемии.

Классическим примером наследственной гемоглобинопатии является

с е р п о в и д н о - к л е т о ч н а я анемия, широко распространенная в странах

Южной Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. При этой патологии

эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода прини-

мают форму серпа (рис. 2.2). Гемоглобин S, как показали Л. Полинг и др.,

отличается рядом свойств от нормального гемоглобина: в частности, после

отдачи кислорода в тканях он превращается в плохо растворимую дез-

окси-форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных

кристаллоидов, названных тактоидами. Последние деформируют клетку

и приводят к массивному гемолизу. Болезнь протекает остро, и дети,

гомозиготные по мутантному гену, часто умирают в раннем возрасте.

Химический дефект при серповидно-клеточной анемии был раскрыт

В. Ингремом и сводится к замене единственной аминокислоты, а именно

глутаминовой, в 6-м положении с N-конца на валин в β-цепях молекулы

гемоглобина HbS (см. табл. 2.1, рис. 2.2). Это результат мутации в молекуле

ДНК, кодирующей синтез β-цепи гемоглобина. Все остальные аминокис-

лоты располагаются в той же последовательности и в таком же количестве,

как и в нормальном гемоглобине НЬА:

Одной этой замены оказалось достаточно не только для нарушения

формы эритроцита, но и для развития тяжелой наследственной болез-

ни – серповидно-клеточной анемии.

Талассемии, строго говоря, не являются гемоглобинопатиями. Это

генетически обусловленное нарушение синтеза одной из нормальных цепей

гемоглобина. Если угнетается синтез β-цепей, то развивается β-талас-

83

семия; при генетическом дефекте синтеза α-цепей развивается α-талас-

семия. При β-талассемии в крови наряду с HbA

1

 появляется до 15% НЬА

2

и резко повышается содержание HbF – до 15–60%. Болезнь характеризуется

гиперплазией и разрушением костного мозга, поражением печени, селезен-

ки, деформацией черепа и сопровождается тяжелой гемолитической ане-

мией. Эритроциты при талассемии приобретают мишеневидную форму.

Механизм изменения формы эритроцитов объяснить пока не удалось.

В медицинской практике часто проводят анализ кровяных пигментов,

который основан на исследовании спектроскопических свойств гема гемо-

глобина, точнее продуктов его окисления (хлорида гемина и гематина,

образующихся соответственно при обработке гемоглобина уксусной кисло-

той в присутствии хлорида натрия или разведенными растворами щелочей).

При восстановлении гематина сульфитом аммония в присутствии глобина

образуется производное гемоглобина – гемохромоген, в котором дена-

турированный глобин соединен с гемом. Полученный комплекс имеет

характерный спектр поглощения. Этот метод широко применяется в судеб-

но-медицинской практике при исследовании кровяных пятен.

Из многообразия производных гемоглобина, представляющих несом-

ненный интерес для врача, следует прежде всего указать на оксигемоглобин

НbО

2

 – соединение молекулярного кислорода с гемоглобином. Кислород

присоединяется к каждому гему молекулы гемоглобина при помощи коор-

динационных связей железа, причем присоединение одной молекулы кисло-

рода к тетрамеру облегчает присоединение второй молекулы, затем третьей

и т.д. Поэтому кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сиг-

моидную форму, свидетельствующую о кооперативности связывания кис-

лорода. Эта кооперативность обеспечивает не только связывание макси-

мального количества кислорода в легких, но и освобождение кислорода

в периферических тканях; этому способствует также наличие Н

+

 и СО

2

в тканях с интенсивным обменом. В свою очередь кислород ускоряет

высвобождение СО

2

 и Н

+

 в легочной ткани. Эта аллостерическая за-

висимость между присоединением Н

+

, О

2

 и СО

2

 получила название

эффекта Бора.

Помимо кислорода, гемоглобин легко соединяется с другими газами,

в частности с СО, NO и др. Так, при отравлении  о к с и д о м  у г л е р о д а

гемоглобин прочно с ним связывается с образованием  к а р б о к с и г е м о -

глобина (НbСО). При этом вследствие высокого сродства к СО гемогло-

бин теряет способность связывать кислород и наступает смерть от удушья,

недостаточного снабжения тканей кислородом. Однако при быстром по-

вышении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе можно

добиться частичного вытеснения СО из связи с гемоглобином и пре-

дотвратить летальный исход.

При отравлении оксидами азота, парами нитробензола и другими

соединениями часть гемоглобина окисляется в метгемоглобин (НbОН),

содержащий трехвалентное железо. Метгемоглобин также теряет способ-

ность к переносу кислорода от легких к тканям, поэтому при метгемо-

глобинемии (вследствие отравления окислителями) в зависимости от сте-

пени отравления может наступить смерть от недостатка кислорода. Если

вовремя оказать помощь, т.е. повысить парциальное давление кислорода

(вдыхание чистого кислорода), то и в этом случае можно вывести больного

из опасного состояния.

Следует отметить, что самым надежным методом качественного опре-

деления различных производных гемоглобина является исследование их

спектров поглощения.

84