Гем — белок крови, переносящий кислород¶
Гем — железосодержащий порфириновый комплекс, входящий в состав ряда белков-переносчиков кислорода и ферментов, таких как гемоглобин, миоглобин, цитохромы и каталаза. Молекулярная формула гема B (наиболее распространённого типа) — C₃₄H₃₂FeN₄O₄. Гем обеспечивает связывание и транспорт молекулярного кислорода в крови, а также участвует в окислительно-восстановительных реакциях. В человеческом организме основным источником гема является гемоглобин эритроцитов.
¶Структура
Гем состоит из двух компонентов:
- Протопорфирина IX — плоской органической молекулы, построенной из четырёх пиррольных колец, соединённых метеновыми мостиками в макроцикл;
- Атома железа в степени окисления Fe²⁺ (ферро-форма) или Fe³⁺ (ферри-форма), расположенного в центре порфиринового кольца и координированного четырьмя атомами азота пиррольных колец.
Пятую координационную позицию железа занимает белковая часть (апопротеин) — чаще всего остаток гистидина, шестую — связываемая молекула (кислород, оксид углерода, вода или другой лиганд). Такая структура позволяет гему обратимо связывать O₂ без необратимого окисления Fe²⁺ в Fe³⁺.
¶Типы гемов
В природе известно несколько типов гема, различающихся заместителями порфиринового кольца:
| Тип | Распространение | Примеры белков |
|---|---|---|
| Гем A | Митохондрии эукариот | Цитохром c-оксидаза |
| Гем B | Наиболее распространённый | Гемоглобин, миоглобин, цитохром P450 |
| Гем S | Бактерии | Гемоглобин некоторых бактерий |
| Гем C | Бактерии, митохондрии | Цитохром c |
| Гем D | Бактерии | Цитохромы дыхательной цепи |
¶Биологическая роль
¶Транспорт кислорода
Основная функция гема — перенос кислорода. В гемоглобине каждый из четырёх субъединичных белков содержит по одному гему, что даёт возможность связывать до четырёх молекул O₂. Связывание кислорода кооперативно: присоединение первой молекулы облегчает связывание последующих, что проявляется в характерной S-образной кривой диссоциации. В тканях с низким парциальным давлением кислорода гем отдаёт O₂, переходя в дезоксигемоглобин.
¶Ферментативные функции
Гем входит в активные центры множества ферментов:
- цитохромы — участвуют в электронном транспорте в дыхательной цепи и в системе монооксигеназ;
- цитохром P450 — каталазирует гидроксилирование субстратов в печени, участвуя в метаболизме лекарств и токсинов;
- каталаза и пероксидазы — расщепляют перекись водорода;
- гуанилатциклаза — содержит гем и регулирует сигнальные процессы.
¶Сигнальные функции
Свободный гем (не связанный с белком) служит сигнальной молекулой: он регулирует транскрипцию генов, связываясь с репрессором Bach1, и влияет на синтез ферментов, участвующих в его же обмене.
¶Обмен гема в организме
¶Синтез
Биосинтез гема начинается в митохондриях из сукцинил-КoA и глицина, далее продолжается в цитоплазме и завершается в митохондриях. Ключевой фермент — δ-аминолевулинатсинтаза. В сутки у взрослого человека синтезируется около 250–300 мг гема, преимущественно в костном мозге (для гемоглобина) и печени.
¶Деградация
Ежедневно около 6–8 г гемоглобина разрушается в селезёнке макрофагами. Гем окисляется гемоксигеназой с высвобождением железа, монооксида углерода (CO) и биливердина, который далее восстанавливается в билирубин. Нарушения этого пути приводят к желтухам.
¶Клиническое значение
¶Порфирии
Группа наследственных заболеваний, обусловленных дефектами ферментов синтеза гема. Проявляются накоплением промежуточных порфиринов, фотосенсибилизацией, болями в животе, нейропсихическими нарушениями.
¶Сидеробластные анемии
Нарушение включения железа в порфириновое кольцо приводит к образованию сидеробластов — эритрокариоцитов с кольцами сидеробластов в костном мозге.
¶Отравление
Гемоглобин, связывающий вместо кислорода оксид углерода (карбоксигемоглобин) или метгемоглобин (с Fe³⁺), не способен переносить O₂. Отравление угарным газом основано на сродстве гема к CO, в 200–250 раз превышающем сродство к кислороду.
¶Гем в пищевых продуктах
Гемовое железо из мяса и рыбы усваивается эффективнее, чем негемовое из растительных продуктов, и служит важным фактором профилактики железодефицитной анемии. В то же время повышенное потребление гемового железа с красным мясом эпидемиологически ассоциировано с повышенным риском колоректального рака.
¶Примечания
Гем — не путать с гемом как элементом названий в медицине (гематома, геморрой и т.п.), происходящим от др.-греч. αἷμα «кровь». В данном случае речь идёт именно о химическом комплексе — протопорфирине IX с железом.
Источники:
- Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки.
- Ленинджер А. Биохимия.
- Voet D., Voet J. G. Biochemistry.
- Справочник по биохимии (под ред. Северина).