Гемоглобин: строение и роль железа¶
Гемоглобин — это сложный белок крови позвоночных животных и человека, относящийся к классу металлопротеинов; он содержит ионы железа, которые обеспечивают связывание и перенос кислорода. Гемоглобин входит в состав красных кровяных телец (эритроцитов) и придаёт крови характерный красный цвет. Содержание железа в молекуле гемоглобина составляет около 0,34 % от её массы, однако именно этот элемент определяет главную функцию белка — газообмен.
¶Строение молекулы
Молекула гемоглобина представляет собой тетрамер с молекулярной массой около 64,5 кДа. Она состоит из четырёх субъединиц: двух альфа-цепей и двух бета-цепей у взрослого человека (гемоглобин A, HbA). Каждая субъединица содержит гем — простетическую группу, представляющую собой порфириновое кольцо (протопорфирин IX) с ионом железа в центре.
Ион железа в геме находится в двухвалентной форме (Fe²⁺). Он координирован четырьмя атомами азота порфиринового кольца и одним атомом азота остатка гистидина (так называемого «проксимального» гистидина) пятой координационной позиции. Шестая координационная позиция предназначена для связывания молекулы кислорода. Если железо окисляется до трёхвалентной формы (Fe³⁺), образуется метгемоглобин, который не способен переносить кислород.
¶Роль железа в связывании кислорода
Кислород обратимо связывается с железом гема с образованием оксигемоглобина (HbO₂). В тканях с низким парциальным давлением кислорода молекула отдаёт O₂, превращаясь в дезоксигемоглобин. Этот процесс носит кооперативный характер: связывание первой молекулы кислорода облегчает связывание последующих, что описывается кривой диссоциации гемоглобина в форме S-образной кривой.
Помимо кислорода, гемоглобин способен связывать углекислый газ (в основном через аминогруппы белковой части, а не через железо) и оксид углерода (СО), образуя карбоксигемоглобин. Сродство гемоглобина к СО в 200–250 раз выше, чем к кислороду, что объясняет токсичность угарного газа.
¶Виды гемоглобина
У человека в течение жизни синтезируются различные формы гемоглобина:
| Форма | Состав | Период жизни |
|---|---|---|
| HbA | α₂β₂ | Взрослый человек (95–98 %) |
| HbA₂ | α₂δ₂ | 1–3 % у взрослых |
| HbF | α₂γ₂ | Плод и новорождённые |
| HbE | α₂ε₂ | Эмбриональный |
Гемоглобин F (фетальный) обладает более высоким сродством к кислороду, что обеспечивает его трансплацентарный перенос. После рождения синтез γ-цепей постепенно замещается синтезом β-цепей.
¶Метаболизм железа и гемоглобина
Железо для синтеза гемоглобина поступает в организм с пищей и хранится в виде ферритина и гемосидерина. В кишечнике железо всасывается в двенадцатиперстной кишке через транспортёр DMT1 и переносится трансферрином к костному мозгу, где включается в гем при участии феррохелатазы. Ежедневно у взрослого человека синтезируется около 200–250 мг гемоглобина, что требует примерно такого же количества железа.
Разрушение гемоглобина происходит в селезёнке, печени и костном мозге. Гем распадается на глобин (расщепляется до аминокислот) и железо, которое реутилизируется. Продукт распада порфиринового кольца — билирубин — выводится с желчью.
¶Клиническое значение
Уровень гемоглобина в крови является одним из основных лабораторных показателей. Норма для взрослых мужчин составляет 130–170 г/л, для женщин — 120–160 г/л. Снижение уровня гемоглобина ниже этих значений определяется как анемия, которая может быть связана с дефицитом железа, нарушением синтеза глобиновых цепей (талассемия), разрушением эритроцитов (гемолитические анемии) или дефицитом витамина B12 и фолиевой кислоты.
Повышенный уровень гемоглобина (полицитемия) может наблюдаться при обезвоживании, жизни на высокогорье или при опухолевых заболеваниях.
Гемоглобинопатии — группа наследственных заболеваний, обусловленных аномалиями глобиновых цепей. Наиболее известные из них — серповидноклеточная анемия (замена глутаминовой кислоты на валин в бета-цепи) и талассемии. Эти заболевания распространены в регионах с высокой распространённостью малярии, где гетерозиготное носительство обеспечивает защиту от инфекции.
¶Гемоглобин в диагностике
Определение гемоглобина проводится в клинических лабораториях методами цианметгемоглобинового, оксигемоглобинового или фотометрического анализа. Дополнительно используются электрофорез для выявления аномальных форм и определение среднего содержания гемоглобина в эритроците (MCH, MCHC), что помогает дифференцировать типы анемий.
Источники:
- Лекции по биохимии (М.: ГЭОТАР-Медиа)
- Страйер Л. Биохимия. Том 1
- Фримен С. Биология. Том 2
- Нельсон Д. Л., Кокс М. М. Принципы биохимии Ленингера
- Гематология: национальные руководства (под ред. В. Н. Серова, О. А. Рукавишниковой)