90789 (Биохимические подходы к анализу нарушений обмена гемоглобина. Биохимия и патобиохимия печени)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Биохимические подходы к анализу нарушений обмена гемоглобина. Биохимия и патобиохимия печени »

МИНСК, 2008

Биохимические подходы к анализу нарушений обмена гемоглобина.

Гемоглобин – олигомерный белок, ставший первым объектом рентгеноструктурного анализа. М.в.=66000. Это сложный белок, относящийся к группе хромопротеидов. Хромопротеиды состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Последний называют простетической группой. Он, как правило, прочно связан с белковой молекулой. Содержит 4 полипептидные цепи и 4 простетические группы, в которых атомы железа находятся в закисной форме. Белковая часть (96%) глобин, 4% -гем. Глобин состоит из 2 альфа- и 3 β-цепей. Среди хромопротеидов различают гемопротеиды – они содержат в качестве простетической группы железо. Хромопротеиды наделены рядом уникальных биологических функций – они участвуют в таких фундаментальных процессах жизнедеятельности как дыхание клеток и целостного организма, транспорт кислорода и углекислоты.

Таким образом, хромопротеиды играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности. Достаточно, например, подавить дыхательную функцию гемоглобина путем введения окиси углерода или подавить утилизацию (потребление) кислорода в тканях введением синильной кислоты или ее солей (цианидов), ингибирующих ферментные системы клеточного дыхания, как моментально наступает смерть организма.

В организме человека содержится 5-6 л крови, в ней имеется 4,5-5г железа. Почти половина объема крови приходится на эритроциты, которые взвешены в богатой белками плазме крови. Кровь переносит от легких к тканям около 600л кислорода. Почти весь переносимый кровью кислород связан с гемоглобином эритроцитов. Гемоглобин, содержащийся в 100 мл крови связывает около 20 мл газообразного кислорода. Содержание гемоглобина в цельной крови зависит от количества эритроцитов. Эритроциты представляют собой двояковыпуклые диски, в них нет ни ядра, ни митохондрий и каких-либо других органелл. Эритроциты образуются из клеток предшественников- ретикулоцитов. Кроме переноса кислорода от легких к тканям, гемоглобин осуществляет перенос двух конечных продуктов тканевого дыхания, водорода и углекислого газа, доставляемых из ткани к легким и почкам.

Таким образом, кровь осуществляет свою дыхательную функцию благодаря наличию в ней гемоглобина. Физиологическая функция гемоглобина как переносчика кислорода основана на способности обратимо связывать кислород в зависимости от его напряжения в крови. Поэтому в легочных капиллярах происходит насыщение крови кислородом, а в тканевых капиллярах, где парциальное давление кислорода резко снижено, осуществляется отдача кислорода тканям. В состоянии покоя ткани и органы человека потребляют около 20 мл кислорода в минуту. При тяжелой физической работе количество потребляемого тканями кислорода возрастает в 10 раз. Гипоксия - кислородное голодание - состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушением его утилизации в процессе биологического окисления. Количество эритроцитов в крови при гипоксии уменьшается, а при гипероксии - увеличивается. В соответствии с этим содержание гемоглобина в цельной крови при гипоксии возрастает, а при гипероксии снижается.

К группе гемопротеидов относится гемоглобин и его производные, миоглобин. Все они содержат в качестве небелкового компонента железо-порфирины и различные по составу и структуре белки, обеспечивая тем самым разнообразие их биологических функции. Гемоглобин в качестве белкового компонента содержит глобин, а небелкового – гем. Видовые различия гемоглобина обуславливаются глобином.

Содержание железа в организме человека и животных регулируется интенсивностью всасывания пищевого железа в кишечнике. Избыток его просто не всасывается. Потребность в железе резко возрастает при анемиях различного происхождения. Недостаток железа в организме может вызвать нарушение последнего этапа синтеза гема - превращение протопорфирина в гем. Пищевое железо всасывается в кишечнике в виде неорганического двухвалентного железа после освобождения его из комплексов с белками. В клетках слизистой оболочки кишечника железо уже трехвалентное и соединяется с белком с образованием стабильного комплекса ферритина. В цельной крови железо содержится в основном в эритроцитах (18,5 ммоль/л), в плазме его концентрация составляет в среднем 0,02 ммоль/л. Ежедневно в процессе распада гемоглобина эритроцитов в селезенке и печени освобождается около 25 мг железа и столько же потребляется при синтезе гемоглобина в клетках кроветворных тканей. В костном мозге имеется лабильный запас железа, превыщающий в 5 раз суточную его потребность. Повышение содержания железа наблюдается при ослаблении синтеза гемоглобина или усиленном распаде эритроцитов.

В основе структуры простетической группы лежит порфириновое кольцо - производное порфирина. Порфирин состоит из 4 замещенных пирролов, соединенных между собой метиновыми мостиками. Протопорфирин, присоединяя железо, превращается в гем. Протопорфирин образует комплексы с ионами таких металлов как железо, магний, цинк, никель, кобальт и медь. Хелатный комплекс протопорфирина с двухвалентным железом называется протогемом или просто гемом. Аналогичный комплекс с трехвалентным железом носит название гемина. В геме 4 лигандные группы порфирина образуют комплекс с железом. Валентность железа не меняется в гемоглобине и миоглобине при присоединении или потере кислорода, оно всегда остается двухвалентным. Однако при действии таких окислителей как феррицианид, гемоглобин и миоглобин могут окисляться с переходом железа в трехвалентное состояние, т.е. в геминовую форму. Продукты окисления гемоглобина и миоглобина , называемые соответственно метгемоглобином и метмиоглобином не способны обратимо функционировать в качестве переносчиков кислорода. Гемоглобин - единственный олигомерный белок, для которого при помощи рентгеноструктурного анализа удалось установить третичную и четвертичную структуру. Гемоглобин и оксигемоглобин различаются по своей четвертичной структуре. В результате присоединения кислорода расстояние между двумя β -цепями гемоглобина уменьшаеься, хотя при этом не происходит изменения третичной структуры бетта-цепей.

Что такое гем? Гем представляет собой комплекс железа и азотсодержащего порфиринового кольца. Гем является функциональной группой таких переносящих кислород белков, как гемоглобин эритроцитов и миоглобин мышц, а также таких окислительных ферментов, как оксигеназы и гидроксилазы печени или широко распространенные в тканях цитохромы митохондрий. Поддержание постоянства и регуляция нормальной скорости образования и распада гема имеют решающее значение не только в связи с жизненно важной ролью гемопротеидов в организме, но и потому, что метаболиты и побочные продукты, возникающие при нарушениях обмена гема, оказывают тяжелые токсические воздействия.

Такие кроветворные ткани, как костный мозг, селезенка играют важную роль в метаболизме гема, но печень, благодаря ее регуляторной функции в биосинтезе порфиринов, а также в выведении желчных пигментов как конечных продуктов обмена является ключевым органом, в котором осуществляется метаболизм гема.

Аллостерические эффекты присущи всем белкам. Механизм действия гемоглобина: ключевой момент - перемещение двухвалентного железа в плоскость группы гема при связывании кислорода. Это перемещение иона железа вызывает изменение положения гистидиновой группы, у которой ионы железа вызывают изменение положения гистидиновой группы, с которой ион железа гема связан координационной связью. Помимо кооперативности при связывании гемоглобин способен изменять свою структуру и при взаимодействии с другим соединением, присутствующим в эритроцитах глицерол-2-3-дифосфатом. Он понижает сродство гемоглобина к кислороду. Установлено, что он играет важную физиологическую роль, поскольку вызывает освобождение связанного кислорода.

В настоящее время известно более 30 типов Hb: нормальные A (гемоглобин взрослого), P (примитивный, в крови эмбриона человека),. F(фетальный, эмбриональный). Продолжительность жизни эритроцитов - 120-125 дней, после чего происходит их разрушение и освобождение гемоглобина (в селезенке и печени) Зрелые эритроциты человека лишены ядра и почти целиком заполнены гемоглобином.

Проблему биосинтеза гемоглобина можно свести к синтезу его простетической группы, в частности к синтезу гема. Гем синтезируется из гликокола и активной формы янтарной кислоты (сукцинил КоА). Синтез гемоглобина начинается в клетках костного мозга еще на стадии образования нормобласта. Гемоглобин сначала синтезируется вокруг ядра, а затем распространяется по всей цитоплазме клетки. На 1 стадии, протекающей в 2 этапа, сукцинил КоА и глицин взаимодействуют. 2 стадия – конденсация 2 молекул дельта-аминолевуленовой кислоты с образованием порфобилиногена. В следующей многоступенчатой стадии синтезируется протопорфирин из 4 порфобилиногенов, являющийся предшественником гема. В заключительной стадии протопорфирин присоединяет молекулу двухвалентного железа при участии гемсинтетазы и образуется гем. Последний (гем) и используется для биосинтеза всех гемсодержащих хромопротеидов. Источником железа для этой реакции является ферритин, который является резервным гемопротеидом, откладывающимся в клетках костного мозга, печени и селезенки. В синтезе гема участвуют некоторые кофакторы, витамин В ₁₂, ионы меди и т.д. Первая и последняя реакции протекают в митохондриях, промежуточные этапы в цитозоле. Гем - конечный продукт, ингибитор, действующий по принципу обратной связи. Стероидные гормоны (эстрогены и глюкокортикоиды, а также некоторые лекарственные средства (сульфамиды, барбитураты) стимулируют биосинтез аминолевуленовой синтетазы в печени, тогда как высокие концентрации глюкозы, подобно гему, предотвращают индукцию фермента.

Синтез белкового компонента – глобина, как и всех других белков, осуществляется в соответствии с наследственной информацией, заложенной в ДНК эритробласта.

Обмен хромопротеидов.

Поступающий с пищей гемоглобин в желудочно-кишечном тракте распадается на глобин и гем. Глобин как белок гидролизуется до АК. Гем окисляется в гематин и выводится с калом.

Эндогенный гемоглобин разрушается главным образом в печени, а также в селезенке, костном мозге и других органах. Начальный этап распада гемоглобина - разрыв метинового мостика и образование вердоглобина. Вердоглобин еще содержит в соем составе железо и глобин. Процесс начинается с окисления гема и разрыва системы порфириновых колец. Двухвалентное железо гемоглобина превращается при этом в трехвалентное. Это вердоглобин - от него спонтанно отщепляется белок глобин и освобождается железо. Дальнейшие превращения приводят к потере железа и глобина, в результате чего происходит развертывание порфиринового кольца и образование желчного пигмента биливердина. Глобин гидролизуется до АК, а железо соединяется с белком и под названием ферритина откладывается в организме как запасная форма железа. Оставшаяся небелковая часть биливердина восстанавливается в билирубин. Билирубин транспортируется кровью в печень, где освобождается от белка и обезвреживается путем образования диглюкуронидов. Образующийся же в печени билирубин находится в связанной форме. Из печени билирубин поступает в желчный пузырь и подвергается превращениям. Дальнейшие продукты восстановления получили название уробилиногеновых тел. Почти весь выделяющийся печенью билирубин превращается в стеркобилиноген. У здорового человека ежедневно образуется 250-300 мг билирубина, который почти полностью удаляется из организма. содержание его в крови 0,4-0,8 мг%. повышение содержания билирубина в крови свыше 2 мг% сопровождается развитием желтухи. Железо, освобождающееся в клетках ретикуло-эндотелия при распаде гемоглобина и других хромопротеидов не удаляется из организма, а используется в синтезе нового хромопротеида - ферритина, выполняющего роль депо железа в организме. 2/3 общего количества ферритина содержится в печени. Из печени железо ферритина транспортируется в место синтеза гемоглобина (костный мозг) в виде железосодержащего белка - трансферина.

Изменения в первичной структуре цепей гемоглобина, т.е. замена отдельных АК остатков на другие, является причиной возникновения ряда врожденных заболеваний. Образование значительных количеств аномальных гемоглобинов может обусловливать нарушение дыхательной функции крови.

При нарушении обмена хромопротеидов возникают заболевания:

Серповидноклеточная анемия – это наследственное заболевание. При этом заболевании эритроциты изменяют свою форму за счет выпадения гемоглобина в осадок внутри эритроцитов, в результате чего нарушается функция переноса кислорода.

Желтухи - гемолитическая, механическая и паренхиматозная. гемолитическая желтуха возникает в результате образования избытка билирубина, превосходящего способность нормальных печеночных клеток к конъюгации, при этом в крови накапливается неконъюгированный билирубин.

Порфирии – нарушение процессов синтеза гемоглобина и накопление побочных продуктов. Обусловлены наследственными нарушениями обмена веществ в костном мозгу - эритропоэтические порфирии. Также бывают порфирии, обусловленные аномалией печени - печеночные порфирии. При всех формах имеются поражения кожи, иногда симптомы со стороны нервной системы.