Лекция 5

МОДУЛЬ «ДЫХАНИЕ».

Гемоглобин – это сложный четвертичный белок, состоит из белковой части (апопротеина), белка глобина, и не белковой части – гема. Гем состоит из органической части (протопорфирин-IX) и не органической части (иона железа – чаще всего, или цинка, магния, серебра и др.).   

Протопорфирин-IX – это циклическое соединение, в составе которого 4 перола – они замыкаются в цикл с помощью митеновых мостиков (в виде кольца). Рисунок гема обязателен! Для того, чтобы это соединение стало гемом, к нему необходимо добавить ион железа (если Fe²⁺, то это ферро – это истинный гем; если Fe³⁺ - ферри). Образование гемина происходит при нагревании уксусной кислоты с солью, с частицами крови (используется в судебной медицине).     

Формы гемоглобина.

Гемоглобин не связанный с кислородом называют: дезокси-гемоглобин, ферро-гемоглобин, восстановленный гемоглобин (Нв). Гемоглобин связанный с кислородом (восстановленный) – это окси-гемоглобин (НвО₂). Угарный газ хорошо связывает гемоглобин – карбокси-гемоглобин (НвСО). MetНв – это окисленный гемоглобин, не соединяется ни с кислородом, ни с угарным газом, но легко образует комплексы с цианидами (используется при лечении).  

Глобин взрослого человека представляет собой тетрамер (a2- и b2-цепи), соединяются цепи не ковалентными связями поочерёдно. В молекуле гемоглобина 4 полипептидных цепи и каждая из них содержит по одному гему. Значит, каждая молекула гемоглобина связывает 4 молекулы кислорода. Связь гемоглобина с кислородом осуществляется за счёт координационной связи между атомом железа и атомами азот-гистедина в полипептидной цепи. Гемовый карман – это расщелина между спиралями, куда встраивается Гем. Проксимальный гистедин в a-цепи – это 87 остаток, в b-цепи – это 92 остаток. Дистальный остаток гистедина в a-цепи – это 58, в b-цепи – 63. Связывание кислорода происходит только с восстановленным железом!    

Гетерогенность гемоглобина связана с различием строения глобина:

1. Нормальные гемоглобины.

2. Аномальные гемоглобины – их наличие сопровождается каким либо заболеванием. 

Рекомендуемые материалы

Гемоглобины начинают синтезироваться с 6й недели эмбриогенеза. Нормальные гемоглобины – это те гемоглобины, которые появляются в различные этапы жизни:

- Эмбриональный гемоглобин (НвF) – существует в эмбриональном периоде жизни человека; имеет 2 a-цепи и 2 гамма-цепи. НвF имеет большее сродство к кислороду, чем НвА. Нормальный гемоглобин (НвА) – имеет 2 a-цепи и 2 b-цепи.

- Минорные гемоглобины – это гемоглобины, которые в следовых количествах встречаются и у взрослых людей. Гемоглобин А2 имеет a-цепь и дельта-цепь, его содержание в крови 2-3%; появляется через 9-12 недель после рождения. Другие минорные гемоглобины – Нв1в и Нв1с; их состав: 2 a-цепи и 2 b-цепи – эти цепи модифицированные (эти гемоглобины образуются за счёт не ферментативного присоединения к N-концевым остаткам Валина b-цепей молекулы глюкоза-6-фосфата – его 6%). Нв1с образуется из Нв1в (его 1%).   

Аномальные гемоглобины характеризуются недостатком функций гемоглобина и чаще всего – это генетически детерминированные мутации последовательностей аминокислотных цепей. В зависимости от проявления эти гемоглобины делятся:

1. Гемоглобины с изменённой растворимостью. Например, НвS или гемоглобин, вызывающий серповидно-клеточную анемию. У него в 6 положении b-цепи происходит замена АК: с Глутамина на Валин. Такое изменение АК-последовательности приводит к тому, что в дезокси-форме гемоглобин теряет растворимость, молекулы его агрегируют друг с другом, образуя нити и изменяя форму клетки. Лечение: категорическое запрещение тяжелой физической работы и лекарственная терапия.

2. Гемоглобины с изменённым сродством к кислороду – у них замены происходят в областях либо субъединичных контактов, либо в области гемового кармана. Например, НвМ – мутация a-цепи затрагивает остаток Гистидина (58 остаток) – происходит замена на остаток Тирозина. В результате происходит образование MetНв.   

3. Гемоглобины с изменённой устойчивостью. Например, НвС также, как и в случае с Нвсb6 – плохо удерживает Гем, в результате чего Гем может выходить и формировать осадок в цитоплазме. В итоге на мембрану налипает осадок и она становиться не устойчивой и разрушается.

ПРОПУСК БЫЛ – синтез гемоглобина!

Нарушение синтеза гема.

Обозначение клинического проявления нарушения синтеза называется анемия. Анемии бывают от кровопотери, от повышенного разрушения эритроцитов, нарушение синтеза или недостаточность эритропоэза, сочетание всех вышеперечисленных признаков. Анемии могут быть врождёнными и приобретёнными.  

Нарушение эритропоэза:

1. Анемии пищевого происхождения:

- Пернициозная или злокачественная анемия (болезнь Адиссона-Вирмера) – основная причина – дефицит витамина В12 в связи с недостатком или полным отсутствием образования внутреннего фактора Кастла (40 кДальтон). При нарушении – невозможно всасывание витамина В12 в кишечнике.  

2. Пищевая анемия – недостаток фолиевой кислоты. Если не будет фолиевой кислоты, то затормозится синтез эритроцитов.

Подавление стволовых клеток эритропоэза происходит под действием физических факторов, химические факторы, биологические агенты: токсины многих бактерий и пр.

3. Наследственные аномалии ферментов эритроцитов. 

4. Аномалии синтеза гема:

- Дельта-АЛС – ингибируется свинцом.

- Дефицит железа. 

- Парфирии – это заболевания, при которых синтезируются другие изомеры, вместо необходимых третьих изомеров. 

ОБМЕН ЖЕЛЕЗА.

ПРОПУСК!!!

Кислород очень плохо растворим в воде. Скорость газообмена в организме зависит:

1. От перепада парциальных давлений газа – см. рисунок № 1! Такие кривые называются S-кривые или сигмоидные кривые (такую структуру имеет только гемоглобин), имеющие гиперболическую зависимость.

2. От площади, через которую идёт газообмен.

3. От толщины слоя, через который происходит газообмен.

В средней не мышечной ткани парциальное давление примерно = 30-35 мм.рт.ст; в обычных мышцах парциальное давление в среднем = до 20 мм.рт.ст.

Причина того, что гемоглобин может быть использован, как транспортёр белка (а метоглобин нет), заключается в том, что гемоглобин имеет кооперативный эффект. Причина лежит в том, что присоединение первой молекулы кислорода к гемоглобину, повышает связывание последующих молекул. Сродство гемоглобина к кислороду зависит от рН окружающей среды. Эти зависимости в физиологии описаны двумя эффектами:

1. Эффект Бора: при закислении среды происходит более активное отщепление кислорода от оксигемоглобина (т.е. понижается сродство кислорода к гемоглобину).

2. Эффект Холдейна: обратный эффекту Бора (наблюдается в лёгких).

Оба эти эффекта также присутствуют только у гемоглобина, т.к. у гемоглобина имеется зависимость от среды.

3. Сродство гемоглобина к кислороду регулируется 2-3-дифосфо-глицератом (имеет большой отрицательный заряд; связывается с b-цепью глобина, стабилизируя дезокси-форму глобина). При этом сродство кислорода к гемоглобину понижается.

Если общее количество гемоглобина у человека в среднем = 750 грамм (150 гр/1 литр), при 100% насыщении один грамм гемоглобина может связать 1.34 мл. кислорода. Значит, при 100% насыщении имеется 1 литр кислорода. Если весь объём крови перекачивается сердцем за 30 секунд, то получается, что в минуту кровь переносит 0.64 литра кислорода (в сутки – 960 литров).     

Кислород идёт на окислительное фосфорилирование (без кислорода не идёт окисление жирных кислот), на окислительные реакции микросомальной монооксигеназной системы. Во всех реакциях образуется углекислый газ (окислительное декарбоксилирование ПВК, пентозофосфатный шунт, цикл Кребса, a-окисление жирных кислот, декарбоксилирование АК).   

Транспорт СО₂.

Углекислый газ в крови находится в виде:

1. Растворённого газа (0.4%).

2. В виде угольной кислоты (фермент карбо-ангидраза).

3. Ион бикарбоната образуется при диссоциации угольной кислоты и в виде бикарбоната в артериальной крови = 25.5 милиЭквивалента, в клетках с которыми контактирует артериальная кровь = 12.7 мЭ, в венозной крови 26.5 мЭ, в клетках, с которыми контактирует венозная кровь = 13.9 мЭ.

4. В виде карбамида-производных не диссоциированных аминогрупп белков = 1%. 

5. В эритроците больше всего гемоглобина и комплекс гемоглобин+СО₂ = 4.4%.

Схема для транспорта углекислого газа - обязательно!!! Для кислорода отдельно!!!

ОТРАВЛЕНИЯ (связанные с гемоглобином).

1. Отравления угарным газом. При взаимодействии угарного газа с гемоглобином образуется комплекс, при этом сродство СО к Нв в 200 раз выше, чем к кислороду. Признаками такого отравления является изменение спектра гемоглобина. Отравления угарным газом всегда очень тяжелые!

2. Отравления цианидом. Комплекс Met-гемоглобина с цианидом не токсичен и постепенно подвергается окислению и распаду. 

3. Отравления сульфидом. Сульфид хорошо связывается с Met-гемоглобином, но этот комплекс не метаболизируется.

АНАЛИЗ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА.

1. Определение наличия алкоголя.

2. Определение ацетона (при сахарном диабете).

3. Определение метил-мер-каптана (образуется из серу-содержащих органических соединений).

4. Диагностика мель-абсорбции (синдром нарушения функции тонкого кишечника). При этом используют выделение в выдыхаемом воздухе водорода (его становится очень много). Иногда, для определения каких-либо соединений в выдыхаемом воздухе, используют меченные (радиоактивные) элементы. Фермент уреаза бактерий способна разлагать мочевину на свободные аммиак и углекислый газ. Для диагностики язвы желудка вводят молекулу мочевины с меченным углеродом.

5. Диагностика заболеваний печени. Появление меченного углекислого газа в выдыхаемом воздухе, связано с реакциями микросомального окисления. Диагностика читается по снижению углекислого газа. Другой метод: образование летучего компонента обмена метил-сульфида (или демитил-сульфида).  

6. Определение наркотиков. Летучие органические соединения в выдыхаемом воздухе сохранятся и регистрируются в течение 4х дней после употребления.

При раке лёгких в выдыхаемом воздухе появляются ацетон, метил-этил-кетон и пропанол.

При инфаркте миокарда (особенно при остром), и при шизофрении в выдыхаемом воздухе увеличивается количество пентана.

ТОКСИЧНОСТЬ КИСЛОРОДА.

Молекулярный кислород, присутствующий в окружающей среде, не слишком реакционно активный. Этот кислород называется ещё триплетным кислородом – 2 внешних не спаренных электрона имеют одинаково ориентированные спины. Реакция в которой соединение принимает электрон – это восстановление. На первом этапе молекула кислорода взаимодействует с одним электроном – образуется радикал (супер-оксидный анион). Этот супер-оксидный анион по сравнению с кислородом очень высоко реакционно-способный; он может быть как окислителем, так и восстановителем. Образуется пероксид (перекись водорода – если в воде) – при окислении. При восстановлении образуется пероксид+кислород. Суммарная реакция получила название реакция дисмутации (пероксид всегда остаётся). При взаимодействии пероксида и супероксида в воде, происходит образование иона гидроксила, триплетного кислорода и радикал гидрооксила. Кислород, который образуется в конечной реакции – это синглетный кислород (спины у этой молекулы направлены в разные стороны и поэтому эта молекула ещё более реакционная). Все вышеописанные формы кислорода – это активные формы кислорода или свободные радикалы.   

ПЕРИКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ.

Это окисление включает окислительные реакции самых разных субстратов. Для живых систем самыми опасными являются процессы окисления липидов (процесс перекисного окисления липидов) и окислительные реакции, в которые вовлечены азотистые основания. Перекисное окисление липидов затрагивает углеводородную часть этих липидов.

Схема!!!  

Этот процесс опасен ещё тем, что все радикало-образные реакции лавинообразно расширяется. Остановить эту реакция можно только убрав радикал (ловушка для кислорода). Если такой же окислительной реакции подвергнутся азотистые основания, то произойдёт мутация (т.к. изменяются основания).   

Активные формы кислорода образуются в организме:

1. Супер-оксидный анион образуется:

- Не ферментативно при окислении гемоглобина в met-гемоглобин. Это самый распространённый процесс (но от ограничен территорией эритроцита и кровью).

- В других клетках  реализуются ферментативные реакции (дыхательная цепь). Все цитохромы – это гемопротеины, но их работа отличается следующим: они используют кислород для осуществления окислительных реакций. При работе цитохромов и аксидаз возможно утечка, образовавшегося супероксидного аниона в окружающую среду.   

2. Пероксидный радикал образуется:

- При дисмутации супероксидного аниона; фермент – супероксид-дисмутаза.

- При работе оксидаз; ферменты, которые в субстрат встраивают оба атома молекулы кислорода. Например: оксидазы аминокислот – в результате всегда образуется пероксид водорода (чаще всего). 

СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ КИСЛОРОДА.

1. Первый уровень защиты организма – это фермент супероксид-дисмутаза. Этот фермент небольшой белок, масса 110 кДальтон, это медь-содержащий белок, присутствует во всех клетках организма (но больше всего их в эритроцитах). Это фермент катализирует реакцию дисмутации.  

2. Фермент, разрушающий пероксиды – это каталаза. Реакции с его участием необратимы (т.к. выделяется кислород в виде газа)! Каталаза представляет собой гемопротеин, четвертичный белок, масса по 60 кДальтон каждая из субъединиц (общая 240 кДальтон). Каталаза имеется в больших количествах в пероксисомах (в цитоплазме клетки).  

3. Глутатионовая система. Глутатион – это специфический трипептид (содержит глутаминовую кислоту, цистеин и глицин), при этом в глутатионе первая связь – это гамма-связь (остальные – альфа). Схема!!! Сокращённо такую форму глутатиона обозначают G-SH. Если: 2G-SH + Н₂О₂ ® 2Н₂О + GSSG. Фермент – глутатион-пероксидаза, обнаружен почти во всех тканях (особенно много в эритроцитах, печени, селезёнке и хрусталике глаза). Этот фермент уникален – в его составе встречается селен! В организме происходит следующее: СХЕМА!!! Эта система работает только с НАДР.Н – для этого требуется пентозо-фосфатный шунт!          

Лекция "43. Рентгеноструктурный анализ" также может быть Вам полезна.

4. Низкомолекулярные ловушки свободных радикалов – это природные и синтетические фенолы, ароматические амины, производные пиридина, витамин Е (токоферол в основном), витамин С.   

Механизм бактерицидного действия фагоцитирующих лейкоцитов.

При фагоцитозе резко увеличивается потребление кислорода и усиливается потребление глюкозы (в пентозо-фосфатном шунте). Оказалось, что кроме макропроцессов, при фагоцитозе активируются 3 фермента:

1. НАДН-оксидазы. Эти ферменты катализируют реакцию: НАДН + О₂ ® НАД + Н₂О₂.  

2. НАДРН-оксидаза. Ему для работы обязательно требуется субстрат: НАДРН + Н + О₂ ® НАДР + О₂^-.

3. Миелопироксидаза: Н₂О₂ + Cl + Н ® Н₂О + HClO.