Высшего профессионального обучения
Высшего профессионального обучения
Читинская государственная медицинская академия
Л.П. Никитина, З.Ц. Ринчинов
БИОХИМИЯ ЭРИТРОЦИТОВ
Учебное пособие для студентов медицинского вуза
Чита – 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений……………………………………………………………..3
ГЛАВА 1. Биохимия плазмы крови…………………………………………....5
ГЛАВА 2. Биохимия эритроцитов….………………………………………......7
2.1. Строение мембран эритроцитов; особенности метаболизма………7
2.2. Обмен порфиринов……………………………………………………9
2.2.1. Синтез гема…………………………………………………….10
2.3. Строение гемоглобина………………………………………………12
2.4. Формы гемоглобина………………………………………………....14
2.5. Свойства гемоглобина……………………………………………….15
2.6. Метаболизм железа…………………………………………………..17
ГЛАВА 3. Патология анаболизма гемоглобина……………………………….18
3.1. Болезни синтеза гемоглобина……………………………………….18
3.2. Дисгемоглобинемии………………………………………………….23
3.3. Нарушения транспорта гемоглобина в плазме крови……………...24
ГЛАВА 4. Распад эритроцитов………………………………………………….25
4.1. Метаболизм билирубина у здорового человека…………………….27
4.2. Патология обмена жёлчных пигментов……………………………..31
4.2.1. Виды желтух……………………………………………………..31
4.2.1.1. Гемолитическая желтуха……………………………………31
4.2.1.2. Паренхиматозная желтуха………………………………….36
4.2.1.3. Механическая желтуха……………………………………...38
Вопросы для самопроверки……………………………………………………...41
Список литературы…………………………………………………………….....44
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АлАТ – аланин-аминотрансфераза
АО – антиоксидант
АОЗ – антиоксидантная защита
АРЗ – антирадикальная защита
АсАТ – аспартат-аминотрансфераза
АТФ – аденозинтрифосфат
ГАГ – глюкозаминогликан
ГАМК – гамма-аминомасляная кислота
ГА-3-ф – глицероальдегид 3 фосфат
ГГТП – гамма-глутаминилтранспептидаза
ГПО – глутатионпероксидаза
ГР – глутатионредуктаза
Г-6-ФДГ – глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа
ДГАФ – дигидроксиацетонфосфат
ДГ – дегидрогеназа
Ко А – коэнзим ацилирования
КОС – кислотно-основное состояние
НАД+ - никотинамидадениндинуклеотид (окисленный)
НАДН – никотинамидадениндинуклеотид (восстановленный)
НАД+Ф – никотинамидадениндинуклеотид фосфат (окисленный)
НАДФН – никотинамидадениндинуклеотид фосфат (восстановленный)
ПНЖК – полиненасыщенные жирные кислоты
ПОЛ – перекисное окисление липидов
РЭС – ретикуло-эндотелиальная система
СОД – супероксиддисмутаза
УДФГК – уридиндифосфоглюкуроновая кислота
Ф – фосфат
ЩФ – щелочная фосфатаза
ЭТЦ – электронно-транспортная цепь
G-SH – глутатион восстановленный
G-S-S-G - глутатион окисленный
Hb – гемоглобин
Таблица 1
Функции белков плазмы
| Функция | Пример |
| Транспортная | Тироксинсвязывающий глобулин Транскортин Сексстероидсвязывающий белок Витамин Д-связывающий глобулин Гаптоглобин (транспорт гемоглобина) Гемопексин (транспорт гема) Аполипопротеины (транспорт холестерина, триацилглицеролов) Трансферрин (транспорт железа) Церулоплазмин (транспорт меди) |
| Гуморальный иммунитет | Иммуноглобулины |
| Поддержание онкотического давления | Все белки, особенно альбумины |
| Ферменты | Ренин, факторы свёртывания крови, белки комплемента |
| Ингибиторы протеаз | Альфа-1-антитрипсин |
| Буферность | Все белки |
ГЛАВА 2. БИОХИМИЯ ЭРИТРОЦИТОВ
СТРОЕНИЕ МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ. ОСОБЕННОСТИ
МЕТАБОЛИЗМА
Зрелые красные кровяные тельца обладают двояковогнутой формой и большой способностью к деформации, благодаря чему эффективно обеспечивают процессы диффузии газов и могут проходить через капилляры, диаметр которых в 3-4 раза меньше самих эритроцитов. Подобное свойство обусловлено особенностями в структуре мембран этих форменных элементов.
Принципы строения цитолеммы эритроцитов классические: основу составляет билипидный слой, в который встроены различные протеины. Наружная часть липидов представлена холинсодержащими соединениями (фосфатидилхолином, сфингомиелином), внутренняя поверхность обогащена фосфатидилсерином, фосфатидилэтаноламином, более четверти объёма приходится на холестерин. К цитозолю обращена плотная анастомозирующая белковая сеть, состоящая из спектринов, анкиринов, тропомиозинов, которые связываясь с интегральными гликопротеидами (гликофоринами) создают определённую жёсткость мембраны, определяют форму эритроцита (двояковогнутый диск). От степени фосфорилирования спектринов зависит эластичность сети, способность к упругой деформации. Гликофорины, пронизывая липидный слой, с помощью гидрофобных взаимодействий с фосфолипидами прочно фиксируются; их углеводные компоненты (олигосахариды, их производные, сиаловые кислоты), располагаясь на поверхности мембраны эритроцита, служат групповыми веществами крови: для О(Н) антигена детерминанта фукоза, для А-антигена - N-ацетилгалактоз-амин, для В – галактоза. Углеводные остатки гликофоринов являются также носителями антигенов групп крови MN-типа и ряда других иммунологических детерминант, служат рецепторами для вирусов гриппа и т.д.
Несмотря на отсутствие ядра и других органоидов, красные кровяные тельца весьма метаболически активные образования, обладающие спонтанной энергопродукцией на уровне 80 пДж на клетку. Энергетика эритроцита основана на анаэробном гликолизе (рис. 1). Глюкоза быстро проникает в клетку, независимо от присутствия инсулина.
Рис.1. Схема гликолиза и антирадикальной защиты в эритроците.
В пути Эмбдена-Мейергофа глюкоза распадается до лактата с образованием АТФ путём субстратного фосфорилирования. Следует заметить, что кроме энергетической функции, метаболиты гликолиза используются в следующих процессах. Восстановительные потенциалы генерируются в виде НАДН, который при необходимости используется метгемоглобин-редуктазой для восстановления железа в метгемоглобине. В отличие от других тканей в эритроцитах в качестве метаболита образуется много 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГК) (в 1000 раз больше), который служит важным модулятором сродства гемоглобина к кислороду.
Некоторые морфобиохимические особенности красных кровяных телец предопределяют необходимость в высокой антиоксидантной активности. Во-первых, это высокие концентрации О2, что увеличивает вероятность образования его активных форм. Во-вторых, большое содержание ионов переходного металла – железа, что может способствовать его использованию в качестве донора электронов (рис.1). И, наконец, для обеспечения упругой деформации в липидном бислое мембран содержится больше ПНЖК – субстратов ПОЛ, чем в цитолемме других клеток. Для контроля интенсивности свободнорадикальных процессов, в цитоплазме эритроцитов активно работает антирадикальная защита.
Если нарушаются условия диссоциации оксигемоглобина (в кармане глобина, где расположен гем, оказываются ионы, молекулы воды), то в этом случае происходит отрыв электрона от двухвалентного железа гема с образованием метгемоглобина и супероксидного анион-радикала. Первое соединение восстанавливается с помощью метгемоглобинредуктазы, а радикал кислорода преобразуется под влиянием супероксиддисмутазы(СОД) в пероксид водорода, который также токсичен для клеток. Поэтому он восстанавливается с первоначально помощью каталазы, позднее глутатионпероксидазы (ГПО) (рис.1) и восстановленного глутатиона. Чтобы поддержать пул последнего, работает глутатионредуктаза (ГР), которая восстанавливает окисленную форму пептида, применяя в качестве восстановителя НАДФН. Необходимую концентрацию этого варианта кофермента получают путем окисления глюкозо-6-фосфата соответствующей дегидрогеназой. В мембранах эритроцитов продуктами свободнорадикальных процессов могут быть липопероксиды (ROOH), которые своевременно удаляются восстановленным глутатионом с участием ГПО:
|  |
ОБМЕН ПОРФИРИНОВ
Порфирины широко распространены в природе. Они обнаружены в нефти, сланцах, глубинных минеральных водах, метеоритах, в образцах лунного грунта. Порфирины входят в состав хлорофилла растений, которые с его помощью улавливают солнечную энергию и осуществляют фотосинтез. В животном мире эти вещества участвуют в образовании гема, который служит простетической группой таких белков, как гемоглобин, миоглобин, каталаза, пероксидазы, цитохромы, триптофан-2,3-диоксигеназаи др.
Основой молекулярной структуры порфиринов является кольцо порфина, которое состоит из 4-х пирролов, соединённых друг с другом метиновыми мостиками (=СН – ). При восстановлении последних нарушается целостность сопряжённой системы, соединения становятся бесцветными, преобразуясь в порфириногены. Только они в организме подвергаются обменным превращениям. Порфирины же, лишенные дополнительных атомов водорода, метаболически инертны и выделяются из организма с мочой, желчью и калом.
Хотя способностью синтезировать порфирины обладает каждая клетка (кроме эритроцитов), их наибольшее количество образуется у человека в эритробластах костного мозга и гепатоцитах печени. В костном мозге порфирины, формируя комплексы с ионами железа (гем), утилизируются для образования гемоглобина. Синтезированные в печени порфирины включаются в цитохромы, в первую очередь, в Р450, а также в каталазы, пероксидазы и другие ферменты.
СИНТЕЗ ГЕМА
Исходными метаболитами синтеза гема, который катализирует сложная ферментативная система, служат сукцинил-КоА и глицин(по 8 молекул каждого) (Рис.2). Сукцинил-КоА является продуктом не только ЦТК, но и образуется при распаде треонина, метионина, тимина, высших жирных кислот с нечетным числом атомов углерода.
В ходе альдольной конденсации этих соединений (1) в митохондриях образуется 5-аминолевулиновая кислота(АЛК). Скорость этого процесса контролируется ключевым ферментом – 5-аминолевулинатсинтазой, кофактором которой является пиридоксаль-фосфат. Активность энзима индуцируется сниженным количеством гема.
|
Рис.2. Система ферментов и основные этапы биосинтеза гема.
На втором этапе из молекул АЛК, вышедших в цитоплазму, под влиянием специфической дегидратазы (2) синтезируются 4 молекулы порфобилиногена (ПБГ). В дальнейшем из них формируется тетрапиррольная молекула уропорфириногена (УП-гена). Данный этап катализируется двумя энзимами: ПБГ–дезаминазой и уропорфириноген-косинтетазой (3). В этих условиях обычно образуется УП-ген III. При отсутствии косинтетазы или снижении её активности в значительных количествах получается изомер УП-ген I, который ограничен в своих дальнейших преобразованиях и, как побочный метаболит, выделяется из организма. В норме синтез изомеров 1 типа минимален, однако при некоторых патологических состояниях и генетических нарушениях эти вещества могут накапливаться (4).
Дальнейшие превращения УП-гена III, молекула которого содержит 8 карбоксильных групп, протекают под контролем УП-гендекарбоксилазы (4), осуществляющей последовательное декарбоксилирование соединения до копропорфириногена III (КП-ген). Затем, после возвращения в митохондрии, это соединение подвергается действию системы энзимов: КП-ген- и протопорфириноген-оксидаз (5,6). Под влиянием первого фермента происходит окислительное декарбоксилирование КП-гена III до протопорфириногена IХ (5), окисление которого катализируется вторым энзимом (6). В клетках костного мозга за сутки синтезируется до 30 мг этого соединения, которое комплексируясь с ионами двухвалентного железа (ферроионами), образует гем. Этот этап катализируется феррохелатазой (гемсинтетазой) (7). В дальнейшем, как отмечено выше, гем включается в различные белки – гемопротеиды.
Скорость синтеза гема регулируется следующими факторами:
а) активность АЛК-синтазы лимитирует этот процесс;
б) генез АЛК-синтазы определяется количеством железа;
в) уровень же последнего в клетке зависит от работы рецептора трансферрина.
СТРОЕНИЕ ГЕМОГЛОБИНА
В разные периоды жизни зародыша и ребёнка активно работают различные гены, ответственные за синтез нескольких полипептидных цепей глобина. Выделяют 6 субъединиц: α, β, γ, δ, ε, ζ. Первая и последняя из них включают по 141, а остальные по 146 аминокислотных остатков. Друг от друга они отличаются не только количеством мономеров, но и их составом. Однако принцип образования вторичной структуры у всех цепей однотипен: они все сильно (до 75% длины) спирализованы за счёт водородных связей. Альфа-цепи включают 7, а бета, гамма, дельта – 8 спирализованных фрагментов, чередующихся с аморфными участками. Компактная укладка в пространстве подобного образования приводит к возникновению третичной структуры; причем при этом создаётся карман, куда и вкладывается гем. Возникший комплекс сохраняется с помощью приблизительно 60 гидрофобных взаимодействий между белком и простетической группой. Естественно, что в образовании углубления принимают активное участие гидрофобные аминокислоты (фенилаланин, валин, лейцин). Подобная глобула объединяется с 3 сходными субъединицами, используя для этого бисульфидные мостики и ковалентные взаимодействия (четвертичная структура). Получается белок, составленный из 4 полипептидных цепей (гетерогенный тетрамер), имеющий форму тетраэдра.
В зависимости от характера включённых протомеров различают следующие виды нормальных гемоглобинов (Hb). В первые 20 суток существования эмбриона в ретикулоцитах образуется Hb P (Primitive) в виде двух вариантов: Hb Gower 1, состоящего из дзета- и эпсилон-цепей, соединенных попарно, и Hb Gower 2, в котором дзета-последовательности уже заменены на альфа. Переключение генеза одного вида цепей на другой осуществляется медленно: вначале появляются отдельные клетки, продуцирующие иной вариант. Они дают стимул клонам новых клеток, синтезирующих другой вид полипептида. Позднее эти клетки начинают преобладать и постепенно вытесняют старые.
На 8-й неделе жизни зародыша включается синтез гемоглобина F = α2 γ2, по мере же приближения акта родов появляются ретикулоциты, содержащие Hb A = α2β2. На его долю у здорового взрослого человека приходится 96 – 98% от общей массы этого белка. Кроме того, в отдельных эритроцитах присутствуют гемоглобины Hb A2 = α2δ2 (1,5 – 3%) и фетальный (обычно не больше 1%). Однако в некоторых регионах, в том числе и у аборигенов Забайкалья концентрация последнего вида повышается до 4% (в норме).
ФОРМЫ ГЕМОГЛОБИНА
Описаны следующие формы данного гемопротеида.
а) Дезоксигемоглобин – свободная от газов форма протеина.
б) Оксигемоглобин – продукт включения кислорода в молекулу белка:
|
Интересно, что первоначальное связывание кислорода с одной субъединицей ускоряет присоединение последующих молекул (положительный кооперативный эффект). Одна молекула Hb способна удерживать 4 молекулы газа.
Структуры дезокси- и оксиHb несколько отличны. При отсутствии кислорода ферроион в гемоглобине имеет координационное число 5, связан c 4 атомами азота протопорфирина и с третичным атомом азота имидазольного кольца остатка гистидина белковой субъединицы. Шестое координационное место в оксигемоглобине способен занять только молекулярный кислород. Образованию этой связи благоприятствует высокая электронно-донорная способность порфириновой сопряженной системы и имидазола. Структура белка в Hb такова, что она экранирует подход к атому Fe (II) всех других молекул, имеющихся в крови, и своевременно регулирует его донорно-акцепторные свойства.
в) Исключение составляют токсиканты – яды крови, к которым относят и монооксид углерода. Проникая с атмосферным воздухом в лёгкие, СО быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает во взаимодействие с дезоки- и окси-Hb:
|
|
|
|
Образовавшийся карбоксигемоглобиннеспособен присоединять к себе кислород, а угарного газа может связывать 4 молекулы.
г) Важным производным Hb является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления 3+ (в виде ферри-иона). Такая форма гемопротеида образуется при действии на него различных окислителей (оксидов азота, нитробензола, нитроглицерина, хлоратов, метиленового синего и др.), в результате в крови уменьшается количество функционально важного оксиHb, что нарушает доставку кислорода к тканям, вызывая в них развитие гипоксии.
д) Особенности строения концевых аминокислот в цепях глобина позволяют им реагировать с моносахаридами, в первую очередь, с глюкозой. В настоящее время выделяют несколько подвидов Hb A (от 0 до 1c), в которых к валину бета-цепей прикреплены олигосахариды. Особенно легко реагирует последний подвид гемопротеида. У образовавшегося при этом без участия фермента гликозилированного гемоглобина меняется его сродство к кислороду. Это объясняется тем, что присоединившаяся к белку глюкоза занимает место 2,3-ДФГК, что тормозит подкисление среды и тем самым противодействует диссоциации оксигемоглобина. В норме на долю подобной формы Hb приходится не более 5% от его общего количества. При сахарном диабете его концентрация возрастает в 2-3 раза, что благоприятствует возникновению тканевой гипоксии.
СВОЙСТВА ГЕМОГЛОБИНА
Все известные гемопротеиды (см. выше) имеют сходство в строении не только простетической группы, но и апопротеина. У них общий способ укладки полипептидной цепи вокруг гема плюс одинаковые аминокислоты в отдельных участках (инвариантность) разных нитей. В первую очередь, это касается гистидина, глицина (с помощью последнего обеспечивается тесный контакт между спиралями). Определённая общность в строении обусловливает и сходство в функционировании – взаимодействии с газами, в основном с кислородом.
Главное свойство гемоглобина - способность обратимо связывать в лёгких (до 94%) и эффективно отдавать в тканях кислород. На 1г Hb связывается 1,34 мл О2. Сродство гемоглобина к этому газу меньше, чем у других гемопротеидов. Но поистине уникальным для того белка является сочетание прочности связывания кислорода при высоких его парциальных напряжениях и лёгкости диссоциации этой связи в области пониженных давлений. Кроме того скорость распада оксигемоглобина зависит от температуры, pH среды. При накоплении углекислоты, лактата и других кислых продуктов происходит более быстрая отдача кислорода (эффект Бора). Также действует и лихорадка. При алкалозе, гипотермии следует обратное смещение, улучшаются условия насыщения Hb кислородом в лёгких, но полнота отдачи газа в тканях уменьшается. Подобное явление наблюдается при гипервентиляции, замерзании и т.д.
Попадая в условия острой гипоксии, эритроциты активируют гликолиз, что сопровождается увеличением содержания 2,3-ДФГК, которая снижает сродство гемопротеида к кислороду, активирует дезоксигенацию крови в тканях, что носит приспособительный характер. При уменьшении уровня дифосфоглицерата противоположный эффект делает насыщение гемоглобина кислородом в лёгких более активным. Молекула ДФГК, присоединяясь к дезоксиHb в его центральной полости и образуя солевой мостик между двумя бета-цепями, оказывает весьма сильное влияние на сродство белка к кислороду. В физиологических условиях это свойство определяется величинами парциального давления газа в лёгких. При нахождении в высокогорных районах концентрация дифосфоглицерата в эритроцитах возрастает, а сродство гемоглобина к О2 снижается.
Интересно, что фетальный гемоглобин с ДФГК не взаимодействует, сохраняя поэтому повышенное сродство к кислороду и артериальной, и венозной крови.
МЕТАБОЛИЗМ ЖЕЛЕЗА
Большая часть пула железа в организме локализуется в гемопротеидах, в первую очередь в гемоглобине. Поэтому необходимо кратко остановиться на судьбе ионов этого металла в организме. Железо, находясь в пищевых продуктах, может иметь различные формы: восстановленную и окисленную. Наиболее хорошо всасывается последняя в составе гемина из животных продуктов. Отсюда диеты, богатые мясом, сводят вероятность экзогенного железодефицита к минимуму. В растительных, особенно, зерновых продуктах, до 60% ионов переходного металла находится в трудноусвояемой форме, связанной с фитиновой кислотой. Следует заметить, что биодоступность железа невелика: всасывается в кишечнике не более 10% содержащегося в пище, в основном из продуктов животного происхождения. Особую роль при этом играют нормальная секреция соляной кислоты, протеаз, характер питания (способствуют усвоению сукцинат, аскорбиновая кислота), биогенные эффекторы (эритропоэтин из почек стимулирует абсорбцию железа).
В энтероцитах ферроионы связываются с апоферритином с образованием ферритина (Fe2+). Попавшие по vena porta в печень ионы металла включаются в гликопротеид трансферрин, с помощью которого транспортируются к органам и тканям. После взаимодействия со специфическим рецептором ретикулоцита железо высвобождается из трансферрина и попадает в клетку. Иногда этот процесс осуществляется путём пиноцитоза. В эритроидных клетках железо делится между митохондриями, где включается в гем, и белком ферритином, а в миелоидных – его существенная часть попадает в защитный белок – лактоферрин. Если происходит внутрисосудистый гемолиз, то выделившийся при этом гем связывается с гемопексином (это необходимо вследствие прооксидантных свойств данного порфина) и в таком виде транспортируется в печень, где распадается. После чего ионы железа или вновь используются, или откладываются, или выводятся.
Основным депо этого металла служит ферритин, который накапливается в селезёнке, печени, костном мозге, в меньшей степени – в мышечной ткани (одна молекула белка способна удерживать до 4500 атомов Fe2+). Избыточное количество железа может аккумулироваться в печени и других органах в составе гранул гемосидерина – комплекса белков, полисахаридов, включающих до 3% кристаллов металла. Катаболическая фаза обмена ионов железа заключается в их выведении, в основном в составе желчи через желудочно-кишечный тракт (за сутки в среднем взрослый человек теряет его до 1,5 мг).
Нормой для здорового взрослого человека считается содержание железа в крови 12 – 30 мкмоль/л.
БОЛЕЗНИ СИНТЕЗА ГЕМОГЛОБИНА
Любая патология в обмене железа сопровождается развитием анемии – болезненного состояния, которое характеризуется или уменьшением числа эритроцитов, или снижением вклада гемоглобина. Это один из самых распространённых недугов. Возникает в результате действия самых различных причин:
а) из-за недостатка железа в питании (у вегетарианцев, при голодании, при использовании разных диет для похудения, у беременных, при кормлении грудью, у быстро растущих подростков);
б) вследствие нарушения всасывания в желудочно-кишечном тракте (при гипосекреции соляной кислоты, протеаз, после субтотальной гастрэктомии, при сдвигах в балансе питательных веществ – недостатке аскорбата, сукцината, избытке фитиновой кислоты, клетчатки, при повреждениях слизистой кишечника при язвенной болезни, диафрагмальной грыже, язвенном колите, после лечения салицилатами, стероидами, при гельминтозах, особенно при поражении власоглавом, анкилостомой);
в) из-за недостаточности запасов железа;
г) вследствие изменений в отдельных звеньях метаболизма данного переходного металла (при угнетении активности ферментов синтеза гема);
д) после увеличенного выделения ионов данного металла из организма (при острых и хронических кровопотерях, после обильных месячных - полименорее, при геморрое, различных язвах в желудке, кишечнике, после повторных эпизодов кровохарканья).
Основные клинические признаки анемии: слабость, сердцебиение, утомляемость, рассеянность, бледность, одышка.
В зависимости от степени сохранения количества железа в организме выделяют Fe-дефицитные, Fe-достаточные, Fe-избыточные анемии. Около 98 – 99% всех случаев подобных заболеваний приходится на первый вариант. В основе других лежат нарушения использования железа в синтезе гема. Не включённые в это соединение ионы переходного металла начинают откладываться в виде гемосидерина (наследственные и приобретённые гемохроматозы) в органах и тканях (печени, поджелудочной железе, миокарде, суставах, коже) с последующим угнетением их функций. Прослеживается следующая триада признаков: цирроз печени, сахарный диабет, бронзовая окраска кожи (бронзовый диабет). А так как параллельно развиваются симптомы анемии (из-за дефицита гема гемоглобина в эритроцитах), особенно опасно использование в качестве терапевтических средств препаратов железа.
Примером подобных анемий может служить метилмалоновая ацидурия, основой которой служит генетическое повреждение работы В12-содержащего фермента – метилмалонил-КоА-мутазы, ответственной за изомеризацию метилмалонил-Ко А в сукцинил-КоА – один из субстратов в генезе гема.
Патогенез болезни Хейлмейера сводится к тому, что блокирована функция гена, ответственного за синтез трансферрина. В его отсутствие не действует система освобождения железа в костном мозге, в связи с этим подавляется образование гема, развивается анемия. Недуг наследуется аутосомно-рецессивно.
Заболевания, в основе которых лежат повреждения в синтезе гема, названы порфириями. В зависимости от локализации нарушений различают эритропоэтические (повреждения в метаболизме порфиринов в костном мозге) и печёночные (похожие сдвиги в гепатоцитах) типы. Чаще всего это обусловлено генетически, реже носит приобретённый характер. В настоящее время зарегистрированы блоки всех ферментов – участников синтеза гема.
Порфирия (точнее её наследственная эритропоэтическая форма) впервые была описана Шульцем (1874) и Гюнтером (1911). Однако исторические хроники времён Средневековья сохранили описания семейств, у членов которых отмечались черты, свойственные тяжёлым формам этого страдания, проявляющиеся кожными, неврологическими и абдоминальными симптомами (клиникой острого живота, эпилептическими припадками, полиневритами, галлюцинациями, слепотой), а также аномально высоким выделением порфиринов с мочой или с калом. Некоторые признаки болезни – красный оттенок зубов и костей, своеобразный цвет кожи, изменённой волдырями, язвами и рубцами; ночной образ жизни, обусловленный фотодерматитом, спонтанное свечение некоторых тканей и выделений больного, прихоти вкуса, связанные с анемией – столь ярки и необычны, что вызывают в памяти описания облика и поведения мифических вурдалаков или вампиров.
Более редко встречаются приобретённые порфирии, причинами которых служат отравления солями тяжелых металлов, которые взаимодействуя с сульфгидрильными группами аминолевулинатсинтазы или феррохелатазы, подавляют их активность в генезе гема. В результате в эритроцитах накапливается протопорфирин, в плазме крови увеличивается содержание железа, оно откладывается в органах и тканях, провоцируя формирование гемосидероза.
Естественно, что патология синтеза глобина носит наследственный характер. Выделяют две основных формы нарушений: одиночные аминокислотные повреждения в структуре белка (гемоглобинозы) и подавление выработки какой-либо полипептидной цепи глобина (талассемии).
В настоящее время описано более 300 видов патологических гемоглобинов. Первые модифицированные гемопротеиды называли с помощью латинских букв (C, D, E, M, S), но когда число изменённых Hb превысило количество букв в алфавите, стали именовать по месту открытия (Kansas, Boston, San Yose, Hiroshima, Richmond и др.).
Неоднородный характер генетических повреждений (замена, вставка, сдвиг рамки, удлинение цепи и т.д.) приводит к различным последствиям (изменяется сродство к кислороду, снижается стабильность эритроцитов, что проявляется усиленным гемолизом, цианозом). Это определяется не только выраженностью сдвигов в нуклеотидной последовательности, но и природой сменившихся аминокислот. Если заменяются аналоги, например, глутамат на аспартат, то подобный вариант никак себя не проявляет. Практически здоровы и носители Hb San Jose, у которого в 7 положении бета-цепи глутамат заменён на глицин, что сказывается лишь на электрофоретической подвижности данного белка.
Если же строение мутированного участка меняется резко, то высока вероятность развития серьёзных клинических признаков. Особенно опасны повреждения, локализующиеся в контактных площадках (местах связывания отдельных субъединиц в тетрамеры) или в карманах, где располагается гем. В этих случаях нарушается комплексирование гетерогенного тетрамера, что сказывается на жизнеспособности эмбриона и увеличивает вероятность выкидыша. Примером может служить Hb Philly, в нём фенилаланин встает на место тирозина, который в нормальном белке образует водородную связь с другими субъединицами. После подобной мутации существование генетически измененного тетрамера становится невозможным – мицелла разваливается. Для Hb Boston характерно замещение гистидина в 58 положении альфа-цепи на тирозин. Гистидин же обычно образует координационную связь с железом гема, а тирозин окисляет ион в фенолят железа; получившийся метгемоглобин провоцирует гипоксию.
В гемоглобине Genowa из-за утери валина происходит смещение фрагмента, остаток глутамата оказывается внутри мицеллы, участок деформируется, что снижает сродство к кислороду, развивается цианоз.
Более благоприятные последствия возможны, если мутации сказываются на аминокислотах, создающих поверхность мицеллы. Классическим примером может служить Hb S, в 6 положении бета-цепи которого глутамат заменяется на валин, то есть кислое соединение сменяется гидрофобом. А так как повреждение находится на поверхности, то подобное изменение уменьшает заряд и растворимость гемоглобина, а отдельные его молекулы, сталкиваясь, склеиваются за счёт образования гидрофобных взаимодействий валинов разных мицелл. Подобная агрегация удлиняет нити гемопротеида, что ещё больше снижает растворимость. Это явление сказывается на форме эритроцитов: они принимают форму серпа (Sickle cell – серповидная клетка). Отсюда заболевание носит название серповидной анемии, или гемоглобиноза S. Повреждённая при этом мембрана эритроцита обладает меньшей устойчивостью, что провоцирует гемолиз, тромбозы. Для больных характерны гемолитические кризы с острым болевым синдромом, симптомы поражения печени, интенсивная желтуха, вероятно формирование камней в желчевыводящих путях. Частота присутствия подобного гемопротеида в США составляет 8-9% (у афро-американцев), а в некоторых регионах Греции достигает 40%.
Талассемии (thalassа – море) – наследственные заболевания, в основе которых, как отмечено выше, лежит блок синтеза целой цепи глобина. При этом в эритроидных клетках синтезируются мицеллы, часто представляющие собой гомогенные тетрамеры, например, состоящие только из бета- или гамма-цепей. Гемоглобин H, состоящий из 4 бета-субъединиц, способен лишь связывать кислород, а отдавать – нет. При угнетении синтеза альфа-цепей гомозиготный зародыш не жизнеспособен, происходит выкидыш на ранних сроках беременности. Ребенок с бета-талассемией (болезнью Cooly) (блоком генеза бета-цепи) рождается практически здоровым (ведь для роста и развития плода необходим гемоглобин, включающий альфа- и гамма-цепи). С каждым месяцем начинают проявляться патологические признаки, определяемые степенью гипоксии, усилением ПОЛ, повреждением мембран эритроцитов (тяжёлая гемолитическая анемия, сохранение высокого содержания HbF (до 20-30%), нарушение физического и психического развития, ребёнок отказывается от груди, лицо приобретает монголоидные черты – скулы выдаются вперёд, основание переносицы вдавливается, нос становится приплюснутым). Для более старшего возраста характерны гемолитические кризы, лихорадочное состояние, возможно развитие сердечной недостаточности.
Распространение этих заболеваний зависит от региона. Особенно часто они встречаются по берегам морей (Средиземного, Чёрного). В Закавказье регистрируется до 10% носителей таких генов.
ДИСГЕМОГЛОБИНЕМИИ
Относительно часто встречаются патологические состояния, в основе которых лежат нарушения баланса различных форм гемоглобина. В эритроцитах здорового взрослого человека уровень метгемоглобинане превышает 2% от общего содержания. Однако под влиянием различных оксидов азота, неорганических нитратов, органических нитросоединений (амилнитрита, нитробензола, нитрофенола, тринитротолуола, нитроанилина), аминопроизводных (гидроксиламина, фенилгидразина, аминофенолов, р-аминобензойной кислоты, анилина), хлоратов, хроматов, перманганатов, хинонов, пиридина, некоторых лекарственных средств (нитроглицерина, анестезина, фурадонина, барбитуратов, аспирина и др.), красок, обладающих окислительной способностью, - его концентрация резко возрастает (мет-гемоглобинемия). В результате нарушается основная функция гемоглобина – блокируется перенос кислорода от лёгких к тканям и развивается гипоксия.
Все метгемоглобинообразователи, снижая осмотическую резистентность эритроцитов, ускоряют их гемолиз. При окислении Hb в метгемоглобин генерируются радикалы активного кислорода, которые могут принимать участие в процессах окислительного повреждения эритроцитов. Активируется ПОЛ, нарушается обмен липидов мембран красных кровяных телец, смещается баланс в системе ПОЛ – АОЗ. Основным симптомом служит цианоз; если содержание метгемоглобина превышает 30%, возникают слабость, головокружение, тахикардия, головные боли; при его накоплении до 50% развивается сердечно-сосудистая недостаточность. Риск отравления нитритами увеличивается при употреблении овощей, колбасных изделий, мясной тушенки, некачеств