Биохимия форменных элементов крови
Метаболизма эритроцитов имеет ряд особенностей:
1. В зрелых эритроцитах не идут реакции биосинтеза белков.
2. Образование энергии - только путем гликолиза, субстрат - только глюкоза.
В эритроцитах существуют механизмы предохранения гемоглобина от окисления:
1. Активно протекает пентозофосфатный путь, дающий НАДФ.H2
2. Высока концентрация глутатиона - пептида, содержащего SH-группы.
Главная функция эритроцитов — транспорт кислорода от легких в ткани и СО2 от тканей обратно в легкие. Высшие организмы нуждаются для этого в специальной транспортной системе, так как молекулярный кислород плохо растворим в воде:в 1 л плазмы крови растворимо только около 3,2 мл О2. Содержащийся в эритроцитах белок гемоглобин (Hb) способен связать в 70 раз больше — 220 мл О2/л.
Гемоглобин составляет примерно 95% белков эритроцитов. Hb вносит наибольший вклад в образование рН-буферной емкости крови.
Гемоглобин представляет собой сложный белок, относящийся к группе гемопротеинов; белковый компонент в котором представлен глобином, небелковый - простетической группой.
Примерно 80% аминокислотных остатков глобина образуют α-спирали, обозначенные буквами А-Н. Каждая субъединица несетгруппу гема с ионом двухвалентного железа в центре. При связывании O2с атомом железа в геме (оксигенация Hb) и отщеплении O2 (дезоксигенация) степень окисления атома железа не меняется. Окисление Fe2+ до Fe3+ в геме носит случайный характер.
В первые три месяца образуются эмбриональные гемоглобины состава ξ2ε2 и α2γ2. Затем вплоть до рождения доминирует фетальный гемоглобин (HbF, α2δ2), который постепенно заменяется на первом месяце жизни на HbА. Эмбриональный и фетальный гемоглобины обладают более высоким сродством к О2 по сравнению с HbА, так как они должны переносить кислород из системы материнского кровообращения.
У взрослого человека в норме 3 типа гемоглобина. Основная форма - : гемоглобин А, содержащий 2 a и 2 b цепи (HbA1), менее 3.5 2% составляет гемоглобин А2, содержащий 2 a и 2 d цепи (HbA2,). Гемоглобин F, содержащий 2 a и 2 g - цепи, присутствует в незначительных количествах – менее 2%.
В крови взрослого человека гемоглобин существует по крайней мере в четырех формах: оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, карбоксигемоглобин, метгемоглобин. В эритроцитах молекулярные формы гемоглобина способны к взаимопревращению, их соотношение определено индивидуальными особенностями организма.
Метгемоглобин (MeтHb) - окисленная форма гемоглобина, в котором железо находится в трехвалентной форме. Метгемоглобин не способен переносить O2. При процессах обмена в эритроцитах всегда образуются известные количества метгемоглобина, который, однако, восстанавливается обратно в гемоглобин под воздействием фермента метгемоглобинредуктазы, так что в цельной крови здорового человека метгемоглобин не превышает 2% общего содержания гемоглобина (0,03-0,3 г%).
Избыток метгемоглобина может быть врожденным и приобретенным. Доля метгемоглобина может увеличиваться при приеме больших доз некоторых лекарственных средств.
Карбоксигемоглобин (СОHb) образуется в присутствии оксида углерода, при этом сродство гемоглобина к оксиду углерода в 200 раз выше, чем к кислороду. Поэтому даже небольшое увеличение оксида углерода во вдыхаемом воздухе приводит к образованию СОHb, что снижает способность крови к переносу кислорода. В крови городских жителей уровень СОHb менее 2%, в крови курильщиков – до 10%.
Эффект Бора
Hb не только переносит кислород от легких к периферическим тканям, но и ускоряет транспорт углекислого газа от тканей к легким. Гемоглобин связывает углекислый газ сразу после высвобождения кислорода. Находящаяся в эритроцитах карбоангидраза катализирует превращение поступающего из тканей углекислого газа в угольную кислоту. Угольная кислота быстро диссоциирует на бикарбонат-ион и протон, причем равновесие вдвинуто в сторону диссоциации.
Для предотвращения опасного повышения кислотности крови должна существовать буферная система, способная поглощать избыток протонов. Гемоглобин связывает два протона на каждые четыре освободившиеся молекулы кислорода и определяет буферную емкость крови.
В легких идет обратный процесс: присоединение кислорода к дезоксигемоглобину сопровождается высвобождением протонов, которые связываются с бикарбонат-ионами, переводя их в угольную кислоту. Далее эффективно действующая карбоангидраза катализирует превращение угольной кислоты в углекислый газ, выдыхаемый из легких. Таким образом, связывание кислорода тесно сопряжено с выдыханием углекислого газа. Это обратимое явление известно как эффект Бора.
Патологические варианты гемоглобина
Кроме нормальных типов гемоглобина в настоящее время известно свыше 50 его патологических вариантов. Заболевания, вызванные появлением патологического типа гемоглобина, называются гемоглобинопатиями или гемоглобинозами. Наследственно обусловленные гемоглобинопатии связаны с изменением глобина.
Вариант 1. Замена целых пар полипептидных цепей в гемоглобиновой молекуле.Пример: таласемия. Вместо нормальной структуры гемоглобина А - альфа-альфа/бета-бета, гемоглобин Н имеет структуру b-b-b-b, что значит, что по обе a -полипептидные цепи замещены новыми двумя b-полипептидными цепями. В результате развивается болезнь a - таласемия. При b - таласемии прекращается синтез b -цепей, что ведет к прекращению образования Нb А, в результате компенсаторно возрастает синтез Нb F и Нb А2. При талассемии происходят дегенеративные изменения эритроцитов, появлению мишеневидных эритроцитов с центрально расположенным гемоглобином, уменьшением жизни эритроцитов до 30 дней. В результате возникает тяжелая форма анемии.
Вариант 2. замена аминокислот. Пример, серповидно-клеточная анемия. Единственная разница между HbS и HbA состоит в том, что на 6-ом месте в b-полипептидной цепи вместо глутамина находится валин. После отдачи кислорода в тканях он превращается в плохо растворимую форму и выкристаллизовывается в эритроцитах, вызывая их деформацию (образование серповидных форм), что и приводит к нарушению функции крови.