Гемоглобин имеет меньшее сродство к кислороду чем миоглобин вследствие кооперативного эффекта
Гемоглобин имеет меньшее сродство к кислороду чем миоглобин вследствие кооперативного эффекта
Особые свойства молекулы гемоглобина, которые делают его столь эффективным переносчиком кислорода в крови, легче всего уяснить из сравнения миоглобина и гемоглобина в отношении их сродства к кислороду. На рис. 8-16 показаны кривые насыщения кислородом для гемоглобина и миоглобина, характеризующие степень насыщения этих белков кислородом (т.е. отношение числа участков молекулы, связывающих кислород, к общему числу участков, способных к такому связыванию) в зависимости от парциального давления газообразного кислорода, находящегося в равновесии с раствором белка.
Рис. 8-15. Фоток рафия нормальных эритроцитов человека, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа.
Прежде всего из графика ясно, что миоглобин имеет очень высокое сродство к кислороду: при парциальном давлении кислорода, равном всего лишь 1-2 мм рт. ст., он уже на 50% насыщен кислородом. Кроме того, мы видим, что кривая насыщения миоглобина кислородом имеет вид простой гиперболы, как и следует ожидать из закона действующих масс применительно к равновесной реакции:
При парциальном давлении кислорода, равном 20 мм рт. ст., миоглобин оказывается насыщенным кислородом более чем на 95%. В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду; кроме того, кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет сигмоидную, т.е. S-образную, форму (рис. 8-16). Это означает, что при связывании первой молекулы кислорода (нижняя часть S-образной кривой, соответствующая парциальным давлениям кислорода ниже 10 мм рт. ст.), гемоглобин имеет очень низкое сродство к кислороду, тогда как при связывании следующих молекул кислорода его сродство к ним становится намного выше, о чем свидетельствует крутая часть 
-образной кривой.
Фактически после связывания первой молекулы кислорода сродство повышается почти в 500 раз. Таким образом, четыре гемсодержащие полипептидные субъединицы гемоглобина различаются по степени их сродства к кислороду и зависят друг от друга в процессе его связывания.
Как только первая гемсодержащая полипептидная субъединица свяжет молекулу кислорода, она передает информацию об этом остальным субъединицам, у которых сразу же резко повышается сродство к кислороду. Такой обмен информацией между четырьмя гемсодержащими полипептидными субъединицами гемоглобина обусловлен кооперативным взаимодействием между субъединицами. Поскольку связывание первой молекулы кислорода одной из субъединиц гемоглобина увеличивает вероятность связывания следующих молекул кислорода остальными субъединицами, мы говорим, что гемоглобин имеет положительную кооперативностъ. Для положительной кооперативности характерны сигмоидные кривые связывания, подобные кривой насыщения гемоглобина кислородом. При связывании кислорода миоглобином, содержащим одну гемогруппу, молекула белка может присоединить только одну молекулу кислорода; в этом случае кооперативного связывания не наблюдается и кривая насыщения имеет вид простой гиперболы. Теперь мы понимаем. почему миоглобин и гемоглобин столь сильно различаются между собой по кислород-связывающей способности.
Мы будем использовать термин лиганд для обозначения специфической молекулы, связывающейся с белком; это может быть, например, молекула кислорода, если речь идет о гемоглобине (слово «лиганд» происходит от латинского слова, которое переводится как «связывать», «присоединять» и буквально означает «то, что присоединяется»). Многие другие олигомерные белки тоже имеют по нескольку лиганд-связывающих центров и, подобно гемоглобину, проявляют положительную кооперативность. Однако есть олигомерные белки, проявляющие отрицательную кооперативность: в этом случае связывание одной молекулы лиганда уменьшает вероятность связывания других молекул лиганда.
Гемоглобин имеет меньшее сродство к кислороду чем миоглобин вследствие кооперативного эффекта
а) Факторы, сдвигающие кривую диссоциации оксигемоглобина. Их значение для транспорта кислорода. Кривые диссоциации оксигемоглобина (для облегчения понимания просим вас изучить рисунки ниже) справедливы для нормальной крови со средними показателями. Однако существует ряд факторов, которые могут сдвигать эту кривую в одну или другую сторону. На рисунке видно, что при некотором закислении крови со снижением рН от нормального уровня 7,4 до 7,2 кривая диссоциации смещается в среднем на 15% вправо, а повышение уровня рН от нормального уровня 7,4 до 7,6 смещает кривую на такое же расстояние влево.
Влияние PO2 крови на количество связанного гемоглобина на 100 мл крови 
Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо в результате повышения концентрации ионов водорода (снижения pH). ДФГ — 2,3-дифосфоглицерат
Кроме изменений рН известны и другие факторы, которые могут сдвигать кривую диссоциации. Назовем три, действие которых сдвигает кривую вправо: (1) повышение концентрации двуокиси углерода; (2) повышение температуры крови; (3) повышение концентрации 2,3-дифосфоглицерата — метаболически важного фосфата, который в зависимости от метаболических условий присутствует в крови в разных концентрациях.
б) Повышение снабжения тканей кислородом в случаях, когда двуокись углерода и ионы водорода сдвигают кривую диссоциации оксигемоглобина. Эффект Бора. Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина в ответ на повышение содержания двуокиси углерода и ионов водорода в крови имеет существенное влияние, выражающееся в ускорении высвобождения кислорода из крови в тканях и увеличении оксигенации крови в легких. Это называют эффектом Бора и объясняют его следующим образом.
При прохождении крови через ткань двуокись углерода диффундирует из клеток ткани в кровь. В результате в крови увеличивается PO2, а затем концентрации угольной кислоты (H2CO3) и ионов водорода. Эти изменения сдвигают кривую диссоциации оксигемоглобина вправо и вниз (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок выше), уменьшая сродство кислорода к гемоглобину, и в результате увеличивается выход кислорода в ткани.
При диффузии двуокиси углерода из крови в альвеолы происходят процессы обратного направления — в результате в крови снижаются PCO2 и концентрация ионов водорода, сдвигая кривую диссоциации оксигемоглобина влево и вверх. При этом значительно увеличивается количество кислорода, связывающегося с гемоглобином при любом существующем уровне альвеолярного PO2, что увеличивает транспорт кислорода к тканям.
в) Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина под влиянием дифосфоглицерата. Нормальное содержание ДФГ в крови вызывает постоянный небольшой сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо. В случае гипоксического состояния, продолжающегося более нескольких часов, концентрация ДФГ в крови значительно возрастает, и кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо еще больше.
В присутствии такой концентрации ДФГ кислород в тканях высвобождается при PO2, превышающем нормальный уровень на 10 мм рт. ст., поэтому в некоторых случаях такой механизм с участием ДФГ может оказаться важным для адаптации к гипоксии, особенно если причиной гипоксии является уменьшение в ткани кровотока.
г) Сдвиг кривой диссоциации во время физической нагрузки. Во время физической нагрузки некоторые факторы вызывают значительный сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо, поэтому активные, выполняющие физическую работу мышечные волокна получают дополнительное количество кислорода. В свою очередь, работающие мышцы высвобождают большое количество двуокиси углерода; это в совокупности с действием некоторых других кислот, высвобождающихся мышцами, повышает концентрацию ионов водорода в крови капилляров мышц.
Кроме того, во время работы температура мышцы часто повышается на 2-3°С, что может еще больше увеличивать доставку кислорода мышечным волокнам. Все эти факторы вызывают значительный сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина в крови капилляров мышц вправо. Сдвиг вправо означает высвобождение кислорода гемоглобином в мышце при достаточно высоком уровне PO2 (40 мм рт. ст.) даже в случаях, когда из него уже высвободилось 70% кислорода. Сдвиг кривой в другую сторону показывает, что в легких присоединилось дополнительное количество кислорода из альвеолярного воздуха.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Гемоглобин
Гемоглобин (от др.-греч. Гемо — кровь и лат. globus — шар) – это сложная белковая молекула внутри красных клеток крови – эритроцитов (у человека и позвоночных животных). Гемоглобин составляет примерно 98% массы всех белков эритроцита. За счет своей структуры гемоглобин участвует в переносе кислорода от легких к тканям, и оксида углерода обратно.
Строение гемоглобина
Гемоглобин состоит из двух цепей глобина типа альфа и двух цепей другого типа (бета, гамма или сигма), соединенными с четырьмя молекулами гемма, содержащего железо. Структура гемоглобина записывается буквами греческого алфавита: α2γ2.
Обмен гемоглобина
Гемоглобин образуется эритроцитами в красном костном мозге и циркулирует с клетками в течение всей их жизни – 120 дней. Когда селезенкой удаляются старые клетки, компоненты гемоглобина удаляются из организма или поступают обратно в кровоток, чтобы включиться в новые клетки.
Типы гемоглобина
К нормальным типам гемоглобина относится гемоглобин А или HbA (от adult — взрослый), имеющий структуру α2β2, HbA2 (минорный гемоглобин взрослого, имеющий структуру α2σ2 и фетальный гемоглобин (HbF, α2γ2. Гемоглобин F – гемоглобин плода. Замена на гемоглобин взрослого полностью происходит к 4-6 месяцам (уровень фетального гемоглобина в этом возрасте менее 1%). Эмбриональный гемоглобин образовывается через 2 недели после оплодотворения, в дальнейшем, после образования печени у плода, замещается фетальным гемоглобином.
Функция гемоглобина
Основная функция гемоглобина – доставка кислорода от легких к тканям и углекислого газа обратно.
Формы гемоглобина
Эффект Бора
Эффект был описан датским физиологом Христианом Бором http://en.wikipedia.org/wiki/Christian_Bohr (отцом знаменитого физика Нильса Бора).
Христиан Бор заявил, что при большей кислотности (более низкое значение рН, например, в тканях) гемоглобин будет меньше связываться с кислородом, что позволит его отдать.
В легких, в условиях избытка кислорода, он соединяется с гемоглобином эритроцитов. Эритроциты с током крови доставляют кислород ко всем органам и тканям. В тканях организма с участием поступающего кислорода проходят реакции окисления. В результате этих реакций образуются продукты распада, в том числе, углекислый газ. Углекислый газ из тканей переносится в эритроциты, из-за чего уменьшается сродство к кислороду, кислород выделяется в ткани.
Эффект Бора имеет громадное значение для функционирования организма. Ведь если клетки интенсивно работают, выделяют больше СО2, эритроциты могут снабдить их большим количеством кислорода, не допуская кислородного «голодания». Следовательно, эти клетки могут и дальше работать в высоком темпе.
Какой уровень гемоглобина в норме?
В каждом миллилитре крови содержится около 150 мг гемоглобина! Уровень гемоглобина меняется с возрастом и зависит от пола. Так, у новорожденных гемоглобин значительно выше, чем у взрослых, а у мужчин выше, чем у женщин.
Что еще влияет на уровень гемоглобина?
Некоторые другие состояния также влияют на уровень гемоглобина, например, пребывание на высоте, курение, беременность.
Возможна ли жизнь без гемоглобина?
Ледяная рыба или белокровка (Champsocephalus gunnari) обитает у берегов Антарктиды. Внешний вид представителей этого семейства напоминает известных еще древним грекам морских рыб ханна, — отсюда и длинное латинское название Channichthyidae (буквально: ханновые рыбы).
Автор
Редакторы
В декабре 1927 года норвежский зоолог Дитлев Рустад в 1750 километрах от побережья Антарктиды обнаружил очень странную рыбу с прозрачным телом и молочно-белыми жабрами. Когда Рустад вскрыл рыбу, он обнаружил, что ее кровь была бесцветной, как стекло. Так в его дневнике появилась запись «бесцветная кровь».
«Биология — наука 21 века»
Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология — наука 21 века» в 2013 году.
Зачем нужен гемоглобин?
Практически всем видам позвоночных животных для транспорта кислорода к тканям необходима специальная система доставки, поскольку молекулярный кислород плохо растворим в воде: в 1 л плазмы крови растворяется всего лишь 3,2 мл О2. Содержащийся в эритроцитах позвоночных белок гемоглобин (Hb, рис. 1) способен связать в 70 раз больше — 220 мл О2/л. Содержание Hb в крови человека варьирует в пределах 120–180 г/л, что вдвое выше, чем концентрация белков плазмы (50–80 г/л). Поэтому гемоглобин вносит наибольший вклад в поддержание рН-буферной емкости крови. По своей структуре гемоглобин взрослого человека (HbA) является тетрамером, состоящим из двух α- и двух β-субьединиц с молекулярными массами около 16 кДа. α- и β-цепи отличаются аминокислотной последовательностью, но имеют сходную конформацию.
Рисунок 1. Молекула гемоглобина. Гемоглобин является одним из наиболее хорошо изученных белков. Он был открыт немецким физиологом Отто Функе в 1851 году, а структуру этого белка описал австрийский молекулярный биолог Макс Перутц в 1959 году, за что тремя годами позднее получил Нобелевскую премию по химии [1].
Рисунок 2. Насыщение гемоглобина и миоглобина кислородом
Каждая субъединица гемоглобина несет группу гема с ионом двухвалентного железа в центре. При связывании O2 с атомом железа в геме (оксигенация Hb) и отщеплении O2 (дезоксигенация) степень окисления атома железа не меняется. Окисление Fe 2+ до Fe 3+ в геме носит случайный характер. Окисленная форма гемоглобина — метгемоглобин — не способна переносить O2. Доля метгемоглобина поддерживается ферментами на низком уровне и составляет 1–2% [2]. Центры связывания O2 на каждой из четырёх субъединиц действуют кооперативно: когда молекула O2 связывается с одним из них, у других возрастает сродство к кислороду (данное явление называют положительной кооперативностью) [3]. Вследствие этого кривая насыщения гемоглобина кислородом имеет ярко выраженный сигмоидальный характер (рис. 2, кривая 2).
Другой мышечный белок — миоглобин, являющийся эволюционным предшественником гемоглобина, — является мономером и содержит единственный центр связывания O2, из-за чего его кривая насыщения кислородом несигмоидальна (рис. 2, кривая 1). Сродство к кислороду у миоглобина примерно в 13 раз выше, чем у гемоглобина (50%-насыщение миоглобина O2 достигается уже при парциальном давлении кислорода в 1–2 мм рт. ст., в то время как для гемоглобина эта цифра равна 26 мм рт. ст.) [4]. Из-за этого гемоглобин способен эффективно отдавать кислород в тканях и является более эффективным переносчиком, чем миоглобин. Но из этого не следует, что миоглобин малоэффективный и плохо устроенный белок, поскольку он выполняет принципиально иную биологическую функцию — запасание кислорода и обеспечение им митохондрий. Данные адаптивные различия между миоглобином и гемоглобином появились в результате миллионов лет эволюции.
Прозрачные рыбы
В 1927 году экспедицией норвежских китобоев близ острова Буве во время очередной промысловой охоты была поднята на сушу невиданная рыба, практически бесцветная и, самое интересное, с прозрачной («стеклянной») кровью. Это был первый обнаруженный вид позвоночных, не содержащих белка гемоглобина. За счет поразительного сходства головы рыбы с головой крокодила, рыбу назвали крокодиловая белокровка (Chaenocephalus aceratus). Белокровки (Channichthyidae; рис. 3) или ледяные рыбы обитают в холодных водах возле Антарктиды и южного побережья Южной Америки. Температура воды в этих краях опускается аж до −1,9 °C (температура замерзания морской воды ниже, чем пресной), причем является довольно постоянной.
Рисунок 3. Некоторые представители белокровок. а — Chaenodraco wilsoni. б — Chaenocephalus aceratus. в — Champsocephalus gunnari. г — Cryodraco atkinsoni. Белокровки (Channichthyidae) — семейство из отряда Окунеобразные (Perciformes), в котором описано 16 видов. Данные рыбы питаются крилем, рачками и другими рыбами. Недавние исследования показали, что рацион этих рыб различается в зависимости от возраста. В целом, в рационе преобладает антарктический криль (Euphausia superba) и равноногие рачки (Themisto gaudichaudii). В рационе молодых особей преобладает Т. gaudichaudii и эвфаузииды (Thyanoessa sp.), а доля антарктического криля меньше. Ледяные рыбы достигают общей длины 25–75 см. Они являются пелагиальными представителями антарктических вод, обитают на глубине от 200 до 700 метров. Некоторые подвиды C. aceratus обнаруживаются в районе 1–2 тыс. метров. Белокровки — доминирующий вид в Антарктиде, полностью лишенный плавательного пузыря, в связи с чем многие виды этих рыб являются донными.
Очень немногие рыбы могут выжить в суровых условиях Антарктики. Ледяная рыба выживает за счет специального антифриза, присутствующего в крови и предотвращающего образование кристаллов льда в организме. Этот антифриз (AFGP, antifreeze glycoprotein) представляет собой гликопротеин, предположительно произошедший от панкреатической трипсиногеноподобной протеазы [9]. AFGP способен связываться с микроскопическими кристалликами льда и предотвращать их рост [10].
Ледяные рыбы имеют очень низкий уровень метаболизма и проводят большую часть времени практически неподвижно. Белокровки обитают в богатой кислородом воде и поглощают его непосредственно через кожу [11], потому что при пониженных температурах кровь, содержащая гемоглобин, становится очень вязкой, и выживание с такой кровью было бы весьма проблематично.
Отсутствие гемоглобина компенсируется модификацией сердечнососудистой системы. Все представители ледяных рыб имеют большее сердце, чем у других рыб такого же размера, а это увеличивает ударный объем, в несколько раз повышает общее количество циркулирующей крови и поднимает скорость кровотока. При низком артериальном давлении это достигается за счет снижения системного сопротивления потоку. Сочетание высокой пропускной способности сердечнососудистой системы, высокого содержания кислорода и относительно низких скоростей метаболизма ледяной рыбы позволяет обеспечить достаточное количество кислорода в тканях [12].
Гемоглобиновая потеря
Белокровки пережили потерю генов гемоглобина достаточно давно. Как показывает молекулярный анализ, почти у всех ледяных рыб одна мутация привела к потере гена, кодирующего β-цепь и часть α-цепи гемоглобина. Потеря способности к синтезу гемоглобина вызвала развитие компенсаторных изменений: увеличился объем сердца и общий объем крови (приблизительно в 3.5 раза по сравнению с костистыми рыбами аналогичного размера) [13–15]. Ученые, проанализировав ДНК представителей нототениевых рыб, пришли к выводу, что только у одного вида белокровок (Neopagetopsis iona) присутствуют гены гемоглобина, но они не являются функциональными [16].
Наряду с гемоглобином, у белокровок отсутствует и миоглобин, переносящий кислород в скелетных мышцах. При этом у десяти видов миоглобин сохранился только в сердечной мышце (в частности, в желудочке) [17], а у шести видов миоглобин был утрачен и там, причем механизм утраты гена у каждого вида индивидуален [18]. Общим механизмом подобной утраты является дупликация коротких (5–25-нуклеотидных) фрагментов, приводящая к сдвигу рамки считывания, преждевременной терминации транскрипции, появлению ложного сигнала полиаденилирования или нарушению связывания РНК-полимеразы с промоторной областью ДНК [19], [20].
Утрата гемоглобина первоначально должна была стать адаптацией к холоду: известно, что растворимость кислорода в холодной воде выше [21], а значит, потребность в гемоглобине, напротив, меньше. Отсутствие эритроцитов также снижает вязкость крови, что особенно критично в условиях экстремально низкой температуры. В процессе эволюции у белокровок произошли довольно радикальные изменения, компенсирующие утрату гемоглобина, включая вдвое большие энергозатраты по перекачке крови по сравнению с другими рыбами [22].
Ледяные рыбы произошли от малоподвижного донного предка. В холодных, хорошо перемешиваемых, богатых кислородом антарктических водах рыбы с низкой скоростью метаболизма могут выжить даже без гемоглобина. В середине третичного периода экологический кризис в Южном океане, вызванный похолоданием [23], привел к появлению обширных пустующих экологических ниш. Отсутствие конкуренции позволило мутантам, не имеющим гемоглобина, оставить после себя потомство, которое заселило пустые места обитания. У детенышей развились механизмы компенсации мутаций. В относительно изолированных фьордах образовались места обитания, которые колонизировали несколько особей, что привело к возникновению шести видов рыб, изолированных друг от друга и независимо потерявших гены глобинов [22].
Гистологически показано, что особенностью ледяных рыб является высокий объем митохондрий при сходном их количестве и высокое отношение липид/белок в митохондриальных мембранах в сравнении с близкородственными видами семейства нототениевых рыб (рис. 4). Интересно, что у белокровок, у которых отсутствует миоглобин в скелетной мускулатуре, но присутствует в сердечной, объем митохондрий в скелетных мышцах существенно выше, чем в миокарде. О молекулярных механизмах этого феномена известно довольно мало. Предположительно, это явление связанно с одним из ключевых белков-регуляторов биогенеза митохондрий PGC-1α [23].
PGC-1α является транскрипционным коактиватором и центральным звеном образования митохондрий в клетках. Недавно открыто, что PGC-1α регулирует состав и функции отдельных митохондрий и их окислительный метаболизм. Повышение окислительного метаболизма связано с повышенной работой PGC-1α, что сопровождается увеличением активных форм кислорода (АФК) в митохондриях. Но этот белок является и мощным регулятором удаления АФК, потому что высокий уровень PGC-1α запускает экспрессию многочисленных ферментов-антиоксидантов [25].
Рисунок 4. Поперечный разрез миоцитов желудочков сердца (C. aceratus). Большие митохондрии (Mt) по периферии окружены миофибриллами (My).
Регулятором биогенеза мембран митохондрий у белокровок является оксид азота-II (NO) (рис. 5). По сравнению с другими рыбами, у белокровок наблюдается повышенное содержание этого сигнального агента в крови. В ответ на потерю гемоглобина и миоглобина в мышцах ледяных рыб увеличивается биосинтез фосфолипидов, причем, независимо от синтеза митохондриальных белков и репликации митохондриальной ДНК, это приводит к увеличению размера митохондрий. Молекула NO стимулирует образование PGC-1α, который регулирует репликацию митохондриальной ДНК. Но ничего не известно о том, как биосинтез митохондриальных фосфолипидов интегрирован в этот процесс у ледяных рыб; возможно, это индуцируется высоким уровнем NO (темная стрелка на рисунке) [18].
Рисунок 5. Процесс биогенеза митохондрий у ледяных рыб. Образование митохондрий включает в себя синтез митохондриальных белков (синие точки), фосфолипидов и репликацию митохондриального генома (зеленые кружки). В ответ на стимулы, такие как понижение температуры (или повышение физической нагрузки у млекопитающих) эти три компонента митохондриального биогенеза согласованно активируется, что приводит к увеличению плотности митохондрий.
Заключение
Безусловно, гемоглобин — жизненно важный белок, на котором основано дыхание большинства организмов. Эволюция гемоглобина происходила миллионы лет, но в специфических условиях Антарктики (холодная вода, обогащенная кислородом) адаптивные преимущества могут достигаться за счет эволюционной утраты гемоглобина (дезадаптация). Ледяные рыбы являются одной из ярких иллюстраций того, как гены, которые считаются абсолютно необходимыми для жизни позвоночных, в определенных условиях могут редуцироваться, обеспечивая выживание вида. Причудливы пути эволюции.