Біохімія та патобіохімія гемоглобіну. Буферні системи крові

Київ 2013

 

Біохімія та патобіохімія гемоглобіну. Буферні системи крові.

Буферні системи крові.

 

• У нормі рН=7,36-7,44 
• При 6,8 <рН< 7,8 в організмі відбуваються незворотні зміни обміну речовин.  
   
  Як правило, буферна система – це суміш сполук, які відіграють роль донора і акцептора протонів. Вивільнення та поглинання протонів із середовища сприяє стабілізації нормальних значень рН рідин організму (крові і тканин) в разі надходження кислот або лугів.

 

• Така суміш має певну та відносно сталу концентрацію іонів водню, яка залежить від співвідношення кислоти та солі й іонної сили суміші.

Гемоглобін (Hb)

 

Нb – це – складний білок класу хромопротеїнів,  гемопротеїн. 

олігомер, який складається з 4 протомерів. 

Кожна містить гем, що зв’язаний з білковою частиною через залишок гістидину. До складу молекули Hb входять по 2 поліпептидних ланцюги.  

• HbА₁ - (α₂β₂), 96-99% усього гемоглобіну.
• Частина HbА₁  – це глікозильований гемоглобін HbА_1с, який утворюється в результаті неферментативного глікування гемоглобіну залишками глюкози.  4-7%. 
• HbА₂ (α₂δ₂), 2-3%,
• HbF (α₂γ₂), 2-3%.  
  

 

Структура гемоглобіну

Буферний розчин:  (спряжена кислотно-основна пара).

слабка кислота + її сіль, яка утворена сильною основою

• - гемоглобінова 

(ННb-КНbО₂);

• - гідрокарбонатна бікарбонатна

(Н₂СО₃ — NаНСО₃);

• - фосфатна

(NaH₂PO₄- Na₂HPO₄);

• - білкова.

Буферні ємнності систем

 

та взаємозв’язаність іх дій.

 

• гемоглобінова– 73-76% (найбільш потужна)
• бікарбонатна – 17-27%,
• білкова – 2-5%,
• фосфатна – 1-2%. 
   
  Головною фізико-хімічною системою регуляції плазми є бікарбонатна буферна система. Крім того, інші буферні системи регулюють рН крові саме через стабілізацію цього буфера.

 

Гемоглобінова буферна система

 

Ця система представлена декількома підсистемами –

• HHb/HНbО₂,
• KНb/HНb,
• KНbО₂/HНbО₂. 
   
  СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃; 
  Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО^3-; 
  НСО^3- + К⁺ ↔ КНСО₃; 
  КНb + Н₂СО₃ → КНСО₃ + ННb. 
  

Бікарбонатна (гідрокарбонатна) буферна система

 

складається з вугільної кислоти Н₂СО₃ та бікарбонату натрію NaHCO₃ (переважно в плазмі) або калію KHCO₃ (в еритроцитах). Співвідношення вмісту кислоти та її солі становить 1/20.  

• При надходженні у кров кислоти, яка більш сильна, ніж вугільна: 
  1) Na⁺ + HCO^3- + H⁺ + X^-→ NaX + H₂CO₃  (X – аніон кислоти); 
  2) H₂CO₃→ H₂O + CO₂. (виділ. легенями)

 

• У разі, якщо в кров надходить луг: 
  НСО₃ +Na⁺ →NaHCO₃.(виділяється нирками)

Фосфатна буферна система

 

При підвищенні кислот у крові : 
2Na⁺ + HPO₄^2- + H⁺ + X^-→NaX + Na⁺ + H₂PO₄^-. 
Надлишок гідрофосфату натрію виділяється із сечею. 
 
При підвищенні кількості лугів : 
Na⁺ + H₂PO₄^- + Na⁺ + OH^- → H₂O + 2Na⁺ + HPO₄^2- . 

Фосфатна буферна система може підвищувати резерви бікарбонатної за рахунок відновлення гідрокарбонату натрію: 
2Na⁺ + HPO₄^2- + H₂CO₃ ↔ NaHCO₃ +Na⁺ + H₂PO₄^- .

  
У результаті ліквідується надлишок H₂CO₃ в плазмі та відновлюється постійне співвідношення концентрацій вугільної кислоти та бікарбонату натрію (1/20).

Білкова (протеїнова) буферна система

 

здійснює підтримку рН за рахунок амфотерних властивостей білків плазми, які містять вільні -СООН та -NH₂.

 

Похідні гемоглобіну

 

До  заліза, яке міститься в молекулі Hb, приєднується кисень – утворюється оксигемоглобін - HbO₂ .

Гемоглобін, який віддає кисень-  дезоксигемоглобін, або відновлений гемоглобін (НHb).

  
Інтенсивність утворення HbО₂ залежить від

• парціального тиску крові,
• значення рН,
• концентрації СО₂ 
• вмісту 2,3-ДФГ

  

• Приєднання вуглекислого газу призводить до утворення карбгемоглобіну HbCO₂ 
• транспортує до 20% СО₂
• СО₂ з’єднується з N-кінцевими групами гемоглобіну
• (HbCO) є міцною сполукою. Спорідненість Hb до СО у 200 разів вище, ніж до кисню, тому утворення HbCO блокує утворення HbO і транспорт кисню.

 

• У крові людини, яка живе у місті, концентрація карбоксигемоглобіну становить менше ніж 2%. У крові людей, які палять, ця концентрація зростає до 10%. 

 

• При, отруєннях потужними окисниками (перманганат калію, бертолетова сіль, сульфаніламідні препарати та ін.), залізо у складі гему окиснюється до тривалентного стану - утворюється метгемоглобін MetHb, що не може зв’язувати кисень.

 

Метгемоглобінемія (підвищення концентрації MetHb) може мати спадковий характер (при дефіциті метгемоглобін редуктази) та розвиватися внаслідок надходження в організм значної кількості окисників (розвивається гостра токсична метгемоглобінемія).

 

 

При порушенні синтезу гемоглобіну виникають гемоглобінопатії і таласемії, які мають спадковий характер і належать до «молекулярних хвороб». 

 

• Гемоглобінопатії  - зміна кількісного або якісного амінокислотного складу поліпептидних ланцюгів гемоглобіну (якісні гемоглобінопатії). 
  
• Таласемії - порушення швидкості синтезу поліпептидних ланцюгів гемоглобіну без зміни їх структури (кількісні гемоглобінопатії).

 

• Деколи спостерігається наявність цих двох патологій у одного хворого. 

Для гемоглобінопатій і таласемій характерний синдром еритропатій, який супроводжується:

• скороченням тривалості життя еритроцитів,
• підвищеним гемолізом,
• порушенням функцій еритроцитів.

 

• Відомо близько 300 аномальних гемоглобінів, але не всі патології мають клінічні прояви.  
   
  

Найчастіше при гемоглобінопатіях спостерігаються гемоглобіни S, C, D, E, H.

 

• HbS (серпоподібно-клітинна анемія) – гемоглобін, в якому в 6-му положенні β-ланцюга глутамінова кислота (Глу) замінена на валін (Вал).
• Внаслідок синтезу HbS змінюється структура еритроцитів – кристалізація гемоглобіну супроводжується розтягненням оболонки і вони набирають форми серпа.

 

У результаті спостерігаються підвищення в’язкості крові, зменшення швидкості кровотоку, зниження механічної резистентності еритроцитів - вони втрачають здатність проходити через дрібні капіляри.

Такі еритроцити застрягають у капілярах, руйнуються і утворюють тромби, наслідком чого є хронічна капіляропатія. 

 

• HbC – гемоглобін, в якому в 6-му положенні β-ланцюга глутамінова кислота (Глу) замінена на лізин (Ліз). кристалізується в еритроцитах, які гемолізують.

Призводить до розвитку легкої форми гемолітичної анемії.  

• HbD – гемоглобін, в 121-му положенні бета-ланцюга якого глутамінова кислота (Глу) замінена на глутамін (Глн).

Розвивається легка форма гемолітичної анемії.  

• HbЕ – гемоглобін, в 26-му положенні β-ланцюга якого глутамінова кислота (Глу) замінена на лізин (Ліз).

мікроцитарна гіпохромна анемія та наявність мішенеподібних еритроцитів.

більш тяжкі форми супроводжуються вираженою спленомегалією. 

• HbM – існує група гемоглобінів, у яких структурний дефект (амінокислотна заміна) перешкоджає відновленню метгемоглобіна до гемоглобіну.

У таких  гемоглобінах метгемоглобінредуктаза не діє. Наслідок - накопичення метгемоглобіну.

 

Таласемії (греч. thalassa - море)

 

– це найбільш поширені спадкові захворювання людини.

 

• Альфа-таласемія  - порушення синтезу α-ланцюгів Hb (внаслідок делеції або інактивації одного з 4 генів альфа-ланцюгів глобіну).

В організмі дорослої людини формуються бета₄-тетрамери – це гемоглобін Н (HbH). Ці тетрамери нестабільні, крива дисоціації оксигемоглобіну не має S-подібної форми. У хворих спостерігається мікроцитарна гіпохромна анемія, гемолізис.

 

• Бета-таласемія - порушення синтезу β-ланцюгів.

Надлишок α-ланцюгів гемоглобіну не утворює тетрамерів, α-ланцюги Нb зв’язуються з мембранами еритроцитів та пошкоджують їх. Гомо- та гетерозиготи мають різні за тяжкістю клінічні прояви. Варіації симптомів можуть бути від тяжкої анемії з клінічною симптоматикою, яка не дозволяє людині жити довше ніж до 20 років (анемія Кулі), до легкої мікроцитарної анемії.