Гемоглобін (від — кров і — куля + -ін), скорочено Hb або Hgb — залізовмісний киснево-транспортний металопротеїн в еритроцитах (червоних кров'яних тільцях) більшості хребетних (за винятком родини риб Білокрівкові) та тканинах деяких безхребетних. Гемоглобін у крові переносить кисень від дихальних органів (наприклад, легень або зябер) до решти тіла (тобто тканин). Там він вивільняє кисень, щоби забезпечити аеробне дихання, яке своєю чергою забезпечує енергію задля виконання функцій організму в процесі, який має назву обмін речовин. У здоровому організмі на 100 мл крові міститься від 12 до 20 грамів гемоглобіну.
У ссавців хромопротеїн становить близько 96 % сухого вмісту еритроцитів (за вагою) і близько 35 % загального їхнього вмісту (враховуючи воду). Гемоглобін має здатність прив'язати до себе 1,34 мл O2 на грам речовини, що збільшує загальну ємність кисню в крові у 70 разів, порівнюючи з просто розчиненим у крові киснем. Молекула гемоглобіну ссавців може прив'язати (перенести) до 4 молекул кисню.
Гемоглобін також залучений до транспорту інших газів: він переносить частину вуглекислого газу (близько 20–25 % загальної кількості) у вигляді карбогемоглобіна, у якому CO2 прив'язується до гемопротеїна. Молекула також переносить важливу регуляторну молекулу оксид азоту(II) (NO), зв'язану з тіоловою групою білка глобіну, вивільняючи його одночасно з киснем.
Гемоглобін також був знайдений за межами еритроцитів і їхніх прогеніторних ліній. Серед інших клітин, які містять гемоглобін, є дофамінергічні нейрони A9 у чорній речовині, макрофаги, клітини альвеол, легені, пігментний епітелій сітківки, гепатоцити, клітини ниркового мезангія, клітини ендометрія, клітини шийки матки і вагінальні епітеліальні клітини. У цих тканинах гемоглобін виконує не киснево-транспортну функцію, а функції антиоксиданту і регулятора метаболізму заліза. Надмірний вміст глюкози в крові може приєднатися до гемоглобіну і підвищити рівень гемоглобіну A1c.
Гемоглобін і гемоглобіноподібні молекули також наявні в багатьох безхребетних, грибів і рослин. У цих організмів гемоглобін може переносити кисень або транспортувати та регулювати інші малі молекули та іони, такі як вуглекислий газ, оксид азоту, сірководень та сульфід. Варіант молекули, який називається легоглобін, використовується для видалення кисню з анаеробних систем, таких як азот-фіксуючі клубні бобових рослин, щоб кисень не отруїв (деактивував) систему.
Гемоглобінемія — це медичний стан, при якому спостерігається надлишок гемоглобіну в плазмі крові. Це є ефектом внутрішньосудинного гемолізу, при якому гемоглобін відділяється від еритроцитів, форма анемії.
Історія досліджень
1825 року Йоган Фрідріх Енгельгарт виявив, що співвідношення заліза до білка однакове в гемоглобінах кількох видів. З відомої атомної маси заліза він обчислив молекулярну масу гемоглобіну до n × 16000 (n = кількість атомів заліза в молекулі гемоглобіну (зараз відомо, що їх 4)), перше визначення молекулярної маси білка. Цей «поспішний висновок» викликав багато насмішок у вчених, які не могли повірити, що якась молекула може бути настільки великою. Гілберт Смітсон Адер підтвердив результати Енгельгарта 1925 року вимірюванням осмотичного тиску розчинів гемоглобіну.
Хоча про те, що кров переносить кисень, було відомо ще з 1794 року, властивість гемоглобіну переносити кисень була описана Гюнфельдом 1840 року. 1851 року німецький фізіолог Отто Функе опублікував серію статей, у яких він описав вирощування кристалів гемоглобіну шляхом послідовного розведення еритроцитів таким розчинником, як чиста вода, спирт або ефір, з наступним повільним випаровуванням розчинника з отриманого розчину білка. Кілька років потому було описано оборотну оксигенацію (оксигенація гемоглобіну — приєднення кисню до заліза в гемі) гемоглобіну Феліксом Гоппе-Зейлером.
Завдяки розвитку рентгеноструктурного аналізу стало можливим секвенування білкових структур. 1959 року Макс Фердинанд Перуц визначив молекулярну структуру гемоглобіну. Ця робота призвела до того, що він, разом із Джоном Кендрю, 1962 року отримав Нобелівську премія з хімії за дослідження структури глобулярних білків.
Роль гемоглобіну в крові була з'ясована французьким фізіологом Клодом Бернаром. Назва гемоглобін пішла від слів гем і глобін, відображаючи той факт, що кожна субодиниця гемоглобіну є глобулярним білком зі вбудованою гемовою групою. Кожна гемова група містить один атом заліза, який може прив'язати одну молекулу кисню за допомогою дипольних сил, спричинених іонами. Найбільш поширений тип гемоглобіну у ссавців містить 4 таких субодиниці.
Генетика Гемоглобін складається з білкових субодиниць (молекул глобінів) і ці білки у свою чергу є складеними ланцюжками з великої кількості різноманітних амінокислот, тому їх називають поліпептиди. Амінокислотна послідовність будь-якого поліпептиду, створеного клітиною, у свою чергу визначається ділянками ДНК, які називаються генами. У всіх білках саме амінокислотна послідовність визначає хімічні властивості та функцію білка.
Генів гемоглобіну існує декілька: у людей гемоглобін A (основна форма гемоглобіну в дорослих) кодується генами HBA1, HBA2 та HBB. Субодиниці гемоглобіну альфа-1 і альфа-2 кодуються генами HBA1 і HBA2 відповідно, які обидва розташовані на хромосомі 16 близько один до одного. Субодиниця гемоглобіну бета кодується геном HBB, розташованим на хромосомі 11. Амінокислотні послідовності білків глобіну в гемоглобінах зазвичай різняться між видами. Ці відмінності зростають з еволюційною відстанню між видами. Наприклад, найпоширеніші послідовності гемоглобіну у людей, бонобо і шимпанзе повністю ідентичні, навіть без жодної відмінної амінокислоти в ланцюгах білка альфа або бета глобіну. У той час як гемоглобін людини і горили відрізняються однією амінокислотою як в альфа-, так і в бета-ланцюгах, ці відмінності збільшуються між менш спорідненими видами.
Навіть усередині виду існують різні варіанти гемоглобіну, хоча одна послідовність зазвичай є «найбільш поширеною» в кожному виді. мутації в генах білка гемоглобіну призводять до появи варіантів гемоглобіну всередині видівHemoglobin Variants . Labtestsonline.org. Retrieved 2013-09-05.. Більшість із цих мутантних форм гемоглобіну не викликають захворювань. Однак, деякі з них викликають групу спадкових захворювань гемоглобінопатію. Найбільш відомою гемоглобінопатією є серпоподібноклітинна анемія, яка стала першою людською хворобою, чий механізм було досліджено і зрозуміло на молекулярному рівні. Більшість видів таласемії виникають через недостатнью кількість виробленого нормального, а іноді й анормального, гемоглобіну, через проблеми або мутації в регуляції експресії генів глобінів. Усі ці захворювання призводять до анемії.
Варіації в послідовностях амінокислот гемоглобіну, як і інших білків, можуть бути викликаними адаптаціями організму. Наприклад, було виявлено, що гемоглобін по-різному адаптується до великих висот. Організми, що живуть на великих висотах, відчувають нижчий парціальний тиск кисню в порівнянні з організмами що живуть на рівні моря. Це є проблемою для організмів, які населяють таке середовище, оскільки гемоглобін, який зазвичай зв'язується з киснем при високому парціальному тиску, повинен бути здатним зв'язуватися з киснем при нижчому. Різні організми пристосувалися до цього виклику. Наприклад, нещодавні дослідження показали генетичні відмінності в білоногих хом'ячків, які допомагають пояснити, як вони, живучи в горах, здатні виживати в тамтешньому розрідженому повітрі. Дослідник із Університету Небраски-Лінкольна знайшов мутації в 4 різних генах, що може пояснити відмінності між білоногими хом'ячками, які живуть у низинних преріях, тими, які живуть у горах. Після дослідження диких мишей, виловлених як у високогірних, так і в низинних районах, було виявлено, що гени двох груп «практично ідентичні — за винятком тих, які визначають здатність їхнього гемоглобіну переносити кисень». «Генетична різниця дозволяє високогірним мишам більш ефективно використовувати свій кисень», оскільки його менше доступно на більших висотах, наприклад у горахReed, Leslie. «Adaptation found in mouse genes.» Omaha World-Herald, 11 Aug. 2009: EBSCO. . Гемоглобін мамонтів мав мутації, які забезпечували доставку кисню за низьких температур, що дозволяло їм мігрувати до вищих широт у плейстоценовій епосі. Схожі мутації також було виявлено у колібрі, які населяють Анди. Колібрі витрачають багато енергії і, отже, мають високу потребу в кисні, але було виявлено, що колібрі в Андах поширені на великих висотах. Несинонімічні мутації в гені гемоглобіну багатьох видів, що живуть на значних висотах (Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas і A. viridicuada) призвели до того, що білок має меншу спорідненість із інозитолгексафосфатом (IHP), молекулою, знайденою у птахів, яка виконує подібну роль, як 2,3-BPG у людей; це призводить до здатності зв'язуватися з киснем при нижчих парціальних тисках.
Пташині унікальні кровоносні легені також підвищують ефективність використання кисню при низьких парціальних тисках O2. Ці дві адаптації підсилюють одна одну і пояснюють чудову продуктивність птахів на великій висоті.
Адаптації в гемоглобіні наявні й у людей. У тибетських жінок, які живуть на висоті 4000 м над рівнем моря, із генотипом, який підвищує сатурацію, спостерігається вищий рівень виживання потомства. Природний відбір, здається, є основною силою, що діє на цей ген, оскільки рівень смертності нащадків значно нижчий у жінок із вищою спорідненістю гемоглобіну та кисню в порівнянні з рівнем смертності потомства в жінок із низькою такою спорідненістю. Хоча точний генотип і механізм, за допомогою якого це відбувається, ще не ясні, відбір впливає на здатність гемоглобіну цих жінок зв'язуватися з киснем при низькому парціальному тиску, що в цілому дозволяє їм краще підтримувати важливі метаболічні процеси.
Синтез Синтезу гемоглобіну (Hb) передує складна серія кроків. Гемова частина синтезується в мітохондріях і цитозолях незрілих еритроцитів, тоді як білові частини глобіни синтезуються рибосомами в цитозолі. Вироблення гемоглобіну продовжується у клітині протягом усього її раннього розвитку від проеритробласту до ретикулоцита в кістковому мозку. У цей момент у ссавців клітинне ядро еритроцитів втрачається, але не у птахів і багатьох інших видів. Навіть після втрати ядра у ссавців, залишкова рибосомна РНК дозволяє подальший синтез гемоглобіну, допоки ретикулоцит не втратить свої РНК незадовго після потрапляння до судин (ця гемоглобін-синтетична РНК насправді надає ретикулоциту його сітчастий вигляд і, відповідно, назву, яка походить від — сітчастий).
Структура гему
Гемоглобін має четвертинну структуру, характерну для багатьох глобулярних білків, що містять багато субодиниць. Більшість амінокислот у складі гемоглобіну утворюють альфа-спіралі і ці спіралі з'єднані короткими неспіральними сегментами. Водневі зв'язки стабілізують спіральні ділянки всередині цього білка, викликаючи тяжіння всередині молекули, що потім змушує кожен поліпептидний ланцюг згортатися в певну форму«Hemoglobin Tutorial.» University of Massachusetts Amherst. Web. 23 Oct. 2009.. Четвертинна структура гемоглобіну походить від його чотирьох субодиниць, які мають приблизно тетраедричну структуру.
У більшості хребетних молекула гемоглобіну складається із чотирьох субодиниць — глобулярних білків. Кожна субодиниця складається з білкового ланцюга, тісно з'єднаного з небілковою простетичною гемовою групою. Кожен білковий ланцюг складається з множини альфа-спіральних структурних сегментів, з'єднаних разом у глобін. Таку назву було дано тому, що така організація має той самий принцип згортання, як і в інших білків гем/глобін, таких як міоглобін. У результаті такого згортання утворюється кишеня, до якої міцно прив'язується гемова група.