Мышечный гемоглобин? Что это такое? До сих пор многие слышали только о том железосодержащем белке, который находится в эритроцитах, доставляет кислород в органы и ткани, забирает углекислый газ и называется гемоглобином крови.

Миоглобин чаще связывают с дыханием морских млекопитающих, которые способны подолгу пребывать под водой и каким-то образом обеспечивать нормальную жизнедеятельность своего организма. Оказывается, такие способности имеют прямое отношение к присутствующему у этих животных в большом количестве белку – миоглобину. Есть этот белок и в человеческом организме, при необходимости (большая потребность мышц в О 2) он может связывать до 14% полученного через легочное дыхание кислорода.

Миоглобин – краткосрочное депо кислорода

Миоглобин – это содержащий двухвалентное железо белок, и, хотя его гем, в принципе, идентичен гему , белковая часть (глобин) имеет существенные отличия (полипептидная цепь). Это понятно – он немного по-другому работает: не носится по организму с током крови, а запасает кислород, образуя оксимиоглобин, и насыщает им мышечные ткани, тем самым обеспечивая тканевое (внутреннее) дыхание.

Какое количество кислорода потребует ткань – зависит от того, в каком функциональном состоянии находятся ее клетки. Когда человек пребывает в спокойном состоянии, то кислород, поступающий в организм во время внешнего дыхания, начнет интенсивно поглощаться сердечной мышцей, серым веществом головного мозга, печеночной паренхимой, корковым веществом почек. И только одна ткань способна отложить кислород про запас – мышечная, поскольку только она обладает специальной депонирующим гемопротеином, называемым миоглобином.

Еще о норме

Для определения миоглобина в организме подходят такие биологические жидкости, как сыворотка, плазма крови и моча. Эти материалы должны быть свежеполученными или хранившимися при низкой температуре (-25°С) не более 2 лет.

Нельзя производить забор анализа после еды (от приема пищи до исследования должно пройти не менее 8 часов), пациенту запрещают разного рода напитки (чай, кофе, сок), разрешают пить только чистую воду. За час до взятия биологического материала больному настоятельно рекомендуют не курить, а за полчаса – исключить всякую физическую и эмоциональную активность (данный анализ «любит» спокойное состояние). Кроме этого, не желательно сдавать кровь сразу после рентгенографического обследования, УЗ-диагностики, а тем более, после лечебных процедур типа электроимпульсной терапии.

Показатели нормы могут увеличиваться в зависимости от использования различных лабораторных методов:

1. Иммунонефелометрического теста;
2. Радиоиммунологического анализа (РИА);
3. Иммунофлюоресцентного исследования.

Однако, даже не глядя на разную чувствительность тестов, количество миоглобина обычно не превышает значения от 65 до 80 мкг/л, а норма (еще раз напомним) составляет:

• Для мужчин – 19 – 92 мкг/л (среднее – 49 ± 17 мкг/л);
• Для женщин – 12 – 76 мкг/л (среднее – 35 ± 14 мкг/л);
• В моче концентрация миоглобина – менее 20 мкг/л, как правило, у здорового человека любого пола он вообще не определяется.

Тест, определяющий уровень «гемоглобина мышц» назначают при подозрении на поражение кардиомиоцитов и/или клеток скелетных мышц.

Как он работает?

При значительных физических нагрузках, например, в период напряженных спортивных тренировок или участия в ответственных соревнованиях, кислород покидает мышечный гемоглобин и направляется в митохондрии клеток, чтобы принять участие в выработке универсального источника энергии – аденозинтрифосфата (АТФ), в котором в такие моменты организм нуждается особенно.

Миоглобин обладает уникальными способностями: он связывает гемоглобин обратимо, создавая своеобразный буфер, 1 его грамм может присоединить до 1,34 мл О 2 и отложить до будущих, но очень коротких, времен. Если вдруг по каким-либо причинам сердечная мышца лишается поступления кислорода, то это количество миоглобина сумеет обеспечить дыхательный процесс до 4 секунд. В такие моменты (нарушение кровообращения в миокарде или систола) в мышце сердца связанный с кислородом гемопротеин не допустит прекращения окислительно-восстановительных реакций в местах сниженного кровотока и создаст условия для обеспечения полноценного хода этих процессов. Правда, помочь миоглобин может только в течение короткого срока, поскольку является кратковременным депо.

Повреждение кардиомиоцитов (клеток миокарда) или миоцитов скелетных мышц влечет выход больших количеств «мышечного гемоглобина» в кровеносное русло.

Инфаркт миокарда является показательным примером зависимости уровня миоглобина в крови от объема очага поражения (чем больше очаг, тем выше содержание тканевого хромопротеина – миоглобина). Определение миоглобина через пару часов после появления болевых ощущений важно, поскольку здесь повышение уровня этого белка дает основание судить не только о наличии , но и степени поражения сердечной мышцы. Следующим биохимическим анализом, указывающим на инфаркт миокарда, будет определение , а, в частности – ее изоферментного спектра (МВ-фракция).

Повышенные и пониженные концентрации «гемоглобина мышц»

Физиологически повышенный уровень миоглобина в крови наблюдается при интенсивной физической нагрузке, значительном напряжении мышечного аппарата при спортивных тренировках и состязаниях и после проведения электроимпульсной терапии.

Патологическое повышение отмечается при некоторых заболеваниях:

1. Инфаркте миокарда (увеличение содержания данного гемопротеина, как правило, предшествует возрастанию активности фермента креатинкиназы). Рост значений миоглобина носит преходящий характер, поскольку наблюдать его можно через полчаса – час вслед за наступлением болевого синдрома при ИМ (и еще в течение 2 – 3 суток после его возникновения);
2. Выраженной почечной недостаточности с уремическим синдромом;
3. Воспалительных процессах, протекающих непосредственно в мышцах;
4. Травмах (сюда можно отнести и инъекции лекарственных растворов в мышцу);
5. Глубоких термических и химических ожогах;
6. Судорогах.

Снижается уровень миоглобина в крови только при патологических состояниях, например, таких, как:

• РА (ревматоидный артрит);
• Полимиозит (системное воспалительное заболевание мышечной ткани);
• Миастения (повышение содержания «мышечного гемоглобина» связано с наличием в крови циркулирующих антител непосредственно к этому белку).

Как указывалось выше, в норме миоглобин в моче почти не встречается, хотя и существуют допустимые значения этого белка в данном биологическом материале. Его появление или превышение установленного показателя (20 мкг/л) обнаруживается в следующих случаях:

1. Повреждения сердечной (инфаркт миокарда) или скелетных мышц;
2. Вторичной токсической миоглобинурии;
3. Глубоких термических или химических ожогов;
4. Алкогольной интоксикации;
5. Отравления отдельными видами рыбы;
6. Значительного напряжения скелетных мышц, например, при занятиях спортом;
7. Краш-синдрома (травматический токсикоз, развивающийся в мышечных тканях) с большим распадом мышечной массы;
8. Поражений почек.

Следует отметить, что содержание миоглобина в последней биологической жидкости (моче) целиком зависит от функции почек, что следует учитывать при назначении и определении данного белка.

Видео: познавательная информация о миоглобине

3.2.1. Среди хромопротеинов различают гемопротеины (содержат в качестве простетической группы порфириновые производные) и флавопротеины (содержат производные рибофлавина - витамина B 2). Хромопротеины участвуют в осуществлении многих жизненно важных функций, таких как тканевое дыхание, перенос кислорода, окислительно-восстановительные реакции, светоощущение, фотосинтез в растительных клетках и другие процессы.

3.2.2. К гемопротеинам относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидаза, каталаза. Эти белки содержат в качестве простетической группой гем .

По своему химическому строению гем представляет собой протопорфирин IX , связанный с двухвалентным железом. Протопорфирин IX - органическое соединение, относящееся к классу порфиринов. Протопорфирин IX содержит четыре замещённых пиррольных кольца, соединённых метиновыми мостиками =СН- . Заместителями в пиррольных кольцах являются: четыре метильные группы СН 3 - , две винильные группы СН 2 =СН- и два остатка пропионовой кислоты - СН 2 -СН 2 -СООН . Гем соединяется с белковой частью следующим образом. Неполярные группы. протопорфирина IX взаимодействуют с гидрофобными участками аминокислот при помощи гидрофобных связей. Кроме того, имеется координационная связь между атомом железа и имидазольным радикалом гистидина в белковой цепи. Ещё одна координационная связь атома железа может использоваться для связывания кислорода и других лигандов.

Присутствие в биологическом материале гемсодержащих белков обнаруживается при помощи бензидиновой пробы (при добавлении бензидина и пероксида водорода исследуемый раствор окрашивается в сине-зелёный цвет).

3.2.3. Сравните структуру и функцию миоглобина и гемоглобина, запомните характерные особенности каждого из этих белков.

Миоглобин - хромопротеин, присутствующий в мышечной ткани и обладающий большим сродством к кислороду. Молекулярная масса этого белка около 16000 Да, Молекула миоглобина имеет третичную структуру и представляет собой одну полипептидную цепь, соединённую с гемом. Миоглобин не обладает аллостерическими свойствами (см. 2.4.), кривая насыщения его кислородом имеет вид гиперболы (рисунок 4). Функция миоглобина заключается в создании в мышцах кислородного резерва, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку кислорода.

Гемоглобин (Hb) - хромопротеин, присутствующий в эритроцитах и участвующий в транспорте кислорода к тканям. Гемоглобин взрослых людей называется гемоглобином А (Hb A). Молекулярная масса его составляет около 65000 Да. Молекула Hb А имеет четвертичную структуру и включает четыре субъединицы - полипептидные цепи (обозначаемые α 1 , α 2 , β 1 и β 2 , каждая из которых связана с гемом.

Запомните, что гемоглобин относится к аллостерическим белкам, его молекулы могут обратимо переходить из одной конформации в другую. При этом изменяется сродство белка к лигандам. Конформация, обладающая наименьшим сродством к лиганду, называется напряжённой, или Т-конформацией. Конформация, обладающая наибольшим сродством к лиганду, называется релаксированной, или R-конформацией.

R- и Т-конформации молекулы гемоглобина находятся в состоянии динамического равновесия:

Различные факторы среды могут сдвигать это равновесие в ту или иную сторону. Аллостерическими регуляторами, влияющими на сродство Hb к O 2 , являются: 1) кислород; 2) концентрация Н + (рН среды); 3) углекислота (СO 2) ; 4) 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) . Присоединение молекулы кислорода к одной из субъединиц гемоглобина способствует переходу напряжённой конформации в релаксированную и повышает сродство к кислороду других субъединиц той же молекулы гемоглобина. Это явление получило название кооперативного эффекта. Сложный характер связывания гемоглобина с кислородом отражает кривая насыщения гемоглобина O 2 , имеющая S-образную форму (рисунок 3.1).

Повышение содержания СO 2 , Н + , ДФГ на фоне низкого парциального давления O 2 в тканях способствует взаимодействию этих факторов с гемоглобином и переходу R-конформации в Т-конформацию. Это приводит к смещению равновесия в уравнении (1) вправо. Выделившийся O 2 поступает в ткани.

Рисунок 4. Кривые насыщения миоглобина (1) и гемоглобина (2) кислородом.

Миоглобин содержится в красных мышцах и участвует в запасании кислорода. В условиях кислородного голодания (например, при сильной физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТР (окислительное фосфорилирование; см. гл. 13).

Первичная структура и распределение аминокислот

Миоглобин состоит из единичной полипептидной цепи с мол. массой 17000; никаких особенностей в характере составляющих его 153 аминокислотных остатков не обнаруживается. При анализе же их пространственного распределения четко выявляется одна особенность: на поверхности молекулы находятся полярные остатки, а внутри структуры - неполярные; это свойство характерно для глобулярных белков. Остатки, содержащие одновременно и полярные, и неполярные группы (например, Thr, Тrр, расположены так, что неполярные группы ориентируются внутрь глобулы. Если не считать двух остатков гистидина, принимающих участие в связывании кислорода, то внутренние области миоглобина содержат только неполярные остатки (например, Leu, Val, Phe, Met).

Вторичная и третичная структура миоглобина

Как показывает рентгеноструктурный анализ, миоглобин представляет собой компактную, примерно сферическую молекулу размером 4,5 х 3,5 х 2,5 нм (рис. 6.3). Примерно 75% остатков образуют восемь правых а-спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Начиная с N-конца, спирали обозначают буквами от А до Н. Участки, соединяющие спирали, обозначают двумя буквами, указывающими соответствующие спирали. Индивидуальным остаткам присваивают букву, указывающую спираль, в которой они находятся, и порядковый номер, отсчитываемый от -конца спирали. Например, восьмой остаток в спирали F, им является гистидин. Остатки, далеко отстоящие друг от друга вдоль цепи (например, принадлежащие разным спиралям), могут быть пространственно сближены; например, довольно близко находятся остатки гистидина (проксимальный) и (дистальный) (рис. 6.3).

Ряд данных свидетельствует о том, что в растворе вторичная и третичная структуры миоглобина

Рис. 6.3. Модель молекулы миоглобина. Контуры - это очертания, наблюдаемые при низком разрешении. Изображены в основном только атомы а-углерода и гем. (Из статьи Dickerson R. Е. In: The Proteins, 2nd ed., Vol. 2. Neurath H. (editor). Academic Press, 1964, с любезного разрешения.)

близки к структуре кристаллического миоглобина. В обоих случаях наблюдаются практически идентичные спектры поглощения; кристаллический миоглобин связывает кислород; содержание а-спиралей в растворе, оцениваемое по дисперсии оптического вращения и круговому дихроизму, сходно с данными, полученными методом рентгеноструктурного анализа.

Влияние гема на конформацию миоглобина

При понижении pH до 3,5 образуется апомиоглобин (миоглобин, не содержащий гема), и содержание а-спиралей резко падает, а последующее добавление мочевины к апомиоглобину при нейтральном pH приводит к почти полному их исчезновению. Последующее удаление мочевины диализом и добавление гема полностью восстанавливает число а-спиралей, а добавление приводит к полному восстановлению биологической (кислородсвязываю-щей) активности. Таким образом, информация, содержащаяся в первичной структуре апомиоглобина, в присутствии гема однозначно детерминирует свертывание молекулы белка с образованием нативной, биологически активной конформации. Это важное положение распространяется и на другие белки: первичная структура белка определяет его вторичную и третичную структуру.

Пространственная ориентация атома железа, проксимального и дистального остатков гистидина в молекуле миоглобина

Гем в молекуле миоглобина расположен в щели между спиралями Е и F; его полярные пропионатные группы ориентированы к поверхности глобулы, а остальная часть находится внутри структуры и окружена неполярными остатками, за исключением Пятое координационное положение атома железа занято атомом азота гетероциклического кольца проксимального гистидина Дистальный гистидин расположен по другую сторону гемового кольца, почти напротив но шестое координационное положение атома железа остается свободным (рис. 6.4).

Расположение атома железа

В неоксигенированном миоглобине атом железа на 0,03 нм выступает из плоскости кольца в направлении . В оксигенированном миоглобине атом кислорода занимает шестое координационное положение атома железа, а сам атом железа выступает из плоскости гема только на 0,01 нм. Таким образом, оксигенирование миоглобина сопровождается смещением атома железа и, следовательно, и ковалентно связанных с ним остатков в направлении плоскости кольца; в результате эта область белковой глобулы принимает новую конформацию.

Рис. 6.4. Положение молекулы кислорода в теме после ок-сигснирования. Изображены также имидазольные кольца двух важных остатков гистидина в глобиновой цепи, которые располагаются рядом с атомом железа. (Из работы Harper Н. A. et al., Physioldgische Chemie. Springer-Vcrlag, 1975, с любезного разрешения.)

Лиганды

Связь, образующаяся между атомом кислорода и атомом при оксигенировании миоглобина направлена перпендикулярно плоскости кольца гема. Второй атом кислорода удален от дистального гистидина, и связь между атомами кислорода образует относительно плоскости гема угол 121° (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Предпочтительные ориентации молекул кислорода и окиси углерода, связанных с атомом железа изолированного гема (темные полоски).

Окись углерода (СО) связывается с изолированным гемом примерно в 25 000 раз более прочно, чем кислород. Поскольку атмосферный воздух содержит следы СО и еще небольшое количество СО образуется в ходе нормального. катаболизма гема, возникает вопрос: почему же шестое координационное положение железа в миоглобине занято не СО, а молекулой 02? Связано это со стерическими ограничениями, возникающими в миоглобине. Молекула СО, связываясь с гемом, стремится принять такую ориентацию, при которой все три атома (Fe, находятся вдоль линии, перпендикулярной плоскости кольца гема (рис. 6.6). Для изолированного гема такая ориентация вполне возможна, но в миоглобине связыванию СО в такой ориентации стерически препятствует дистальный гистидин (рис. 6.6). Поэтому СО связывается в менее благоприятной конфигурации, что понижает прочность связи СО с гемом более чем на два порядка, так что она становится всего лишь в 200 раз прочнее, чем связь гем-02. Тем не менее небольшая часть молекул миоглобина (около 1%) в нормальных условиях связывает СО.

Кинетика оксигеиирования миоглобина

Почему миоглобин неспособен транспортировать кислород, но зато эффективно его запасает? Количество кислорода, связывающегося с миоглобином («процент насыщения»), зависит от концентрации кислорода в среде, непосредственно окружающей молекулу белка (эту концентрацию выражают как PQ - парциальное давление кислорода). Зависимость между количеством связанного кислорода и PQ можно представить графически в виде кривой насыщения миоглобина кислородом (кривой диссоциации кислорода). Для миоглобина изотерма адсорбции кислорода имеет форму гиперболы (рис. 6.7) в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом.

Рис. 6.6. Ориентация молекул кислорода и окиси углерода, связанных с атомом железа гема в составе миоглобина. Дистальный гистидин препятствует связыванию СО в предпочтительной для этой молекулы ориентации - под углом 90° к плоскости гемового кольца.

Рис. 6.7. Кривая насыщения миоглобина кислородом.

В венозной крови PQ равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце-около 20 мм рт. ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительной, и поэтому миоглобин не может служить средством его доставки от легких к периферическим тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, PQ в мышечной ткани может понизиться и до 5 мм рт. ст.; при столь низком давлении миоглобин легко отдает связанный кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТР в митохондриях мышечных клеток.

Белки являются органическими веществами, полимерами, мономерами которых являются аминокислоты. Различные комбинации аминокислот образуют молекулы белков-полимеров. Они представляют собой длинную цепь, структурным звеном которой является повторяющаяся группа атомов в молекуле полимера. Чем больше молекула, тем прочнее полимер.

Миоглобин – это специфический белок, который находится в мышечной ткани (в клетках поперечно-полосатых мышц, в т. ч. в миокарде). Он входит в группу хромопротеинов. Миоглобин содержит гем (простетическая группа), связанный с белковой частью. Фрагмент молекулы белка содержит аминокислоты. Миоглобин является мономером, состоящим из одной цепи. В настоящее время известны следующие его структуры:

• первичная структура — молекула мономера состоит из одной полипептидной цепи, построенной из аминокислотных остатков;
• вторичная структура — почти 75% цепи имеет а-спиральную конформацию;
• третичная структура — а-спираль свернута в компактную глобулу.

Впервые вторичная и третичная структуры миоглобина были определены в 1959 г. учеными Дж. Кендрью и М. Перутц. Для определения третичной структуры белка применялся метод рентгеновского анализа.