Транспорт кислорода (O₂) и углекислого газа (CO₂) гемоглобином — это не просто пассивное связывание, а сложный, кооперативный и аллостерически регулируемый процесс.

Hb взрослого человека (HbA) состоит из четырех субъединиц (2α и 2β), каждая из которых содержит гемовый центр с атомом железа в состоянии Fe²⁺ (ферроформа). Гем расположен в гидрофобном кармане глобина. Fe²⁺ координирован четырьмя атомами азота пиррольных колец гема и атомом азота гистидина F8 (проксимальный гистидин). Шестая координационная связь доступна для связывания O₂ или других лигандов.

Гемоглобин существует в равновесии между двумя основными структурными состояниями:

1. T-состояние (напряженное, Tense): Стабилизировано солевыми мостиками между субъединицами. Низкое сродство к O₂. Характерно для дезоксигемоглобина.

2.R-состояние (расслабленное, Relaxed): Солевые мостики разорваны. Высокое сродство к O₂. Характерно для оксигемоглобина.

Первая молекула O₂ связывается с одной из субъединиц в Т-состоянии с трудом (низкое сродство). Связывание O₂ вызывает смещение атома Fe²⁰ в плоскость порфиринового кольца. Это тянет за собой проксимальный гистидин и запускает конформационные изменения во всей субъединице. Эти изменения ослабляют взаимодействия на границе α₁β₁ и, особенно, α₁β₂, разрывая солевые мостики. Происходит переход всей молекулы в R-состояние. В R-состоянии оставшиеся три гемовых центра становятся доступными и имеют высокое сродство к O₂. Следующие молекулы O₂ связываются легче.

Аллостерические эффекторы транспорта O₂

Регуляторы, влияющие на сродство Hb к O₂, связываясь в участках, отличных от гема: протоны водорода, 2,3-БФГ, температура.

Транспорт углекислого газа (CO₂)

Гемоглобин транспортирует CO₂ тремя основными путями, два из которых биохимически связаны с самим белком:

1. В виде бикарбонат-иона (HCO₃⁻) (~70%):

   • Реакция в тканях (эритроциты): CO₂ + H₂O → (Карбоангидраза) → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻.

   • Роль гемоглобина (Hb): H⁺ связывается с гемоглобином (буферная функция, способствует образованию дезокси-Hb). HCO₃⁻ выходит в плазму в обмен на Cl⁻ (Хлоридный сдвиг).

   • В легках: Обратный процесс. Дезокси-Hb в легках оксигенируется, отдает H⁺, который соединяется с HCO₃⁻ → CO₂ → выдыхается.

2. В виде карбаминогемоглобина (Hb-NHCOO⁻) (~20%):

   • Реакция: CO₂ необратимо связывается с N-концевыми α-аминогруппами глобиновых цепей, образуя карбаматы.

   • Биохимическая особенность: Дезоксигемоглобин образует карбаматы в ~3 раза легче, чем оксигемоглобин. Поэтому в тканях (дезоксиформа) связывание CO₂ усиливается, а в легких (оксиформа) — CO₂ легко освобождается. Это часть Бор-эффекта.

3. Физически растворенный в плазме (~10%).

Патологические формы гемоглобина

• Метгемоглобин (MetHb): Fe²⁺ окислен до Fe³⁺. Не связывает O₂. Образуется под действием окислителей. Восстанавливается ферментной системой (НАДН-метгемоглобинредуктаза).

• Карбоксигемоглобин (HbCO): Fe²⁺ связывает CO. Сродство Hb к CO в ~250 раз выше, чем к O₂. Стабилизирует R-состояние, сдвигая кривую диссоциации влево (↑ сродство к O₂ у оставшихся центров, но они заблокированы), что нарушает отдачу O₂ в тканях.