Гем: строение и биологическая роль¶

Гем — это комплексное соединение, состоящее из органической порфириновой структуры (протопорфирина IX) и центрального атома двухвалентного или трёхвалентного железа. Гем является простетической группой многих белков — гемопротеинов, которые участвуют в связывании газов, переносе электронов и катализе окислительно-восстановительных реакций. Наиболее известным гемсодержащим белком является гемоглобин, обеспечивающий транспорт кислорода в крови позвоночных.

¶Химическое строение

В основе гема лежит порфириновое кольцо — макроцикл из четырёх пиррольных колец, соединённых метиновыми мостиками. У протопорфирина IX к кольцам присоединены различные заместители: метильные, винильные и пропионатные группы. В центре макроцикла расположен атом железа, который координирован четырьмя атомами азота пиррольных колец.

Ключевая особенность строения — две возможные степени окисления железа:

• Fe(II), или гем b (феррогем) — восстановленная форма, способная обратимо связывать молекулярный кислород;
• Fe(III), или гемин (ферригем) — окисленная форма, которая кислород не связывает.

Именно состояние железа определяет функциональные свойства белка. В гемоглобине и миоглобине железо находится в форме Fe(II); окисление до Fe(III) приводит к образованию метгемоглобина, неспособного переносить кислород.

¶Типы гемов

Различают несколько типов гема в зависимости от заместителей и способа ковалентного связывания с белком:

¶Биологическая роль

Гем выполняет несколько фундаментальных функций в живых организмах.

¶Транспорт и хранение кислорода

В составе гемоглобина гем связывает кислород в лёгких и отдаёт его тканям. Миоглобин запасает кислород в мышцах. Связывание O₂ происходит обратимо и зависит от парциального давления кислорода, pH и концентрации углекислого газа.

¶Перенос электронов

Цитохромы — белки дыхательной цепи митохондрий — содержат гем и переносят электроны за счёт обратимого изменения степени окисления железа. Это лежит в основе окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ.

¶Катализ окислительных реакций

Гемовые ферменты каталаза и пероксидаза разлагают пероксид водорода и другие активные формы кислорода, защищая клетки от окислительного стресса. Цитохром P450 участвует в метаболизме ксенобиотиков и синтезе стероидов.

¶Другие функции

Гем участвует в работе ферментов синтеза оксида азота (NO-синтазы), в регуляции экспрессии генов и внутриклеточной сигнализации. У некоторых бактерий гемовые сенсоры воспринимают концентрацию кислорода.

¶Синтез и распад

Синтез гема происходит в митохондриях и цитозоле клеток, наиболее активно — в эритробластах костного мозга и гепатоцитах. Ключевой фермент — феррохелатаза, встраивающая железо в протопорфирин IX.

При распаде гемоглобина гем превращается в биливердин, затем в билирубин, который выводится с желчью. Нарушения синтеза или распада гема приводят к порфириям и желтухе.

¶Клиническое значение

Дефицит железа нарушает образование гема и вызывает железодефицитную анемию. Наследственные дефекты ферментов синтеза гема лежат в основе порфирий — группы редких заболеваний. Отравление угарным газом блокирует связывание кислорода с гемом, так как CO образует прочную связь с Fe(II).