Гемоглобин представляет собой тетрамерный белок, состоящий из двух α- и двух β-глобиновых субъединиц, каждая из которых содержит гем — железосодержащий порфириновый кофактор. Молекулярная масса гемоглобина человека составляет примерно 64–68 кДа. Каждая субъединица способна связывать одну молекулу кислорода, что обеспечивает перенос до четырёх молекул O₂ на одну молекулу гемоглобина.
Гем состоит из порфиринового кольца, связанного с атомом железа в состоянии Fe²⁺. Железо в гемовой группе обеспечивает обратимое связывание кислорода. Окси- и дезоксиформы гемоглобина отличаются конформацией субъединиц, что лежит в основе его кооперативного поведения.
Связывание кислорода гемоглобином подчиняется модели кооперативного взаимодействия, известной как модель МОНОДА-ЖАКОБСОНА и модель Т-Р перехода. Дезоксигемоглобин находится в тетрамере Т-конформации (тензионной), обладающей низким сродством к O₂. При связывании первой молекулы кислорода происходит переход части субъединиц в R-конформацию (релаксационную), увеличивая сродство последующих сайтов к кислороду. Этот механизм обеспечивает сигмоидную форму кривой диссоциации кислорода по насыщению гемоглобина.
Кооперативность гемоглобина регулируется также аллостерическими эффектами:
Обратимое связывание кислорода происходит через образование координационной связи между атомом Fe²⁺ гема и молекулой O₂. В дезоксигемоглобине атом железа слегка выступает из плоскости порфиринового кольца, при связывании кислорода он смещается внутрь плоскости, вызывая конформационное изменение глобина. Это смещение передается на интерфейсы субъединиц, облегчая переход других гемовых групп в R-конформацию.
Кислородный обмен гемоглобина характеризуется кривой диссоциации, где насыщение белка кислородом зависит от парциального давления O₂. В лёгких, где pO₂ высоко (~100 мм рт. ст.), гемоглобин насыщается почти полностью. В тканях с низким pO₂ (~40 мм рт. ст.) происходит эффективное высвобождение кислорода, обеспечивая поддержание тканевого дыхания.
Гемоглобин способен переносить около 20–30% CO₂ в форме карбамино-соединений, образованных взаимодействием CO₂ с аминогруппами глобина. Образование карбаматов стабилизирует Т-конформацию, способствуя высвобождению кислорода в тканях. Кроме того, гемоглобин действует как внутриклеточный буфер, связывая протоны, высвобождаемые при метаболизме, что поддерживает кислотно-щелочной баланс крови.
Функция гемоглобина зависит от посттрансляционных модификаций и аллостерических эффекторов. Ацетилирование, нитрозилирование и взаимодействие с малым молекулярным метаболитом, таким как 2,3-БФГ, способны изменять сродство к кислороду. Гемоглобин фетальный (HbF) отличается повышенным сродством к кислороду по сравнению с взрослым HbA из-за меньшего взаимодействия с 2,3-БФГ, что обеспечивает эффективный транспорт кислорода через плаценту.
Мутации в генах α- и β-глобина приводят к гемоглобинопатиям, включая серповидно-клеточную анемию и талассемии. Серповидная форма гемоглобина (HbS) содержит замену глутаминовой кислоты на валин в β-субъединице, что вызывает полимеризацию дезоксигемоглобина и деформацию эритроцитов, снижая транспорт кислорода. Талассемии характеризуются нарушением синтеза одной из цепей глобина, приводя к избыточному образованию свободных цепей и гемолизу.
Некоторые препараты могут модулировать функцию гемоглобина. Например, гидроксимочевина повышает продукцию HbF у пациентов с серповидно-клеточной анемией, снижая проявления болезни. Препараты, изменяющие сродство гемоглобина к кислороду, используются в экспериментальных терапиях для улучшения тканевой оксигенации.
Разработка искусственных переносчиков кислорода и модифицированных гемоглобинов основана на понимании структуры и кооперативных свойств белка. Химическая модификация или рекомбинантное проектирование субединиц позволяет создавать белки с увеличенной стабильностью, изменённым сродством к кислороду и возможностью работы в условиях низкой концентрации O₂, что имеет значение для экстренной медицины и трансплантологии.