Гемоглобин представляет собой белково-пигментный комплекс, состоящий из глобиновой части и гемового соединения. Глобиновая часть состоит из четырёх полипептидных цепей (обычно две α- и две β-цепи), каждая из которых образует пространственную конформацию, способствующую специфическому связыванию гемового комплекса. Гем — это порфириновое кольцо с атомом железа в центре, который способен обратимо связывать молекулу кислорода.
Химическая природа железа позволяет ему переходить между двумя окислительными состояниями: Fe²⁺ и Fe³⁺. В функциональном гемоглобине железо находится в форме Fe²⁺, что обеспечивает высокую способность к обратимому присоединению кислорода. Окисление железа до Fe³⁺ приводит к образованию метгемоглобина, неспособного переносить кислород.
Связывание кислорода с гемоглобином происходит по механизму кооперативности. Первая молекула O₂, присоединяясь к одному из гемов, индуцирует конформационные изменения в глобиновой структуре, увеличивая аффинность оставшихся гемов к кислороду. Это проявляется сигмоидной кривой диссоциации кислорода, характеризующейся постепенным увеличением насыщения при росте парциального давления O₂.
Кооперативное связывание обеспечивает эффективное насыщение кислородом в лёгких и оптимальное его высвобождение в тканях с низким парциальным давлением. Механизм регулируется также факторами аллостерического взаимодействия: концентрацией CO₂, pH (эффект Бора) и уровнем 2,3-бисфосфоглицерата (2,3-БФГ) в эритроцитах.
Гемоглобин демонстрирует способность к аллостерической регуляции: связывание лигандов на одном участке белка изменяет конформацию остальных участков, модулируя их функциональную активность. Влияние pH и CO₂ выражается в снижении аффинности гемоглобина к кислороду при повышении концентрации H⁺ и CO₂. Это обеспечивает выброс кислорода именно в тканях с активным метаболизмом, где растёт концентрация этих продуктов.
2,3-Бисфосфоглицерат связывается с центральным карманом тетрамера гемоглобина, стабилизируя деокси-форму и снижая аффинность к O₂. В условиях гипоксии концентрация 2,3-БФГ увеличивается, что способствует более эффективной доставке кислорода к тканям.
Существуют различные изоформы гемоглобина, отличающиеся по аминокислотному составу глобиновых цепей. Основной взрослый гемоглобин (HbA) состоит из α₂β₂, а фетальный гемоглобин (HbF, α₂γ₂) имеет более высокую аффинность к кислороду, что обеспечивает эффективный перенос кислорода от матери к плоду. Гемоглобин A₂ (α₂δ₂) присутствует в малых количествах и имеет незначительное физиологическое значение.
Изменения аминокислотного состава глобиновых цепей могут приводить к наследственным заболеваниям, например серповидно-клеточной анемии (мутация в β-цепи, замена глутаминовой кислоты на валин), что нарушает нормальную конформацию тетрамера и снижает способность связывать кислород.
Метгемоглобин образуется при окислении Fe²⁺ до Fe³⁺ и не способен переносить кислород. В норме его содержание составляет около 1–2%, а фермент NADH-метгемоглобинредуктаза восстанавливает Fe³⁺ до функциональной формы. Карбоксигемоглобин образуется при связывании гемоглобина с CO, который имеет сродство к железу в 200–250 раз выше, чем O₂, что блокирует транспорт кислорода и ведёт к гипоксии.
Связывание кислорода с гемоглобином характеризуется высоко кооперативным процессом, описываемым уравнением Хилла. Константа диссоциации изменяется в зависимости от pH, CO₂ и концентрации 2,3-БФГ. Температура также оказывает влияние: при её повышении аффинность к кислороду снижается, способствуя высвобождению кислорода в тканях, где метаболическая активность выше.
Гемоглобин выполняет ключевую роль не только в транспорте кислорода, но и в переносе CO₂, где около 20–25% связывается с аминогруппами глобина, образуя карбаминогемоглобин. Нарушения в структуре или концентрации гемоглобина приводят к разнообразным патологическим состояниям: анемиям, гипоксическим синдромам, метгемоглобинемии. Биохимические методы диагностики включают спектрофотометрическое определение различных форм гемоглобина, анализ кооперативности и исследование влияния аллостерических эффекторов.