Udział hemoglobiny w

transporcie tlenu i dwutlenku

węgla, zmiany konformacyjne

cząsteczki hemoglobiny

towarzysze jej utlenowaniu

Z definicji wysyceniem cząstkowym
nazywa się stosunek liczby miejsc
zawierających związany tlen do pełnej
liczby możliwych miejsc wiązania.

Może wahać się od 0 do 1.

Wiązanie tlenu przez hemoglobinę oraz mioglobinę

. Krzywa uzyskana dla

hemoglobiny w erytrocytach kształtem przypomina literę „S”, co wskazuje,

że w każdej cząsteczce hemoglobiny znajdują się różne, ale oddziałujące na

siebie miejsca wiązania tlenu.

Związanie tlenu w jednym miejscu
cząsteczki hemoglobiny zwiększa
prawdopodobieństwo, że tlen zwiąże
się w pozostałych miejscach, dotąd
niezwiązanych.
I na odwrót, uwolnienie tlenu z
jednego hemu ułatwia uwolnienie
pozostałych cząsteczek tlenu.
Takie zachowanie białek wiążących
określane jest jako

kooperatywne

.

Jakie jest fizjologiczne znaczenie

kooperatywnego wiązania tlenu

przez hemoglobinę?

Hb w płucach

(

zajętych

98%

miejsc wiążących

)O

2



Hb w tkankach

(32%

miejsc

)

66% potencjalnych miejsc wiążących tlen bierze udział w transporcie tlenu

Mb w plucach (zajętych 98% miejsc wiążących) O

2

 Mb w tkankach (91%

miejsc)

7% potencjalnych miejsc uczestniczyłoby w przenoszeniu tlenu

Białko niekooperatywne wykształcone na drodze ewolucji:
pO2=100 torów  pO2=20 torów

63-25=38%

efektywność transportu Hb> białka>Mb

Rys 7.9 str 188

-stan T

(tense) „naprężony” – struktura

czwartorzędowa nieutlenowanej formy Hb (silne
oddziaływania między jednostkami)

-stan R

(relaxed) „rozluźniony” – forma w pełni

utlenowana

Podczas utlenowania jeden z dimerów αβ
przemieszcza się względem drugiego o 15 stopni.

Związanie tlenu w jednym miejscu hemoglobiny
zwiększa powinowactwo wiązania tlenu w innych
miejscach, uruchamiając przejście tetrameru ze
stanu T do stanu B.

Dwa modele graniczne

Model jednoprzejściowy

– model MWC

-cały układ może istnieć tylko w dwóch
formach: stanie T i stanie R
-związanie ligandów tylko przesuwa
równowagę między tymi dwoma
stanami

Model sekwencyjny
-związanie liganda do jednego miejsca w
układzie zwiększa powinowactwo związania w
miejscach sąsiednich bez uruchamiania
pełnego przekształcania stanu T w stan R

Oba modele obrazują wyidealizowane
przypadki graniczne, do których rzeczywiste
systemy mogą się zbliżać, ale które rzadko
osiągają.

Zmiany strukturalne w grupach hemowych

są przekazywane do strefy kontaktu między

dimerami α

1

β

1

-α

2

β

2

-związanie tlenu sprawia , że każdy atom Fe w Hb
przemieszcza się z zewnątrz do wnętrza pierścienia
porfirynowego
-wraz z jonem żelaza przemieszcza się reszta histydyny
-reszta histydyny jest częścią helisy α, która również
się przesuwa
-koniec karboksylowy tej helisy znajduje się w rejonie
kontaktu między dwoma dimerami αβ – zmiana jego
pozycji sprzyja przejściu z T do R.

Zmiany strukturalne w otoczeniu jonu żelaza w jednej
podjednostce są przekazywane bezpośrednio do innych
podjednostek.

W erytrocytach 2,3-bisfosfoglicerynian jest

najważniejszym regulatorem

powinowactwa Hb do O

2

-występuje w erytrocytach w
stężeniu bliskim stężeniu Hb
-bez niego Hb uwalniałaby w
tkankach tylko 8% swojego
ładunku
-pojedyncza cząsteczka wiąże się
w centrum tetrameru Hb w
kieszeni obecnej tylko w formie T
-gdy Hb przechodzi z T  R
kieszeń zapada się i 2,3-BPG jest
uwalniany

Warunkiem przejścia formy T w R jest
zerwanie wiązań między Hb a 2,3-BPG.

W obecności 2,3-BPG więcej miejsc
wiązania tlenu w tetramerze Hb musi
być zajętych, by zainicjować przejście
formy T w R.

W ten sposób Hb pozostaje w stanie T o
mniejszym powinowactwie tak długo,
dopóki nie wzrośnie stężenie tlenu

2,3-BPG w żaden sposób nie
przypomina tlenu jest więc określany
mianem

efektora allosterycznego

.

Regulacja działania przez cząsteczkę
niespokrewnioną strukturalnie z tlenem
jest możliwa dlatego, że efektor
allosteryczny wiąże się do miejsca
całkowicie odrębnego od miejsca
wiązania tlenu.

Konsekwencje fizjologiczne
występowania 2,3-BPG w Hb płodowej

-zastąpienie resztą seryny His143 w łańcuchu β ,
uczestniczącej w tworzeniu miejsca wiązania 2,3-BPG

-zmiana ta eliminuje z miejsca wiązania 2,3-BPG dwa
ładunki dodatnie (po jednym z każdego łańcucha) i
zmniejsza powinowactwo Hb płodowej do 2,3-BPG

-zatem powinowactwo Hb płodowej do tlenu jest
większe niż Hb matki, co pozwala skutecznie
przenosić tlen z erytrocytów matki do erytrocytów
płodu

Efekt Bohra: protony i dwutlenek

węgla sprzyjają uwalnianiu tlenu

-CO

2

oraz H

+

są efektorami allosterycznymi Hb, które

wiążą się do miejsc w cząsteczce odrębnych od miejsc
wiązania tlenu

-powinowactwo Hb do tlenu zmniejsza się wraz z
obniżeniem pH poniżej 7,4 -np. transport z płuc, gdzie
pH wynosi 7,4, a ciśnienie cząstkowe tlenu – 100 torów,
do aktywnego mieśnia o pH 7,2 , i ciśnieniu
cząstkowym tlenu 20 torów, powoduje uwolnienie ilości
tlenu stanowiącej 77% całkowitej pojemności
przenośnikowej. Bez zmiany pH uwolnieniu uległoby
tylko 66% tlenu.

-w wywoływaniu pH biorą udział dwa zestawy grup
chemicznych: grupy α-aminowe z końca aminowego
łańcuchów α oraz reszty histydyny β146 i α122

-histydyna β146 jest resztą ulokowaną na końcu C łańcucha
β. W deoksyhemoglobinie wolna grupa karboksylowa His
146 tworzy wiązanie jonowe z resztą lizyny podjednostki α
wchodzącej w skład drugiego dimeru αβ. Oddziaływanie to
unieruchamia łańcuch boczny histydyny β146 w pozycji, w
której może on tworzyć wiązanie jonowe z ujemnie
naładowanym asparaginianem 94 w tym samym łańcuchu,
pod warunkiem, że grupa imidazolowa tej reszty histydyny
jest uprotonowana.

Inne reszty również tworzą wiązanie w formie T. Formowanie
tych wiązań jonowych stabilizuje stan T, zwiększając w ten
sposób skłonność hemoglobiny do uwalniania tlenu.

-CO

2

przenika przez błony komórkowe

erytrocytów do wnętrza komórek

2 mechanizmy stymulacji uwalniania tlenu
przez dwutlenek węgla:

1.przy wysokich stężeniach CO

2

dochodzi

do ↓ pH w erytrocytach
-CO

2

reaguje z wodą  H

2

CO

3

– reakcję

przyspiesza anhydraza węglanowa
-po utworzeniu dysocjuje na jon
wodorowęglanowy co prowadzi do ↓ pH
-stabilizuje on stan T Hb zgodnie z
mechanizmem omówionych wcześniej

2.Zakłada się stymulację uwalniania tlenu
przez bezpośrednie oddziaływania chemiczne
między CO

2

i Hb

W obecności dwutlenku węgla
w stężeniu odpowiadającym
ciśnieniu cząstkowemu rzędu
40 torów w pH 7,2,
ilość uwalnianego tlenu sięga
90% maksymalnej zdolności
transportowej.

Dwutlenek węgla stabilizuje
deoksyhemoglobinę, reagując z
końcowymi grupami aminowymi, co
prowadzi do powstania grup
karbaminianowych, naładowanych
ujemnie w odróżnieniu od wolnych grup
aminowych, które są pozbawione
ładunku lub obdarzone ładunkiem
dodatnim.

Końce aminowe znajdują się w rejonie
kontaktu między dimerami αβ, gdzie
obdarzone ładunkiem ujemnym grupy
karbaminianowe uczestniczą w
tworzeniu wiązań jonowych, które
stabilizują stan T, sprzyjając
uwalnianiu tlenu. Proces ten jest
podstawą dodatkowego mechanizmu
transportu dwutlenku węgla przez
hemoglobinę, którego wydajność
sięga zaledwie 14% całkowitego
transportu tych cząsteczek.

-większość dwutlenku węgla jest
transportowana do płuc w formie HCO

3-

-HCO

3-

wymieniany jest na Cl

-

 wzrasta

stężenie jonu w surowicy
-w płucach proces ulega odwróceniu

Zatem dwutlenek węgla, wytwarzany przez
tkanki aktywne metabolicznie, przyczynia
się do obniżenia pH w erytrocytach, a zatem
do uwalniania tlenu, i zostaje
przekształcony do formy, która może być
transportowana w surowicy i uwalniana w
płucach