1. co to jest hemoglobina?

Hemoglobina należy do białek hemowych, tak samo jak mioglobina. Ich zadaniem jest dostarczanie tlenu niezbędnego do metabolizmu który zachodzi w warunkach tlenowych.

Mioglobina - służy jako magazyn tlenu i ułatwia jego transport w mięśniach.

Hemoglobina- jest przenośnikiem tlenu we krwi. Przenosi tlen do tkanek a dwutlenek węgla oraz protony do płuc. Hemoglobina oznaczana jest skrótem Hb lub HGB i stanowi 33% masy krwinki czerwonej, jest czerwonym barwnikiem krwi co zawdzięcza cząsteczce hemu z której jest zbudowana. Natomiast swoją główną funkcję, czyli wiązanie tlenu zawdzięcza swojej podjednostkowej budowie. ( w przeciwieństwie do mioglobiny). Mioglobina - nie jest zbudowana z podjednostek jak hemoglobina. Jest pojedynczym łańcuchem białkowym zbudowanym ze 153 aminokwasów. Mioglobina może przenosić tlen ale powoduje to zmianę konformacji części białka.

2. co to jest Hem?

Hem - jest cyklicznym tetrapirolem zbudowanym z czterech pierścieni pirolowych połączonych mostkami α-metinowymi w pierścień tetrapirolowy. W centrum tego układu znajduje się atom żelaza, jest on powiązany z czterema atomami azotu. Do pierścienia przyłączone są cztery grupy metylowe, dwie grupy winylowe i dwa łańcuchy boczne propionianu . Hem powstaje głównie w mitochondriach. Atom Fe tworzy jeszcze dwa wiązania po obu płaszczyznach hemu; jest to piąta i szósta pozycja koordynacyjna. Piąta pozycja zajęta jest przez pierścien imidazolowy reszty His pochodzącej z białka. Szósta pozycja wiąże tlen. Atom żelaza występuje formie jonu (Fe²⁺ lub Fe³⁺), jednak tylko hemoglobina (tzw. ferrohemoglobina) w której atom żelaza występuje na drugim stopniu utlenienia, jest zdolna do wiązania tlenu! Utlenienie żelaza wiąże się z utratą aktywności biologicznej. Funkcje hemu zależą od jego otoczenia polipeptydowego, gdyż ta sama grupa hemowa występuje w innych białkach gdzie pełni zupełnie odmienną funkcje. Jedna cząsteczka hemu może nietrwale przyłączyć jedna cząsteczkę tlenu.

Hemoglobina nie składa się jednak z samej cząsteczki hemu ale również z białka globiny.

3. Co to jest globina?

Globina to białko powstające w obrębie rybosomów.

Hemoglobina więc jest związkiem składającym się z czasteczek hemu i białka globiny. Skoro jedna cząsteczka hemu może przyłączyć jedna cząsteczkę tlenu więc Cząsteczka hemoglobiny, która zawiera cztery cząsteczki hemu może przyłączyć cztery cząsteczki tlenu, bez zmiany wartościowości żelaza.

Budowa:

hemoglobinaA

Hemoglobina jest białkiem złożonym-posiada strukturę IV- rzędową. Cząsteczka podstawowego typu hemoglobiny występująca u dorosłych Hemoglobina A (u ludzi dorosłych stanowi 99,5% Hb) złożona jest z czterech podjednostek: 2 alfa i 2 beta- podjednostki te są homologiczne i wykazują podobieństwo struktury trzeciorzędowej (HbA) jest zbudowana z dwóch różnych łańcuchów polipeptydowych: łańcucha α i łańcucha β z których każdy zawiera grupę prostetyczną- jej funkcją jest wiązanie tlenu. Hemową grupę prostetyczną tworzy protoporfiryna IX zawierająca atom żelaza w postaci jonu żelazowego. Tworzy on cztery wiązania z porfiryną, po jednym wiązaniu z histydyną proksymakną oraz dystalną a także połączenie z tlenem cząsteczkowym.

Są rożne rodzaje hemoglobiny : hemoglobina A – u osób dorosłych, Hemoglobina A2- stanowi ok. 2% składu całej hemoglobiny oraz hemolina F u zarodka i płodu i hemoglobinaS – czyli hemoglobina sierpowata w przypadku anemi sierpowatej, znacznie obniżone powinowactwo do tlenu ( zmiana kształtu hemoglobiny)

4. Łączenie hemoglobiny z tlenem;

Łączenie hemoglobiny z tlenem nie jest utlenianiem hemoglobiny ale utlenowaniem aby podkreślic luźny związek tlenu z hemoglobina. Taka utlenowana hemoglobina nosi nazwę oksyhemoglobiny HbO2. Ma zdolność wiązania tlenu w sposób odwracalny, zależny od ciśnienia parcjalnego tego gazu. W warunkach prawidłowych 1 g Hb może związać 1,39 g tlenu, co dla 100 ml krwi zawierającej 15 g Hb wynosi 20,85 g tlenu i odpowiada pojemności tlenowej krwi.

Fizjologiczne wiązanie tlenu to tworzenie oksyhemoglobiny, gdzie nie zachodzi zmiana stopnia utlenienia Fe²⁺, natomiast zjawiskiem niepożądanym jest utlenienie zachodzące z zmianą stopnia utlenienia Fe²⁺ do Fe³⁺ z utworzeniem methemoglobiny (nie mającej zdolności transportu tlenu). Proces wiązania tlenu przez hemoglobinę jest związany ze zmianami w konformacji cząsteczki hemoglobiny(Podczas utlenowania atom żelaza, tworząc silne wiązanie z tlenem, wsuwa się w pierścień porfiryny, a hem staje się bardziej płaski.

Wsuwając się w pierścień porfiryny atom żelaza pociąga za sobą histydynę proksymalną)i prowadzi do zmiany stopnia utlenienia centralnie położonego jonu żelaza.

W związku z tym wyróżnia się kilka postaci hemoglobiny. W warunkach fizjologicznych postać zredukowana, tzw.

deoksyhemoglobina– deoksyHb wiąże w kapilarach płucnych tlen i przechodzi w postać utlenioną

oksyhemoglobinę – oksyHb [HbFe(II)O2] [27]. OksyHb może zostać utleniona do

zawierającej jon Fe3+ methemoglobiny

methemoglobina – metHb [HbFe-(III)], która ma zdolność wiązania cząsteczek wody, ale

nie ma zdolności wiązania tlenu.

ferrylohemoglobina– ferryloHb, która powstaje w wyniku utleniania deoksyhemoglobiny z udziałem nadtlenku wodoru H2O2.

Konformacja oksyhemoglobiny określana jest jako stan R (relaxed - rozluźniony). Natomiast konformacja deoksyhe-.moglobiny określana jest jako stan T (taut - naprężony).

Przyłączenie cząsteczki tlenu do jednej z czterech cząstek hemu hemoglobiny powoduje zmianę struktury drugo-, trzecio- i czwartorzędowej całego tetrameru.

5.Allosteryczna hemoglobina

Hemoglobina w stanie R wykazuje większe powinowactwo do tlenu aniżeli w stanie T. W związku z tym każde przyłączenie w płucach cząsteczki tlenu do hemoglobiny ułatwia przyłączanie następnych (tzw. wiązanie kooperacyjne), tak jak wspomniałam wcześniej Wiązanie O₂ powoduje zmiany konformacyjne, które przekazywane są na sąsiednie podjednostki i zwiększają ich powinowactwo względem O₂, zaś odczepienie każdej cząsteczki tlenu w tkankach ułatwia uwalnianie kolejnych cząstek tlenu. Przejście allosteryczne jest jednoprzejściowe, ponieważ zachodzi jednocześnie we wszystkich podjednostkach.

Oksyhemoglobina jest postacią stabilną, niemniej jednak pod wpływem czynników utleniających jon Fe2+ w cząsteczce hemu może być utleniony do jonu Fe3+, czemu

towarzyszy powstanie methemoglobiny, która nie może przenosić tlenu. W warunkach fizjologicznych 0,5-3% hemoglobiny dziennie ulega autooksydacji do methemoglobiny.

Warto więc tutaj wspomnieć o Histydynie dystalnej (His E7), znajdująca się w pobliżu wiązania O₂ z grupą hemową, która pełni dwie funkcje:

• Chroni przed kontaktem z grupami hemowymi sąsiednich cząsteczek hemoglobiny, co zapobiega utlenieniu Fe²⁺ do Fe³⁺;

• Przeciwdziała wiązaniu tlenku węgla (CO) z Fe²⁺, przez co zmniejsza powinowactwo hemu do CO;

Mioglobina natomiast jest niekooperatywna.

6. Funkcje biologiczne hemoglobiny:

1.     przenosi tlen z płuc do tkanek

2.     bierze udział w przenoszeniu dwutlenku węgla z tkanek do płuc

3.     bierze udział w buforowaniu jonów H⁺.

Transport CO2

Hemoglobina pełni istotną rolę nie tylko w transporcie tlenu, ale także w transporcie CO2 z tkanek do płuc. Około 10% CO2 przenoszone jest w postaci rozpuszczonej we krwi, natomiast ~30% w postaci związanej z grupami aminowymi białek, a ~60% w postaci jonów wodorowęglanowych (IV) (HCO3-). W metabolizmie tlenowym na jedną cząsteczkę tlenu przypada około 0,8 cząsteczki utworzonego dwutlenku węgla. Większa część powstałego dwutlenku węgla transportowana jest w postaci wodorowęglanu, który powstaje w erytrocytach w wyniku działania anhydrazy węglanowej. Wiele protonów powstałych w tej reakcji wiąże się z nieutlenowana hemoglobiną co stanowi część efektu Bohra. Pozostały dwutlenek węgla przenoszony jest przez grupy ?-aminowe hemoglobiny, które są zdolne do odwracalnego wiązania dwutlenku węgla w postaci karbaminianu.

Transport tlenku azotu

Ponadto hemoglobina odgrywa również znaczącą rolę w transporcie tlenku azotu (NO), którego główna rola w układzie krwionośnym polega na rozszerzaniu naczyń krwionośnych. Tlenek azotu łącząc się z grupą tiolową reszty cysteiny tworzy nitrozotiole, które (głównie nitrozoalbumina i nitrozoglutation) mają właściwości podobne do tych, które wykazuje NO,

z tym że dodatkowo hamują agregację płytek krwi. Powinowactwo hemoglobiny do tlenku azotu jest duże, jeśli hemoglobina znajduje się w konformacji R, a małe w przypadku konformacji T . Tlenek azotu wiązany przez hemoglobinę pochodzi z zewnątrz erytrocytu, choć istnieją również doniesienia o obecności syntazy tlenku azotu wewnątrz erytrocytu.

Rożnica między hemoglobiną a mioglobiną

Co to znaczy że mioglobina wykazuje większe powinowactwo do O2 niż hemoglobina?

To oznacza że O₂ uwolniony przez hemoglobinę może być wiązany z mioglobiną – takie zjawisko występuje np. w naczyniach włosowatych mięśni.

Aby dobrze zaobserwowac roznice miedzy mioglobina a hemoglobina warto przyjrzeć się krzywej dysocjacji tlenu dla mioglobiny i hemoglobiny. Od razu można zauważyć że Dla hemoglobiny krzywa ta ma kształt sigmoidalny, z kolei krzywa mioglobiny ma kształt hiperboli.

Dlaczego tak jest?

Na podstawie krzywej zależności stopnia wysycenia hemoglobiny i mioglobiny tlenem od jego stężenia (wyrażonego jego ciśnieniem parcjalnym).
Dla mioglobiny krzywa ta ma kształt hiberboli . W naczyniach włosowatych płuc gdzie znajduje się duże stężenie tlenu mioglobina w tych warunkach mogłaby skutecznie wiązać tlen -jednak występuje ona w żyłach i mięśniach gdzie stężenie tlenu jest mniejsze i wynosi odpowiednio 40 i 20 mm Hg . Mimo to mioglobina nie oddaje znacznej części związanego tlenu (duży stopień wysycenia) nawet, przy 20 mm Hg)-dopiero przy 5 mmHg w warunkach niedoboru tlenu (wysiłek fizyczny) mioglobina uwalnia związany tlen -który w mitochondriach mięśni wykorzystywany jest do biosyntezy ATP. Natomiast w przypadku hemoglobiny (przebieg krzywej sigmoidalny). Krew opuszczająca płuca gdzie panuje duże stężenie tlenu jest nim w dużym stopniu nasycona (krew utlenowana), natomiast w miarę zmniejszania się stężenia tlenu zmniejsza się też wysycenie hemoglobiny tlenem -przy 40 mmHg (włosowate czynne komórki mięśniowe) wysycenie hemoglobiny tlenem jest małe (oddawanie tlenu-hemoglobina nieutlenowana). Widzimy zatem, że mioglobina wykazuje większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina i dlatego, mioglobina jest odpowiedzialna za magazynowanie tlenu, a hemoglobina za jego transport.

Wspomniałam wcześniej o funkcji hemoglobiny która jest transport CO2. Z tym transportem wiąze się pewnie zjawisko tzw. EFEKT BOHRA

Po uwolnieniu tlenu w tkankach hemoglobina bierze udział w transporcie dwutlenku węgla z tkanek do płuc, skąd jest usuwany podczas wydychania. Hemoglobina m.in. pełni również rolę układu buforowego organizmu. Wiąże ona protony (0,5 protona na jedną cząsteczkę tlenu ) co ułatwia utrzymanie stałego pH w tkankach aktywnych metabolicznie czyli mięśniach.
Obecność większych ilości dwutlenku węgla i protonów w naczyniach włosowatych (mięśniach) sprzyja uwalnianiu tlenu z utlenowanej hemoglobiny (proces dostarczania tlenu do tkanek), natomiast duże stężenie tlenu w naczyniach włosowatych pęcherzyków płucnych powoduje usunięcie protonów i dwutlenku węgla z hemoglobiny ( usuwanie dwutlenku węgla na zewnątrz organizmu -wydech ). Mioglobina -jest nieczuła na zmiany pH i obecność dwutlenku węgla.

Najprościej mówiąc Efekt Bohra jest to zjawisko polegajace na przesuwaniu w prawo krzywej
dysocjacji oksyhemoglobiny* wraz ze spadkiem pH krwi. Im bardziej zakwaszone srodowisko, tym mniejsze jest powinowactwo hemoglobiny do tlenu (hemoglobina latwiej tlen odaje, a
trudniej wiaze). Fizjologiczny sens tej adaptacji jest oczywisty: organizmowi zalezy na
wydajnym wiazaniu tlenu przez krew w plucach (wysokie powinowactwo hemoglobiny do tlenu; krzywa dysocjacji oksyhemoglobiny przesunieta w lewo) i rownie wydajnym jego oddawaniu w tkankach (niskie powinowactwo hemoglobiny do tlenu; krzywa dysocjacji oksyhemoglobiny przesunieta w prawo). Jedna z roznic jakie napotyka krew w plucach i w tkankach jest wlasnie roznica pH.

Przebieg reakcji:

1. Ditlenek węgla wchodzi w reakcję z końcowymi grupami aminowymi podjednostek hemoglobiny, tworząc karbaminian.

2. Tworzenie się mostków solnych pomiędzy łańcuchami α i β.

3. Hemoglobina wiąże ok. 15% Co2

4. Uwodnienie pozostałego CO2 do kwasu węglanowego (H2CO3) jest to reakacja katalizowana przez anhydrazę węglanową.

5. . Dysocjacja H2CO3 do jonu wodorowęglanowego i protonu

Protony powstają w wyniku rozrywania mostkow solnych podczas przyłączania O2 do fprmy T hemoglobiny.Podczas uwalniania tego tlenu, mostki solne sa odtwarzana wraz z całą strukturą T.

6. 6. Odłączenie się dwóch cząsteczek O2

7. 7. Wiązanie protonu przez deoksyhemoglobinę

8. 8. Spadek pH tkanek wzrost uwalniania O2

W płucach zachodzi zjawisko odwrote: Przyłączenie O2 powoduje uwolnienie protonow. Łączą się one z wodorowęglanem i tworzy się kwas węglowy. H2CO3 jest katalizowany przez anhydrozę węglanową (poprzez dostarczanie CO2). Wiązanie O2 zwiększa więc wydalanie CO2.

To odwracalne zjawisko wiązania protonu i O2 nosi nazwę EFEKTU BOHRA

W tkankach pH jest nizsze, gdyz produkowany w procesach oddechowych ditlenek
wegla jako bezwodnik kwasowy reaguje z woda dajac "kwas weglowy":
CO2 + 2H2O <-> HCO3- + H3O+;
[reakcje w znacznym stopniu katalizuje superszybki enzym obecny gl. W erytrocytach: anhydroza weglanowa]
Dodatkowe zakwaszenie pojawia sie w niektorych tkankach (np. mięśniach szkieletowych poprzecznieprazkowanych, zwlaszcza tzw. szybkich) w zwiazku z prowadzeniem beztlenowego katabolizmu glukozy (fermentacji mleczanowej), ktorego produktem odpadowym jest kwas mlekowy CH3CHOHCOOH. Ewolucja "nauczyla" hemoglobine wykorzystywac owe roznice pH do zmieniania
swojego powinowactwa do tlenu w zaleznosci od potrzeb: w plucach lub innych nazadach oddechowych (wyzsze pH) - powinowactwo wysokie, w tkankach (nizsze pH) - niskie. System ten pracuje bardzo zmyslnie: im intensywniejsze zuzycie tlenu w tkance (np. miesniu), tym wiecej wydziela ona ditlenku wegla (i kwasu mlekowego), im wiecej wydziela CO2 (i kw. mlekowego), tym bardziej spada pH krwi co bardziej intensyfikucje efekt Bohra pomagajac tym samym sprostac
zwiekszonemu zapotrzebowaniu komorek na tlen.
* - procent wysycenia hemoglobiny tlenem w funkcji cisnienia parcjalnego
tego gazu.

2,3-bisfosfoglicerynian

Podczas niedoboru tlenu w tkankach zwiększa się synteza BPG czyli 2,3 bisfosoglicerynianu w erytrocytach. Związek ten wiąże się z hemoglobiną w stosunku 1:1 czyli Jedna cząsteczka BPG na jedna cząsteczkę tetra metryczną hemoglobiny. Miejsce wiązania BPG z hemoglobiną to centrum cząsteczki hemoglobiny między czterema podjednostkami. ( w przypadku formy T kiedy ta przestrzeń jest odpowiednio duża) W wiązaniu biorą udział mostki solne. BPG stabilizuje więc forme nieutlenowaną hemoglobiny czyli formę T tworząc dodatkowe wiązania jonowe. Kiedy przechodzi ona w formę R zostaja one zerwane. Również ma on bardzo ciekawą rolę w adaptacji wysokości gdyż podczas wzrostu stężenia krwi wzrasta też stężenie BPG które obniża powinowactwo HbA do O2 a więc zwiększa zdolność hemoglobiny do uwalniania O2 w tkankach .

Hemoglobina dorosłych a hemoglobina płodu

HbA ma większe ciśnienie cząstkowe tlenu niż HbF. Dla HbA wynosi ono 26mm Hg natomiast dla HbF 20 mm Hg ( przy czym nasycenie hemoglobiny tlenem wynosi 50%; P50)

Różnica ta powoduje że HbF pobiera tlen od HbA w obrębie łozyska. wykazuje wyższe powinowactwo do tlenu i wysyca się nim przy niższym ciśnieniu parcjalnym. Dzięki temu rozwijający płód ma lepszy dostęp do tlenu z krwi matki. Ma to duże znaczenie, ponieważ miejscem wymiany gazowej między matką a płodem jest łożysko w którym dochodzi do wymiany tlenu i dwutlenku węgla. W łożysku stężenie tlenu nie jest wysokie, więc hemoglobina odłącza tlen. Gdyby we krwi płodu była taka sama hemoglobina jak we krwi matki, nie mogłaby wiązać dużych ilości tlenu. HbF w warunkach tlenowych łożyska bardzo silnie wiąże tlen, bo wysyca się nim przy niższych stężeniach i może go przenosić z łożyska do narządów płodu.

HbF jest wytwarzana przez wątrobę płodu. Dopiero pod koniec życia płodowego funkcję produkcji hemoglobiny płodowej przejmuje szpik kostny. U noworodków hemoglobina płodowa jest prawie całkowicie zastępowana przez hemoglobinę dorosłych po około szóstym miesiącu od narodzin. U osób dorosłych hemoglobina płodowa jest wytwarzana w szpiku kostnym. Jest to przydatne w łagodzeniu objawów niedokrwistości sierpowato krwinkowej.

Po porodzie HbF przestaje właściwie spełniać swoją funkcję, ponieważ jej duzo powinowactwo do O2 utrudnia jego oddysocjowywanie w tkankach.

Hemoglobinopatia

defekt genetyczny, objawiający się błędną strukturą jednego z łańcuchów globiny w cząsteczce hemoglobiny. Z badań wynika, że 7% światowej populacji to nosiciele hemoglobinopatii. Hemoglobinopatie są przyczyną np. anemii.

Przykładem patologii hemoglobiny jest niedokrwistość sierpowata (hemoglobina krwinek sierpowatych – HbS). W chorobie tej występują erytrocyty o kształcie półksiężyca lub sierpa;

Molekularną przyczyną niedokrwistości sierpowatej jest zastąpienie reszty kwasu glutaminowego w pozycji 6 łańcucha β przez walinę, a więc zastąpienie reszty polarnej hydrofobową. Powoduje to powstanie hydrofobowych lepkich miejsc na zewnętrznej powierzchni łańcucha β HbS. Takie miejsce jest komplementarne z miejscem hydrofobowym znajdującym się między helisami E i F łańcucha β HbS nieutlenowanej. Prowadzi to do łączenia się cząsteczek HbS i powstawania długich włókien, które zniekształcają erytrocyt. W utlenowanej HbS miejsce komplementarne jest maskowane;

Niedokrwistość sierpowata jest hemolityczną chorobą przekazywaną genetycznie. Krwinki sierpowate są bardziej kruche niż prawidłowe erytrocyty;

W niedokrwistości sierpowatej homozygoty zawierają 2 kopie nieprawidłowego genu, a heterozygoty – tylko jedną. Homozygoty często żyją krócej wskutek uszkodzenia nerek i serca lub zwiększonej krzepliwości krwi, której przyczyną jest zatrzymywanie krwinek sierpowatych w naczyniach włosowatych;

W niedokrwistości sierpowatej u heterozygot ok. 1% erytrocytów to krwinki sierpowate, a u homozygot – nawet 50%;

Hemoglobina m - nieprawidłowa hemoglobina. W Hb M dwa łańcuchy białkowe mają zmieniony aminokwas, a dołączony do nich układ hemowy ma żelazo utlenione i nie przenosi cząsteczek tlenu. W zależności od stopnia nasilenia, może nie powodować żadnych objawów lub w przypadkach zawartości methemoglobiny powyżej 70% może powodować zgon.

Choroby genetyczne związane z niedoborem lub brakiem podjednostek alfa lub beta hemoglobiny, to tzw. alfa- lub beta-talasemie. Leczy się je objawowo lub poprzez przeszczep szpiku kostnego (ciężkie są przypadki odmiany beta).