Hemoglobina

Model cząsteczki hemoglobiny. Cztery zasocjowane podjednostki, z których każda zawiera cząsteczkę hemu (zaznaczoną na zielono). Nie pokazano grup bocznych aminokwasów, a tylko konformację łańcuchów peptydowych – tzw. model wstęgowy

Miejsce i odsetek syntezy łańcuchów hemoglobiny w życiu pre- i postnatalnym

Krzywa wysycenia hemoglobiny w zależności od ciśnienia cząstkowego tlenu.

Porównanie krzywych saturacji Mioglobiny(Mb) z Hemoglobiną (HbA), Hemoglobiną płodową

Hemoglobina, oznaczana też skrótami Hb lub HGB – czerwony barwnik krwi, białko zawarte w erytrocytach, którego zasadniczą funkcją jest przenoszenie tlenu – przyłączanie go w płucach i uwalnianie w tkankach. Mutacje genu hemoglobiny prowadzą do chorób dziedzicznych: anemii sierpowatej, talasemii lub rzadkich chorób zwanych hemoglobinopatiami.

Budowa hemoglobiny

Cząsteczka hemoglobiny jest tetramerem złożonym z dwóch par białkowych podjednostek. Podjednostki oznaczone są najczęściej literami greckiego alfabetu (np. α,β,γ,δ).

Nazwa hemoglobiny	Pary podjednostek
HbA	α2β2
HbF	α2γ2
HbA2	α2δ2
HbS	α2S2

Podjednostki nie są związane kowalencyjnie. Każda podjednostka zawiera jako grupę prostetyczną (niebiałkową) cząsteczkę hemu. Cząsteczka hemu zawiera położony centralnie atom żelaza (Fe²⁺) umożliwiający jej wiązanie cząsteczek tlenu (O₂). Jedna cząsteczka hemoglobiny może przyłączyć od jednej do czterech cząsteczek tlenu, co powoduje że hemoglobina może występować albo w stanie "odtlenowanym" (deoxyHb) lub w różnym stopniu "utlenowania" (oxyHb). Hem nadaje białku (i krwi) czerwony kolor.

Konformacja łańcuchów α i β ludzkiej hemoglobiny wykazuje podobieństwa do cząsteczki mioglobiny.

Podział hemoglobin

Hemoglobiny "prawidłowe"

• HbA (HbA₁) (2α2β) – prawidłowa hemoglobina dorosłych
• HbA₂ (2α2δ) – prawidłowa hemoglobina dorosłych; stanowi około 1,5% – 3% hemoglobiny
• HbF (2α2γ) – hemoglobina płodowa; ma większe powinowactwo do tlenu niż HbA, dzięki czemu jest w stanie pobrać tlen z krwi matki przez łożysko i uwolnić go w tkankach płodu. W życiu pozamacicznym jest zastępowana, gdyż słabiej uwalnia tlen w tkankach przy wyższym ciśnieniu parcjalnym tlenu. U dorosłych do 2%
• hemoglobiny embrionalne – mają podobne właściwości jak HbF:
  • Hemoglobina Gower 1 (ξ2ε2)
  • Hemoglobina Gower 2 (α2ε2)
  • Hemoglobina Portland (ξ2γ2)
• HbA_1c – HbA z przyłączoną nieenzymatycznie, trwale cząsteczką glukozy do N-końcowych aminokwasów łańcuchów globiny. Duże stężenie świadczy o proporcjonalnie podwyższonej glikemii, co może pozwolić na określenie średniego poziomu glukozy w surowicy przez okres 2-3 miesięcy, a to ma znaczenie np. w ocenie skuteczności leczenia cukrzycy. Norma stanowi 4-6% ogólnej ilości hemoglobiny. Produkty przejściowe pomiędzy HbA₁ a HbA_1c stanowią formy HbA_1a oraz HbA_1b będące zasadami Schiffa, w których glukoza jest przyłączona odwracalnie. Ogólna liczba wszystkich form glikowanej hemoglobiny powinna mieścić się w zakresie 6-8% ogólnej ilości hemoglobiny.

Hemoglobiny nieprawidłowe

• HbS -mutacja punktowa – podmiana hydrofilowego kwasu glutaminowego w pozycji A2 (6β) na hydrofobową walinę co powoduje powstanie lepkich miejsc i tworzenia agregatów nieutlenowanej HbS, które zniekształcają erytrocyty prowadząc do niedokrwistości sierpowatokrwinkowej
• HbM – mutacja powodująca zamianę histydyny w pozycji F8 na tyrozynę, która stabilizuje żelazo w hemie w formie Fe³⁺ zamiast Fe²⁺. Hemoglobina z Fe³⁺ nazywa się methemogolobiną (metHb) i nie wiąże się z tlenem.
• Hemoglobina typu Chesapeake – zamiana argininy na leucynę w pozycji FG4 (92 w łańcuchu α)
• Hemoglobina typu Bristol – zmiana waliny na kwas asparaginowy w pozycji 67 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji
• Hemoglobina typu Sydney – zmiana waliny na alaninę w pozycji 67 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji
• Hemoglobina typu Hikari – zmiana lizyny na asparaginę w pozycji 61 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji
• Hemoglobina typu Milwaukee – zmiana waliny na kwas glutaminowy w pozycji 67 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji
• Hemoglobina typu Lepore – (2α2Lepore) – hemoglobina w jednym z typów β-talasemii, wynik delecji genów kodujących łańcuchy β i δ. Ich resztki tworzą gen kodujący łańcuch Lepore.

Uwaga: litery greckie w nawiasach oznaczają jakie łańcuchy globiny wchodzą w skład cząsteczki.

Hemoglobina płodowa

Jest to hemoglobina ułatwiająca dostarczanie odpowiednich ilości tlenu tkankom płodu ssaków ze względu na jej większe powinowactwo do tlenu. Odmienna od hemoglobiny typu dojrzałego budowa umożliwia skuteczniejsze wyłapywanie tlenu w obrębie łożyska.

Zmiany konformacji pod wpływem tlenu

Przyłączenie cząstki tlenu do jednej z czterech cząstek hemu hemoglobiny powoduje zmianę struktury drugo-, trzecio- i czwartorzędowej całego tetrameru. Przyczyną jest wsunięcie atomu żelaza (położonego w przypadku nieutlenowanej hemoglobiny w odległości około 0,06 nm od płaszczyzny hemu) w płaszczyznę pierścienia hemu po połączeniu z tlenem.

Wsunięcie atomu żelaza pociąga związaną z nim tzw. histydynę proksymalną leżącą w pozycji F8, co powoduje przemieszczenie sąsiednich aminokwasów globiny. Doprowadza to w rezultacie do pęknięcia wiązań poprzecznych pomiędzy końcami karboksylowymi wszystkich czterech cząstek globiny. W efekcie dochodzi do rotacji pary α₁/β₁ względem pary α₂/β₂ o 15°

Konformacja, w której hemoglobina jest tylko częściowo utlenowana, określana jest jako stan T (od ang. taut – naprężony), zaś konformacja całkowicie utlenowanej hemoglobiny po wykonaniu obrotu o 15° – jako stan R (ang. relaxed – rozluźniony).

Hemoglobina w stanie R wykazuje większe powinowactwo do tlenu aniżeli w stanie T. W związku z tym każde przyłączenie w płucach cząstki tlenu do hemoglobiny ułatwia przyłączanie następnych (tzw. wiązanie kooperacyjne), zaś odczepienie każdej cząstki tlenu w tkankach ułatwia uwalnianie kolejnych cząstek O₂. Wiązanie kooperacyjne sprzyja maksymalizacji wysycania tlenem hemoglobiny w płucach (przy danym ciśnieniu parcjalnym tlenu – P_O2) oraz oddawania przez nią tlenu w tkankach.

Wiązanie dwutlenku węgla

Hemoglobina transportuje około 15% z ogólnej ilości CO₂ przenoszonego przez krew. W momencie gdy z cząstki hemoglobiny zostaje uwolniony tlen, dwutlenek węgla wchodzi w reakcję z grupą α-aminową globiny, tworząc karbaminian, jednocześnie w wyniku tej reakcji powstają wolne protony równoważące protony zużywane w płucach przez efekt Bohra (dwa mole protonów na każdy mol CO₂). W wyniku powstania karbaminianu zmienia się ładunek grup na końcach łańcuchów globiny, co umożliwia tworzenie wiązań poprzecznych i przejście do stanu T.

W płucach natomiast, w momencie gdy dochodzi do przejścia ze stanu T do stanu R, w wyniku rozerwania wiązań poprzecznych uwolnione zostają protony z atomów azotu pierścieni imidazolowych histydyny znajdującej się w pozycji HC3 (His 146) na łańcuchach β. Łączą się one z wodorowęglanami, co prowadzi do powstania kwasu węglowego, rozkładanego następnie przez anhydrazę węglanową zawartą w erytrocytach na wodę i dwutlenek węgla usuwany z krążenia.

W tkankach występuje niższe pH niż w płucach, w związku z czym protony wiążą się z histydyną HC3, sprzyjając przejściu hemoglobiny ze stanu R do stanu T.

Rola bisfosfoglicerynianu

W warunkach niedotlenienia w organizmie zwiększa się synteza 2,3-bisfosfoglicerynianu (BPG). Substancja ta, powstająca z 1,3-bisfosfoglicerynianu będącego produktem pośrednim glikolizy, ma właściwość wiązania się z tetramerem hemoglobiny znajdującym się w stanie T i stabilizowania go.

W stanie T konformacja łańcuchów hemoglobiny umożliwia wniknięcie między nie jednej cząstki BPG, która następnie wytwarza po trzy (w sumie sześć) wiązań poprzecznych z każdym z łańcuchów β, a dokładniej z posiadającymi dodatni ładunek resztami waliny w pozycji NA1, lizyny EF6 oraz histydyny H21. Te dodatkowe wiązania utrudniają przejście ze stanu T o niższym powinowactwie do tlenu do stanu R, w którym hemoglobina jest mniej skłonna do uwalniania tlenu.

Ciekawym przystosowaniem ewolucyjnym jest zamiana histydyny H21 na serynę w łańcuchu γ, który zastępuje łańcuch β w hemoglobinie płodowej HbF. Dzięki temu BPG ma mniejszy wpływ na hemoglobinę płodową, a co za tym idzie przy niższym stężeniu tlenu HbF ma do niego większe powinowactwo niż HbA. Efekt ten umożliwia wymianę gazową między krwią płodu a krwią matki zachodzącą w łożysku.

Normy

Julian Voss-Andreae stworzył w roku 2005 rzeźbę nazwaną Heart of Steel (Hemoglobin) (Serce stali) opartą na szkielecie cząsteczki hemoglobiny. Rzeźba wykonana jest ze szkła i COR-TEN. Celowe rdzewienie lśniącej na początku konstrukcji symbolizować miało wiązanie tlenu z żelazem zachodzącą w hemoglobinie. Zdjęcia przedstawiające rzeźbę o wysokości 1,60 m wykonane zostały na krótko po instalacji, po upływie 10 dni oraz po kilku miesiącach ekspozycji elementów na oddziaływanie środowiska.

Normy ilości hemoglobiny we krwi dorosłego człowieka wynoszą około 11,0-17,5 g/dl, jednak ze względu na różne metody pomiarowe każde laboratorium analityczne ustala własne normy (zwykle podyktowane przez producenta analizatora). Należy również zaznaczyć, że fizjologicznie stężenie hemoglobiny u mężczyzn jest wyższe niż kobiet.

Pochodne hemoglobiny

• oksyhemoglobina
• karbaminohemoglobina
• karboksyhemoglobina
• methemoglobina
• cyjanomethemoglobina
• sulfohemoglobina

Zobacz też

• zatrucie tlenkiem węgla
• mioglobina
• neuroglobina
• niedokrwistość, nadkrwistość

Zapoznaj się z zastrzeżeniami dotyczącymi pojęć medycznych i pokrewnych w Wikipedii.