Hemoglobină
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Hemoglobina este pigmentul respirator (pigmentul roşu), a tuturor vertebratelor, fiind prezentă în eritrocite, unde are rol în transportul[1] oxigenului (oxihemoglobină), şi a CO2 (carbohemoglobină).Constituită dintr-o componentă proteică numită globină[2] şi o componentă prostetică, colorată, hemul, un nucleu porfirinic cu 11 duble legături conjugate.Molecula hemoglobinei este un ansamblu alcătuit din 4 subunităţi proteice, formate dintr-un lanţ proteic strîns asociat cu grupul hemic.Fiecare lanţ proteic adoptă o conformaţie de alfa helix identică cu globina din alte proteine(mioglobina de ex).
Cuprins |
[modifică] Structură
Gruparea hemică are un atom de fier cuplat cu inelul porfirinic. Atomul de fier realizează o legătură puternică cu proteina globulară prin intermediul nucleului imidazolic al unei molecule de histidină[3], proteină situată de obicei în planul inferior comparativ cu planul hemul.
Planul superior eset ocupat de o legătură reversibilă cu oxigenul din heterociciclu, configuraţia compusului format fiind cea de tip octaedrică.Atunci cîn oxigenul nu este legat , locul său eset luat de o moleculă de apă, conformaţia fiind aceea a unui octaedru neregulat.Fierul are 2 ioni : Fe 2+ şi Fe3+, însă Fe 3+ nu poate lega O;legarea O se face şi cu oxidarea de către oxigen a Fe la Fe3+, deci fierul trebuie să existe în forma de oxidare +2 pentru a lega oxigenul La om hemoglobina are o conformaţie de tetramer, numită hemoglobina A , formată din 2 lanţuri α şi 2 lanţuri β, formate fiecare fin 141, respectiv 146 aminoacizi.Hemoglobina A se numerotează α1β 2, subunităţile fiind legate prin punţi de sare, legături de hidrogen şi interacţii hidrofobe astfel: α1β1 α1β2.
Ionii de Fe 2+ ţi Fe3 + conţin respectiv 24 25 e- (configuraţia electronică este [Ar]3d6 4s2 , [Ar]3d5 4s2d) .
[modifică] Configuraţia ionului de Fe
Din punct de vedere magnetic oxihemoglobina eset diamagnetică,[4] dar configuraţia electronilor de joasă energie atît la nivelul oxigenului cît şi a fierului denotă caracter paramagnetic .Oxigenul triplet cu cea mai joasă energie, are 2 electroni în orbitali moleculari de antilegătură.Ionul de Fe++ are tendinţa de a adopta o configuraţie de spin înalt , electronii neparticipanţi aflîndu-se de asemenea în orbitali de antilegătură .Fe+++ are de asemenea electroni neparticipanţi.Toate aceste molecule au caracter paramagnetic şi nu diamagnetic cum ar trebui în mod teoretic.Există 2 explicaţii pt acest lucru:
- Fe2+ se leagă de oxigenul singlet .Amindouă speciile sunt diamagnetice.
- Spinulînalt al Fe 3+ detremină legarea de O2- (anionul superoxid),manifestîndu-seă antiferomagnetismul care aliniază electronii neparticipanţi , determinînd proprietăţi diamagnetice.
- Fe 2+ cu configuraţie de spin jos se leaga de O22-.Amindouă speciile sunt diamagnetice.
Spectroscopia electronica cu raze X , sugerează că starea de oxidare a fierului este de aproximativ 3,2 , spectrul în infrarosu a legăturii O-O sugerează un tip de legătură foarte asemănătoare cu configuraţio ionului superoxid .Starea de oxidare corectă este +3 pentru fier şi –1 pentro oxigen.Diamagnetismul acestei configuraţii este dat de electronii ionului superoxid care au o aliniere antiferomagnetică, în sensul opus alinierii electronilor de Fe2+, opţiune nefiind deloc surprinzătoare deoarece singletul oxigenului precum şi larga separaţie a încărcării sunt nefavorabile stării de energie înaltă.Schimbarea valenţei de Fe2+ la Fe 3+ determină scăderea mărimii atomului şi permite acestuia să intre în acelaşi plan cu ciclurile pirolice, putînd astfel coordina restul de histidină, iniţiind schimbări alosterice îm lanţul globulinic.De fapt se pare că structura adoptată este una de echilibru între aceste 3 forme
[modifică] Complexarea liganzilor
.
Atunci cînd oxigenul se leagă de ionul de Fe , are loc o contracţie a atomului de Fe determinînd mutarea în interioriul planului porfirinic, concomitent cu îndepărtarea de atomul de oxigen şi apropierea de restul histidinic.La hemoglobina umană legarea oxigenului este de tip cooperativ.Hemoglobina are afinitate pentru oxigen, afinitate crescută de saturarea moleculei cu oxigen;primul atom de oxigen legat influenţează forma site-ului de legare pentru următorul atom .Acest lucru este posibil, cînd datorită oxigenării hemoglobinei, subunitîţile proteice ale acesteia suferă modificări, modificări ce se traduc prin schimbări în întregul complex hemoglobinic determinînd ca altor subunităţi să le crească afinitatea pentru oxigen.
Drept consecinţă curba de legare a oxigenului de hemoglobină este de tip sigmoid sau S ,opusă curbei de tip hiperbolă asociată cu legarea de tip noncooperativ.Legarea oxigenului de hemoglobină este scăzută în prezenţa monoxidului de carbon, deoarece acesta intră în competiţie pentru site-urile de legare, monoxidul legîndu-se de preferinţă în aceleaşi locuri ca şi oxigenul.Dioxidul de carbon are un alt situs de legare, neafectînd formarea complexului HbO.Sub infleunţa anhidrazei carbonice, dioxidul de carbon se scindează în acid carbonic instabil care se descompune imediat punînd în libertate ionul carbonat HCO3- şi un proton H+.
- CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3- + H+
Sîngele încărcat cu dioxid de carbon are un pH acid, şi din acest motiv poate lega protonul şi dioxidul de carbon determinînd transformări conformaţionale în partea proteică şi la nivelul capacităţii de legare şi de eliberare a oxigenului.Protonul poate fi legat în diferite locuri de-a lungul lanţului proteic, dar dioxidul de carbon se poate lega doar de gruparea amino din poziţia alpha formînd ionul carbamat.Atunci cînd nivelul de dioxid de carbon scade (de exemplu în capilarele pulmonare), CO2 şi H sunt eliberaţi de la nivelul hemoglobinei, crescînd afinitatea proteinei pentru O 2.Acest control al hemoglobinei pentru oxigen prin legarea şi eliberarea CO2 şi acidului poartă denumirea de efectul Bohr. Monoxidul de carbon afectează legarea oxigenului de hemoglobină, datorită afinităţii de circa 200 de ori mai mare faţă de oxigen.Acest lucru este tradus prin aceea că o cantitate extrem de mică de CO (provenit de exemplu din fumul de ţigară, eşapamentul automobilelor), reduce foarte mult capacitatea de legare a O2 de către hemoglobină.Monoxidul formează carboxihemoglobina un compus extrem de stabil, de culoare roşu strălucitor.Asemănător cu monoxidul de carbon se comportă şi ionii CN-(cian),SO(monoxidul de sulf), NO2(dioxid de azot)0 ;S2-(sulfit).Toţi aceşti compuşi manifestă afinitate crescută pentru ionul de Fe de care se leagă fără a-i schimba starea de oxidare,şi mai grav neinhibînd legarea oxigenului, determinînd intoxicaţii grave. Oxidarea Fe2+ la Fe 3+ deteremină conversia hemoglobinei la hemiglobină saau methemoglobină, compus care nu poate lega oxigenul.În sîngele normal hemoglobina este protejată printr-un sistem reducător de această transformare.Însă anumiţi anioni de tipul oxidului nitros N2O, sau dioxidului de NO2, sunt capabili să transforme o fracţie foarte mică de hemoglobină în methemoglobină, acest lucru neavînd importanţă medicală (NO2 este nociv prin alt mecanism, în timp ce N2O este folosit în anestezii de scurtă durată, ceea ce nu permite afectarea hemoglobinei.La populaţiile aclimatizate la înălţimi mari concentraţia de esterului glicerin23difosfat sanguin este mult crescută, ceea ce permite transportul unor cantităţi mai mari de oxigen la nivelul ţesuturilor în condiţiile unei presiuni a oxigenului scăzută.Acest fenomen în care o moleculă Y afectează legarea moleculei X pentru trasnportul moleculei Z poartă denumirea de efect heterotropic allosteric.
[modifică] Degradarea hemoglobinei
Atunci cînd are loc moartea hematiilor , membrana lor se rupe, hemoglobina este hidrolizată iar Fe recuperat.Ciclul porfirinic se desface iar fragmentele sunt metabolizate de ficat.În urma procesului rezultă o moleculă de CO pentru fiecare moleculă de hemoglobină metabolizată.Procesul este unul natural şi reprezintă o sursă de CO pentru corpul uman, monoxid care se elimină prin aerul expirat.Produsul de metabolizare final estebilirubina, un pigment de culoare galbenă a cărui nivel semnifică distrugerea hematiilor.Dacă ritmul de degradare a hemoglobinei este prea rapid , ea poate bloca anumite capilare mai ales capilarele din rinichi determinînd apariţia unor boli.Scăderea hemoglobinei neasociată cu scăderea numărului de hematii poartă denumirea de anemie; anemia are drept principală cauză deficienţa de Fe.Ca urmare a acestei deficienţe , scade sinteza de hemoglobină, hematiile vor fi de tip hipocrom (sărace în pigment), si microcitic (mai mici decît în mod normal).În hemoliză (distrugere a hematiilor mai rapidă decît sinteza),icterul asociat este cauzat de metabolitul bilirubină şi de hemoglobina circulantă care poate determina blocaj renal.Hemoglobinopatiile sunt mutaţii la nivelul lanţului globinei, cele mai des întîlnite fiind anemia falciformă (siclemia)şi talasemia; tot în cadrul globinopatiilor sunt şi porfiriile, caracterizate de erori în sinteza hemului. La nivel mai mic se pare că hemoglobina A se combină cu glucoza, pe care o leagă într-un anumit situs, formînd compusul HbA1c(hemoglobina glucosilată, sau glicată). Pe măsură ce concentraţia glucozei creşte , procentul de HbA trasnformată în HbA1c creşte şi el.La diabetici, unde glucoza are valori foarte mari, şi compusul tinde către valori mari,procentul său fiind reprezentativ pentru nivelul glucozei sanguine datorită timpului de viaţă a hematiilor 50-55 zile.
[modifică] Teste de laborator
Hemoglobina este urmărită în permanenţă în cadrul testelor sanguine, (numărarea hematiilor), rezultatele fiind exprimate în g/L, g/dL, mol/L (1g/dL =0,621mmol/L).Dacă concentraţia Hb totale scade sub acest punct, avem de a face cu o anemie. Determinarea Hb se face prin analiză sanguină şi urmărirea valorii hematocritului care reprezintă volumul ocupat de hematii în cadrul volumului sanguin.Nivelul glucozei are variaţii orare , astfel încît urmărirea nivelului glucozei oră de oră este relativ greu de executat, iar rezultatele nu pot fi semnificative şi pot da erori la interpretare.Pentru acest motiv se urmăreşte complexul HbA1C, a cărui nivel este direct proporţional cu valoarea glucozei sanguine.De obicei o valoare mai mică sau egală cu 6% reprezintă un nivel normal al glucozei sanguine, în timp ce valori de peste 7% indică un nivel ridicat al glucozei (diabet).Urmărirea valorii complexului se poate face doar la subiecţii sănătoşi care au un ciclu al hematiilor normal.La indivizii cu dereglări ale acestui ciclu cum ar fi bolnavii cu anemie falciformă , unde se pot întîlni alte tipuri de hemoglobina (Hb S), ciclul de viaţă este mult mai scurt.Din acest motiv se foloseşte testul nivelului de fructozamină, test care are la bază măsurarea gradului de legare a glucozei de albumina serică, detereminîndu-se astfel nivelul sanguin al glucozei în ultimele 18-21 zile , care reprezintă timpul de înjumătăţire a albuminei.
[modifică] Tipuri de hemoglobină
[modifică] Hemoglobină umană
În embrion:
- Gower 1 (ξ2ε2)
- Gower 2 (α2ε2) [5]
- Hemoglobina Portland (ξ2γ2)
În fetus]:
- Hemoglobina F (α2γ2) [6]
La adult:
- Hemoglobina A (α2β2) [7]- Tipul cel mai des întînit.
- Hemglobina A2 (α2δ2) - Lanţurile δ se sintetizează cam din al III-lea semestru de sarcină şi al adulţi reprezintă cam 2,5%
- Hemoglobina F (α2γ2) - La adulţi hemoglobina F este restrînsă la o populaţie limitată de hematii numite celule F.
- Hemoglobina S - Tipul de hemoglobină întîlnită la hematiile în formă de seceră(anemia falciformă).
[modifică] Alte tipuri de (hemo)globină
Mioglobina:Este identificată în muşchi, întîlnindu-se la toate vertebratele, unde colorează muşchii în roşu sau cenuşiu închis.Este foarte aemănătoare cu hemoglobina, însă diferă de aceasta prin faptul ca nu prezintă unităţi tetramerice.De regulă stochează oxigenul pentru a fi transportat mai departe.
Hemocinina:Este al 2-lea transportor de oxigen din mediul animal, identificat la artropode şi moluşte, avînd heteroatom ionul de Cu , iar culoarea sa datorită acestui fapt este albastră atunci cînd leagă oxigenul.
Hemeritrina:Întilnită la unele nevertebrate marine şi anumite specii de anelide, heteroatom ionul de Fe, culoarea sa este roz/violet cînd eset oxigenată, incoloră cînd oxigenul nu este legat.
Clorocruorina:Identificată la multe anelide, asemănătoare cu eritrocruorina, însă grupare hemică este diferită.Cînd nu leagă oxigenul are culoarea verde, în timp ce oxigenată are culoare roşie.
Vanabina:Întălnită la urocordate, se pare că heteroatomul de ionul de vanadiu (ipoteză neconfirmată).
Eritrocruorina:Identificată la multe anelide,este un complex proteic cu masa de peste 3,5 milioane daltoni.
Pinaglobina:Identificată doar la molusca Pinna squamosa, heteroatomul fiind ionul de Mn.
Leghemoglobina:Identificată la specii de leguminoase: lucernă, soia, bacteriile fixatoare de azot sunt protejate de această proteină care are drept heteroatom ionul de Fe.
[modifică] Bibliografie
- http://www.ebi.ac.uk/interpro/potm/2005_10/Page1.htm
- http://www.tiscali.co.uk/reference/encyclopaedia/hutchinson/m0006815.html
- http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/eisenkomplex/eisenkomplex.htm
- http://en.wikipedia.org/wiki/Hemoglobin
- http://www.fmrib.ox.ac.uk/~peterj/lectures/hbm_2/sld015.htm
- http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1076743