Hemoglobin

Struktura hemoglobina

Hemoglobin je metaloprotein za prenos kiseonika koji sadrži gvožđe i nalazi se u crvenim krvnim zrncima kod kičmenjaka. Hemoglobin prenosi kiseonik iz pluća ili škrga u ostale delove tela, kao što su npr. mišići. On povećava prenosni kapacitet za kiseonik u litru krvi sa 5 na 250 ml/l. Hemoglobin ima i ključnu ulogu i pri prenosu CO₂ i vodonikovih jona.

Ime hemoglobin se sastoji od reči hem i globin, i na taj način pokazuje da je hemoglobin globularni protein koji sadrži hem grupu. Hem grupa se sastoji od organskog dela i atoma gvožđa koji je odgovoran za vezivanje kiseonika.

Empirijska hemijska formula najčešćeg ljudskog hemoglobina je C₂₉₅₂H₄₆₆₄N₈₁₂O₈₃₂S₈Fe₄.

Struktura

Kod ljudi, hemoglobin se sastoji od četiri proteinske podjedinice. Svaka podjedinica se sastoji od proteinskog lanca koji je vezan sa neproteinskom hem grupom. Svaki proteinski lanac se uređuje u alfa-heliks.

Hem grupa

Atom gvožđa u hem grupi se vezuje sa četiri atoma azota u središtu porfirinskog prstena. Isti atom može da stvori i dve dodatne veze, po jednu sa svake strane ravni hema. Ta vezivna mesta se zovu peto i šesto koordinaciono mesto. Oksidacioni broj atoma gvožđa u hemu može biti +2 i +3. Analogni oblici hemoglobina se zovu ferohemoglobin i ferihemoglobin. Ferihemoglobin se još zove i methemoglobin. Samo hemoglobin oksidacionog stanja +2 može da veže kiseonik.|first=Cowan J.

Hemoglobin se sastoji od četiri peptidna lanca. U molekulu hemoglobina postoje četiri mesta na kojima se veže kiseonik, jer svaki lanac sadrži jedan hem. Četiri polipeptidna lanca su vezana jedan za drugi sonim mostovima, vodoničnim vezama i hidrofobnim interakcijama.

Hemoglobin A, glavni hemoglobin kod odraslih, sastoji se od dva para međusobno jednakih lanaca koji se zovu α- lanci, tj. β- lanci. Ovi lanci mogu doći u dodir na dva načina: α₁β₁ i α₂β₂. Pojedinačna građa hemoglobina A se označava kao α₂β₂.

Trodimenzionalnu strukturu hemoglobina A su odredili Maks Peruc i njegovi saradnici. Rendgenostrukturnom analizom je utvrđeno da je molekul hemoglobina gotovo kuglast, prečnika 5,5 nm. Četiri lanca su tetraedarski raspoređena. Hemovi su smešteni u procepima blizu površine molekula, po jedan u svakoj podjedinici. Četiri vezivna mesta za kiseonik su međusobno veoma udaljena. Svaki α-lanac je u kontaktu sa oba β- lanca, dok je između dva α- lanca i dva β- lanca malo interakcija.

Oksidaciono stanje gvožđa u hemoglobinu

Određivanje stanja oksidacije hemoglobina je teško zato što je oksihemoglobin dijamagnetik (nema nesparenih elektrona), ali niskoenergijske konfiguracije е^- u О₂ i Fe su paramagnetične. Triplet kiseonika, vrsta koja ima najnižu energiju, ima dva nesparena е^- u antivezivnim π* molekulskim orbitalama. Fe(II) nastoji da bude u visokospinskoj konfiguraciji gde su nespareni е^- u antivezivnim orbitalama. Fe(III) ima neparan broj е^-, pa samim tim i nesparene е^-. Svi ovi molekuli su paramagnetični, tako da neintuitivna raspodela е^- mora postojati da bi podstakla dijamagnetizam.

Postoje tri mogućnosti:

1. Niskospinski Fe²⁺ se veže za visoko-energijski triplet О₂. Niskospinski Fe i singlet О₂ su dijamagnetici.
2. Visoko-spinski Fe²⁺ se veže za О₂^- (superoksid jon) i a
3. Niskospinski Fe⁴⁺ veže se za О₂^-. Oboje su dijamagnetici.

Pravo oksidativno stanje Fe je +3, a О₂ je -1. Dijamagnetizam u ovoj konfiguraciji potiče od nesparenih е^- superoksida koji se poravnavaju antiferomagnetički u suprotnim smeru od nesparenih е^- gvožđa.

Prelazak Fe u više oksidaciono stanje smanjuje veličinu atoma i omogućava mu da uđe u ravan porfirinskog prstena navlačeći koordiniran ostatak histidina i inicirajući alosterične promene viđene kod globulina. Određivanje stanja oksidacije je samo formalizam, tako da sva tri modela mogu doprineti u određenoj meri.

Raniji postulati su tvrdili da je prva mogućnost ispravna i da Fe treba da postoji u stanju Fe(II). Prisustvo singleta kiseonika nikada nije objašnjeno.

Kooperativnost molekula hemoglobina

Uloga hemoglobina je da prenosi kiseonik iz pluća, škrga ili kože životinja do njenih kapilara, iz kojih hemoglobin prelazi u ćelije u kojima se koristi u procesima disanja. Količina kiseonika koja može da se rastvori, npr. u telesnim tečnostima bila bi dovoljna samo za vrlo male životinje. Veći organizmi zahtevaju postojanje proteina kao što je hemoglobin koji će da prenosi veće količine kiseonika.

Molekul hemoglobina može maksimalno da veže četiri molekula kiseonika i njegova kriva vezivanja ima sigmoidalan oblik.

Sigmoidna kriva

Sigmoidalna kriva vezivanja može da se podeli u tri dela: pri niskim koncentracijama liganada stepen vezivanja se vrlo malo povećava sa porastom koncentracije liganada, srednji deo počinje u tački u kojoj pri malom porastu koncentracije liganada nastaje veliki porast u stepenu vezivanja, a završava se u tački u kojoj pri daljem povećavanju koncentracije liganada ne dolazi do povećanja stepena zasićenja. Ovakvo ponašanje odgovara kooperativnom ponašanju.

Možemo kvantitativno da utvrdimo fiziološko značenje sigmoidalne prirode krive Hb: O₂ intrakcije, odnosno biološki značaj kooperativnosti. To postižemo pomoću Hilove jednačine:

${\dfrac {Y}{(Y-1)}}=\left({\dfrac {pO_{2}}{p_{50}}}\right)^{n}$

Ona opisuje vezu između pO₂, afinitet hemoglobina ka kiseoniku (definisan kao p₅₀, parcijalni pritisak kiseonika na kome je dostignuta polovina od maksimuma saturacije hemoglobina sa kiseonikom), i odnosa frakcije hemoglobina vezanog sa kiseonikom, Y, i frakcije hemoglobina bez vezanog kiseonika, (1-Y). Koeficijent n je Hilov koeficijent, indeks kooperativnosti krive.

Mehanizam vezivanja kiseonika za hemoglobin

Promene u konstantama disocijacije, do kojih dolazi sa povećanjem stepena vezivanja kiseonika za hemoglobin, ukazuje da je ovaj proces praćen promenama u strukturi mesta gde se vezivanje dešava. S obzirom da se struktura vezivnog mesta ne može menjati nezavisno od strukture celog molekula proteina, strukture hemoglobina sa i bez vezanog kiseonika se međusobno razlikuju. Vezivanje kiseonika uzrokuje takve konformacione promene u molekulu hemoglobina, da se razlikuju oksihemoglobin i deoksihemoglobin. Oksihemoglobin nastaje tokom disanja, kada se kiseonik vezuje za hem u eritrocitima. Deoksihemoglobin je oblik hemoglobina bez vezanog kiseonika. U deoksihemoglobinu se nalazi veći broj sonih mostova, koji se u oksihemoglobinu raskidaju. Konformacija deoksihemoglobina je stabilna (kompaktnija) i naziva se T stanje, a konformacija oksihemoglobina koja je manje stabilna (relaksirana) naziva se R stanje. Konformacije pojedinačnih nizova se obeležavaju kao t odnosno r stanje.

U t stanju Fe(II) se nalazi oko 0,6 Å izvan ravni hema prema histidinu. Pri vezivanju kiseonika za hem menja se elektronska gustina gvožđa u hemu, veza Fe- Nporfin se smanjuje za 0,1 Å i gvožđe ulazi u ravan hema, povlačeći histidin F8, koji sa sobom povlači i F heliks.

Privlačenje F heliksa izaziva promene u kontaktima među različitim podjedinicama: ako se kiseonik veže za hem u β₁podjedinici, doći će do promena u kontaktima između β₁ i α₂ podjedinice. Međutim, pošto su kontakti između α₂β₁ podjedinica nepromenljivi, pomeranje između α₁β₂ izazvaće simetrično pomeranje između druge dve α₂β₁ podjedinice. Tako će vezivanje kiseonika za jednu podjedinicu izazvati njen prelazak iz t u r konformaciju, a to će izazvati i prelazak konformacije celokupnog hemoglobina iz T u R stanje. Na taj način će sve podjedinice biti u r stanju koje je pogodno za vezivanje kiseonika.

Primećeno je da oksidacija značajno menja kvaternarnu strukturu hemoglobina. Kristali deoksihemoglobina se poremete kada su izloženi kiseoniku. Rendgenska kristalografska analiza je pokazala da se oksihemoglobin i deoksihemoglobin primetno razlikuju u kvaternarnoj strukturi. Kao što je već rečeno, postoje dve vrste αβ kontakata: α₁β₁ i α₂β₂ kontakti, koji sadrže helikse B, G i H i GH ugao. Ovi kontakti su prostrani i važni za podjedinično pakovanje. Oni ostaju nepromenjeni kada hemoglobin prelazi iz deoksi u oksi oblik. α₁β₂ i α₂β₁ kontakti se zovu klizni kontakti i oni sadrže helikse C i G i FG ugao. Kada hemoglobin pretrpi konformacionu promenu kao rezultat vezivanja liganada za hem, dolazi do promene ovih kontakata.

Alosterna svojstva hemoglobina

Na afinitet hemoglobina za vezivanje kiseonika utiče veći broj malih molekula: H⁺, CO₂, Cl^-, metabolit iz glikolize 2,3-difosfoglicerat (BPG ). Kod hemoglobina se javljaju homotropni i heterotropni efekti. Vezivanje kiseonika za hemoglobin rezultuje u pozitivnom homotropnom efektu, dok su H⁺, CO₂, Cl^-, BPG, negativni heterotropni efektori za vezivanje kiseonika. Činioci koji pomeraju krivu disocijacije oksihemoglobina udesno (olakšavaju otpuštanje kiseonika) su: pad pH vrednosti u krvi, porast koncentracije CO₂, porast temperature krvi, dok su činioci koji je pomeraju udesno HbF, pad koncentracije CO₂.

Vezivanje CO₂ za hemoglobin

U aerobnom organizmu na jedan potrošen molekul kiseonika nastaje oko 0,8 molekula CO₂. Većina CO₂ se prenosi kao HCO₃^- koji se stvara u eritrocitima delovanjem karboanhidraze:

CO₂ + H₂O ↔ HCO₃^- + H⁺

Krv sa visokim procentom CO₂ ima niži pH (kiselija je). Hemoglobin može da vezuje protone, a CO₂ koji prouzrokuje konformacione promene u proteinu olakšava oslobađanje kiseonika. Protoni se vezuju na različitim mestima u proteinu, a CO₂ se vezuje za alfa-amino grupu pri čemu formira karbamat:

R-NH₂ + CO₂ ↔ R- NHCOO^- + H⁺

Obrnuto, kada nivo CO₂ u krvi opada, CO₂ i protoni su oslobođeni iz hemoglobina, pri čemu se povećava afinitet proteina za kisionik. Ova kontrola afiniteta hemoglobina prema kiseoniku, tako što se vezuje i oslobađa CO₂ i kiselina, je poznata pod nazivom Borov efekat.

Vezivanje BPG-a za hemoglobin

BPG se vezuje u centralnoj šupljini deoksihemoglobina elektrostatičkim interakcijama sa pozitivno naelektrisanim bočnim ostacima aminokiselina koje se tu nalaze. BPG stabilizuje T konformaciju, povezujući β- podjedinice Т konformacije hemoglobina, što snižava afinitet hemoglobina za kiseonik. Prelazak Т → R približava dve β- podjedinice i izbacuje BPG napolje.

Vezivanje CO za hemoglobin

Ugljen-monoksid se takmiči sa kiseonikom oko mesta na kom će se vezati u hemu. Afinitet hemoglobina prema CO je dve stotine puta veći, nego afinitet prema kiseoniku, što znači da i male količine CO znatno smanjuju sposobnost hemoglobina da prenosi kiseonik. Kada se CO veže za hemoglobin nastaje svetlo crveno jedinjenje koje se zove karboksihemoglobin.

Na sličan način hemoglobin ima kompetitivni afinitet prema CH^-, SO, NO₂ i S₂^-. Oni vezani za gvožđe u hemu ne menjaju njegovo oksidaciono stanje, ali izazivaju veliku toksičnost.

Uloga u bolesti

Smanjenje hemoglobina, nezavisno od promene broja eritrocita, dovodi do anemije. Uzroci anemije su različiti, iako je nedostatak gvožđa jedan od glavnih uzroka. Eritrociti tada postaju hipohromični (manjak crvenog pigmenta) i mikrocitični (manji nego normalni).

Druge anemije su retke. Jedna od takvih je srpasta anemija, koja se javlja kod afričkih i američkih crnaca. Do ovakve anemije dovodi mutantni hemoglobin, HbS u kojem je ostatak Gly A3(6)β, koji se nalazi na površini molekula hemoglobina. Deoksihemoglobin ima osobinu da se agregira u čvrsta vlakna koja se prostiru celom dužinom eritrocita. Do agregacije HbS dolazi u kapilarima, gde je pO₂ nizak, a koncentracija deoksihemoglobina visoka. Agregacija HbS deformiše eritrocite i daje im karakterističan srpasti oblik. Ovi eritrociti su manje stabilni od normalnih i lako hemolizuju.

Hemoglobin A se u manjoj meri kombinuje i sa glukozom na određenim mestima u molekulu, pri čemu nastaje Hb A_1c. Sa porastom koncentracije glukoze u krvi, raste i procenat hemoglobina A koji se pretvara u Hb A _1c. Kod dijabetičara čiji je nivo glukoze visok, procenat Hb A_1c se takođe veoma povećava. Zbog sporog kombinovanja hemoglobina A sa glukozom, procenat Hb A_1c se meri u krvi.

Uloga u dijagnostici

Merenje nivoa hemoglobina je jedan od najčešće izvođenih testova krvi. Rezultati se prikazuju u g/l, g/dl ili mol/l. Ako ukupan hemoglobin padne ispod tačno određene vrednosti nastupa anemija. Normalne vrednosti za nivo hemoglobina su:

• Žene: 12,1 — 15,1 g/dl

• Muškarci: 13,8 — 17,2 g/dl

• Deca: 11 — 16 g/dl

• Trudnice: 11 — 12 g/dl

Anemije se mogu podeliti u odnosu na veličinu eritrocita na mikrocitične (mala veličina eritrocita), normocitčne (normalna veličina eritrocita) i makrocitične (veliki eritrociti). Prilikom donacije krvi radi se test na hemoglobin.

Nivo glukoze može veoma da varira iz sata u sat, tako da samo sa jednim uzorkom glukoze pacijenta se ne mogu dobiti reprezentativni rezultati na glukozu. Zato se uzorak krvi može analizirati na nivo Hb A_1c, što daje tačnije rezultate za duži vremenski period. Normalni rezultati treba da su 6% ili manje. Ovakav test je naročito koristan za dijabetičare.

Funkcionalne razlike mioglobina i hemoglobina

Hemoglobin je alosterni protein, a mioglobin nije. Ta razlika se oslikava na tri načina:

1. Vezivanje prvog molekula kiseonika na hemoglobin pomaže vezivanje drugih molekula kiseonika u istom molekulu hemoglobina. Kiseonik se na hemoglobin vezuje kooperativno, dok to nije slučaj kod mioglobina.
2. Afinitet hemoglobina prema kiseoniku zavisi od pH, a afinitet mioglobina ne zavisi.
3. Afinitet hemoglobina prema kiseoniku određuju i organski fosfati poput difosfoglicerata. Vezivanje fosfata smanjuje afinitet hemoglobina prema kiseoniku, pa je onda on manji nego kod mioglobina.

Literatura

• Inorganic Biochemistry. 1997. |first=Cowan J.
• Atkins, W. P.. (1990). Inorganic Chemistry. 
• Garret, H. R.., Grisham C. M. (1999). Biochemistry. 
• Voet, Voet D. J. (1995). Biochemistry. 
• Campbell, MK (1999). Biochemistry (third izd.). Harcourt. ISBN 978-0-03-024426-1. 
• Eshaghian, S; Horwich, TB; Fonarow, GC (2006). „An unexpected inverse relationship between HbA1c levels and mortality in patients with diabetes and advanced systolic heart failure”. Am Heart J. 151 (1): 91.e1—91.e6. PMID 16368297. doi:10.1016/j.ahj.2005.10.008. 
• Ganong, WF (2003). Review of Medical Physiology (21st izd.). Lange. ISBN 978-0-07-140236-1. 
• Hager, T (1995). Force of Nature: The Life of Linus Pauling. Simon and Schuster. ISBN 978-0-684-80909-0. 
• Kneipp J, Balakrishnan G, Chen R, Shen TJ, Sahu SC, Ho NT, Giovannelli JL, Simplaceanu V, Ho C, Spiro T (2005). „Dynamics of allostery in hemoglobin: roles of the penultimate tyrosine H bonds”. J Mol Biol. 356 (2): 335—53. PMID 16368110. doi:10.1016/j.jmb.2005.11.006. 

Hardison, Ross C. (2012). „Evolution of Hemoglobin and Its Genes”. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2 (12): a011627. ISSN 2157-1422. PMC 3543078 . PMID 23209182. doi:10.1101/cshperspect.a011627. 

Spoljašnje veze

• National Anemia Action Council – anemia.org
• New hemoglobin type causes mock diagnosis with pulse oxymeters
• Animation of hemoglobin: from deoxy to oxy form
• Ideal Hemoglobin Level in Pregnancy
• How low can hemoglobin go before death
• Hemoglobin Level

Molimo Vas, obratite pažnju na važno upozorenje u vezi sa temama iz oblasti medicine (zdravlja).