6A. Hemoglobin

 

 

 

Struktura hemoglobinu (Hb)

 

Funkční hemoglobin je tetramer složený ze

- 2 podjednotek α (lehké řetězce, 141 aminokyselin) a

- 2 podjednotek β (těžké řetězce, 146 aminokyselin)

- symbolicky označujeme tento tetramer jako α2 β2

 

Označuje se HbA (adult) ev. HbA1 chceme-li odlišit od minoritního (2,5%) HbA2 o složení α2 δ2 rovněž se v organismu vyskytujícího

 

V každé podjednotce je vázán jeden hem jako prostetická skupina koordinační vazbou Fe2+ na zbytky His (přímo na proximální His 93, zprostředkovaně na distální His 64)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Model hemoglobinu, v řetězcích se dále rozlišují oblasti (ramena) A – H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Struktura hemo, Fe je fysiologicky jako Fe2+, oxidace na Fe3+ je nefysiologická (místo hemu jde o hemin, místo hemoglobinu máme methemoglobin)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Funkce hemoglobinu

 

Fe2+ je vázán 4 vazbami na porfyrinový kruh, 5. koordinační místo je obsazeno proximálním His 93. Fysiologickým ligandem 6. koordinační místa je O2, vázat se mohou i jiné ligandy, velmi pevně se váže CO (otrava svítiplynem, spalinami nedokonalého hoření apod.)

 

Vazba je vratná a lze ji popsat rovnicemi

 

Hb + O2 = Hb.O2                    ev.                   Hb + CO = Hb.CO

 

Hb nazýváme dexoyHb, Hb.O2 – oxyHb, Hb.CO – karbonylHb

 

 

 

 

Formy a struktury Hb s různými ligandy. Povšimněte si vlivu obsazení 6. koordinačního místa ligandem, kdy se Fe2+ přemisťuje do roviny porfyrinového kruhu. Vedle změn elektronové struktury vidíme rovnici reakce mezi Hb, O2 a CO, hodnota K nás přesvědčí, že CO je mnohem pevněji vázán než kyslík. Přesto lze otravě zabránit eliminací CO a zvýšeným přívodem kyslíku.

 

 

 

Fysiologickou funkcí Hb je ovšem přenos kyslíku v krvi (z plic ev. žaber do tkání).

 

Stupeň nasycení Hb kyslíkem (tj. HbO2/(HbO2 + Hb)) závisí na jeho parciálním tlaku pO2 v okolním prostředí. Průběh této závislosti vidíme na dalším obrázku – červená křivka.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Závislost stupně nasycení Hb kyslíkem (Y) na pO2 – torr = 133 Pa.

 

Hb se sytí kyslíkem v plicích, uvolňuje ho v tkáních. Proces je zefektivněn kooperativitou (vzájemným ovlivněním) vazných míst pro kyslík (4 hemy v celém tetrameru). U Hb to znamená, že po navázání první molekuly kyslíku na jeden hem dochází ke konformační změně způsobující zvýšení afinity zbylých vazných míst pro kyslík – viz červená křivka. Pokud k tomuto efektu nedochází (například u myoglobinu, který je monomerem), je přenos kyslíku méně efektivní – viz modrá křivka.

 

Zíkladem pro toto chování je změna struktury vyvolaná vazbou kyslíku na Fe2+ jedné z podjednotek – viz též nahoře):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Fe2+ za sebou táhne His 93 a s ním celé raménko (úsek) F příslušného řetězce, které pak jako páka způsobí konformační změnu celé molekuly hemoglobinu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Schematické znázornění konformační změny vlivem vazby kyslíku na hem. Změna se přenese na ostatní podjednotky. Molekula Hb přechází z tesnější konformace T (tense) s nízkou afinitou ke kyslíku do uvolněné konformace R (relaxed) s vyšší afinitou. Toto chování je jedním z typů allosterie.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Modely konformačních stavů T a R

 

 

 

 

 

 

 

 

Zvýšení efektivity přenosu kyslíku je dosaženo též vlivem některých metabolitů, které působí na allosterické chování Hb jako tzv. allosterické efektory. Mimo CO2 a H+ takto působí i meziprodukt glykolýzy 2,3-bisfosfoglycerát

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Tento metabolit stabilisuje deoxy-Hb interakcí svých kyselých skupin s His 143 β-řetězců:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Tak si lze představit snazší uvolňování kyslíku při intensivnější glykolýze.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vliv pH na vazbu kyslíku na Hb.

 

Hb a HbO2 se liší acidobasickými vlastnostmi, Hb je slabší kyselinou než HbO2. Toto positivně ovlivňuje efektivitu přenosu kyslíku.

Produkce CO2 ev. laktátu v tkáních (pracující sval) zde zvyšuje [H+]. Poněvadž HbO2 je silnější kyselinou, je zde posílena jeho deoxygenace (tvoří se basičtější Hb). Naopak v plicích dochází při ventilaci CO2 ke zvýšení pH a upřednostní se oxygenace (tvorba kyselejšího HbO2).

Toto chování Hb se nazývá Bohrovým efektem (popsal dánský fysiolog Carsten Bohr, otec Nielse Bohra). Předpokládá se podobný mechanismus u translokace protonů přes membránu pomocí oxidačně-redukčních změn komplexů dýchacího řetězce nebo fotosyntetických reakčních center.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Vliv pH a CO2 na saturaci Hb. Kromě vlivu samotného rozdílu pH je patrný také specifičtější vliv CO2. množství využitelného kyslíku se zvýší o ca 11%.

 

 

 

 

CO2 produkovaný při katabolických procesech ve tkáních (sval) je částečně transportován jako HCO3- v krvi, částečně se váže na terminální –NH2 za vzniku karbamátu. První forma přispívá ke zvýšení účinnosti transportu kyslíku cestou Bohrova efektu, ve druhém případě se uplatní jako allosterický efektor – viz obr. nahoře.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fetální Hb

 

HbA je efektivní přenašeč kyslíku v organismu přijímajícím kyslík plicemi. Zárodek placentárních savců je zásobován kyslíkem přes placentu matky, kde je nižší pO2 a pro jeho efektivní využití potřebuje Hb schopný ho dostatečně vázat. Proto syntetisuje fetální Hb – HbF, tetramer o složení α2γ2.

 

 

 

 

 


Patologické hemoglobiny

 

 

HbS

 

 

6Glu-Val v β-řetězci

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Srovnání saturace HbF a HbA. Vyšší afinita HbF pro kyslík umožňuje jeho přečerpávání z placentární krve do krve plodu.

 

 

Po porodu, kdy novorozenec začne dýchat plicemi, se zastaví syntéza polypeptidového řetězce γ a začne se syntetisovat β-řetězec (je to též příkladem regulace proteosyntézy!) HbF (fetal) je degradován (novorozenecká žloutenka při intensivním odbourávání hemu) a nahrazován HbA (adult – „dospělý“).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Patologické hemoglobiny

 

 

Mutací – záměnou aminokyselin v jednotlivých řetězcích Hb dochází ke změně jejich vlastností a výskytu odlišných typů Hb – patologických, neboť jejich vlastnosti jim neumožňují fungovat potřebným způsobem.

 

Zde bude popsán pouze HbS, nazvaný tak podle projevu této poruchy – srpkovité anémie. Tato mutace spočívá v záměně 6Glu-Val v β-řetězci:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Morfologickým projevem této mutace je změněný tvar erytrocytů, které nabývají srpkovitého tvaru (sickle cells – odtud HbS). Fysiologický projev spočívá v nedokonalém transportu kyslíku v krvi – odtud srpkovitá anémie.

 

                                                                      

 

 


           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

 

                        srpkovitý erytrocyt – sickle cell                                    normální erytrocyt

 

 

Základem morfologických změn je nová vlastnost HbS. Díky přítomnosti nepolárního zbytku Val 6 vytváří místo tetrameru řetízkové aglomeráty připomínající strukturu aktinu – významné součásti cytoskeletu:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Vliv záměny 6Glu-Val na kvarterní strukturu HbS ve srovnání s HbA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Elektroforetické rozlišení jednotlivých forem Hb. HbS má o 2 Glu- méně, HbF má místo 2 His+ 2 Ser.

 

 

Nedokonalá funkce HbS znevýhodňuje nositele vadného genu (allely). Pro homozygoty (obě allely vadné) je to fatální, heterozygoti (mají 1 allelu dobrou) dlouhodobě přežívají s příznaky anémie. Přetrvávání vadné allely bylo předmětem zkoumání, zda nepřináší svému nositeli nějakou výhodu, pro kterou se stále udržuje v populaci.

Srovnávací studie přinesly zjištění, že výskyt vadné allely dobře koreluje s výskytem malárie – viz obrázek dole:

 

 

               

 

 

Další studie prokázaly, že nositelé tohoto genu vykazují větší odolnost vůči parazitu.

 

Pravděpodobným vysvětlením může být, že k tvorbě řetízků HbS a deformaci erytrocytů dochází především v kyselém prostředí. Plasmodii infikované erytrocyty vykazují vyšší produkci laktátu glykolýzou a tak jsou častěji deformovány, následně rozpoznány jako vadné a zlikvidovány.