Για να μπορέσετε να μιλήσετε εκτενώς για την αιμοσφαιρίνη (Hb), είναι χρήσιμο να αντιμετωπίσετε πρώτα την μυοσφαιρίνη (Mb) η οποία είναι πολύ παρόμοια με την αιμοσφαιρίνη αλλά είναι πολύ απλούστερη. Υπάρχουν αυστηρές σχέσεις συγγένειας μεταξύ αιμοσφαιρίνης και μυοσφαιρίνης: αμφότερες είναι συζευγμένες πρωτεΐνες και η προσθετική τους ομάδα (μη πρωτεϊνικό τμήμα) είναι η ομάδα της αιμέλης .
Η μυοσφαιρίνη είναι μια σφαιρική πρωτεΐνη που αποτελείται από μια μονή αλυσίδα περίπου εκατόν πενήντα αμινοξέων (ανάλογα με τον οργανισμό) και το μοριακό βάρος της είναι περίπου 18 Kd.
Όπως αναφέρθηκε, είναι εφοδιασμένο με μια ομάδα heme που εισάγεται σε ένα υδρόφοβο (ή λιπόφιλο) τμήμα της πρωτεΐνης, που αποτελείται από αναδιπλώσεις που αποδίδονται στις δομές α-έλικας ινωδών πρωτεϊνών.
Η μυοσφαιρίνη αποτελείται κυρίως από τμήματα α-ελίκων, που υπάρχουν σε αριθμό οκτώ και αποτελούνται, σχεδόν αποκλειστικά, από μη πολικά υπολείμματα (λευκίνη, βαλίνη, μεθειονίνη και φαινυλαλανίνη) ενώ τα πολικά υπολείμματα πρακτικά δεν υπάρχουν (ασπαρτικό οξύ, γλουταμικό οξύ, λυσίνη και αργινίνη). τα μόνα πολικά υπολείμματα είναι δύο ιστιδίνες, οι οποίες παίζουν βασικό ρόλο στην επίθεση του οξυγόνου στην ομάδα αιματίων.
Η ομάδα heme είναι μια ομάδα χρωμοφόρου (απορροφάται στο ορατό) και είναι η λειτουργική ομάδα της μυοσφαιρίνης.
Δείτε επίσης: γλυκοποιημένη αιμοσφαιρίνη - αιμοσφαιρίνη στα ούρα
Μια μικρή χημεία
Η σύνδεση μεταξύ πρωτοπορφυρίνης και σιδήρου είναι ένας τυπικός δεσμός των επονομαζόμενων ενώσεων συντονισμού που είναι χημικές ενώσεις στις οποίες ένα κεντρικό άτομο (ή ιόν) σχηματίζει δεσμούς με άλλα χημικά είδη σε αριθμό υψηλότερο από τον αριθμό οξειδώσεως του (ηλεκτρικό φορτίο). Στην περίπτωση του heme, αυτοί οι δεσμοί είναι αναστρέψιμοι και αδύναμοι.
Ο αριθμός συντονισμού (αριθμός των δεσμών συντονισμού) του σιδήρου είναι έξι: μπορεί να υπάρχουν έξι μόρια γύρω από το σίδηρο που μοιράζονται τα δεσμευτικά ηλεκτρόνια.
Για να σχηματιστεί μια ένωση συντονισμού, χρειάζονται δύο τροχιακά με σωστό προσανατολισμό: κάποιος μπορεί να "αγοράσει" ηλεκτρόνια και ο άλλος μπορεί να τα δωρίσει
Στην αίμη, ο σίδηρος σχηματίζει τέσσερις επίπεδους δεσμούς με τα τέσσερα άτομα αζώτου που είναι στο κέντρο του δακτυλίου πρωτοπορφυρίνης και έναν πέμπτο δεσμό με ένα εγγύς αζιτίδιο ιστιδίνης. ο σίδηρος έχει τον έκτο σύνδεσμο ελεύθερου συντονισμού και μπορεί να δεσμεύεται με οξυγόνο.
Όταν ο σίδηρος έχει τη μορφή ενός ελεύθερου ιόντος, όλα τα τροχιακά του τύπου d έχουν την ίδια ενέργεια. σε μυοσφαιρίνη, το ιόν σιδήρου δεσμεύεται με πρωτοπορφυρίνη και ιστιδίνη: τα είδη αυτά διαταράσσουν μαγνητικά τα τροχιακά του σιδήρου. η έκταση της διαταραχής θα είναι διαφορετική για τα διάφορα τροχιακά σύμφωνα με τον χωρικό προσανατολισμό τους και με τα ενοχλητικά είδη. Δεδομένου ότι η συνολική ενέργεια των τροχιακών πρέπει να επιστρέψει σε σταθερή κατάσταση, η διαταραχή προκαλεί έναν ενεργητικό διαχωρισμό μεταξύ των διαφόρων τροχιακών: η ενέργεια που αποκτάται από κάποια τροχιά, είναι ισοδύναμη με την ενέργεια που χάνονται από τους άλλους.
Εάν ο διαχωρισμός που συμβαίνει μεταξύ των τροχιακών δεν είναι πολύ μεγάλος, προτιμάται μια ηλεκτρονική διάταξη υψηλής περιστροφής: τα ηλεκτρόνια σύνδεσης προσπαθούν να τακτοποιηθούν σε παράλληλες περιστροφές σε διάφορα πιθανά δευτερεύοντα επίπεδα (μέγιστη πολλαπλότητα). εάν, από την άλλη πλευρά, η διατάραξη είναι πολύ δυνατή και υπάρχει μεγάλος διαχωρισμός μεταξύ των τροχιακών, μπορεί να είναι πιο βολικό να συνδυαστούν τα ηλεκτρόνια σύνδεσης στα χαμηλότερα περιθώρια ενέργειας (χαμηλή περιστροφή).
Όταν ο σίδηρος συνδέεται με το οξυγόνο, το μόριο παίρνει μια χαμηλή διάταξη περιστροφής, ενώ όταν ο σίδηρος έχει την έκτη ελεύθερη σύνδεση συντονισμού, το μόριο έχει υψηλή περιστροφή.
Χάρη σε αυτή τη διαφορά στην περιστροφή, μέσω μιας φασματικής ανάλυσης της μυοσφαιρίνης, είμαστε σε θέση να καταλάβουμε αν υπάρχει δεσμευμένο οξυγόνο (MbO2) ή όχι (Mb).
Η μυοσφαιρίνη είναι πρωτεΐνη χαρακτηριστική των μυών (αλλά όχι μόνο στους μυς).
Η μυοσφαιρίνη εξάγεται από τη φάλαινα σπέρματος στην οποία υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες και στη συνέχεια καθαρίζεται.
Τα κητοειδή έχουν αναπνοή όπως αυτή των ανθρώπων: έχοντας τους πνεύμονες πρέπει να απορροφούν αέρα μέσω της αναπνευστικής διαδικασίας. η φάλαινα του σπέρματος πρέπει να φέρει όσο το δυνατόν περισσότερο οξυγόνο στους μυς που είναι σε θέση να συσσωρεύουν οξυγόνο δεσμεύοντάς την με τη μυοσφαιρίνη που υπάρχει σε αυτά. το οξυγόνο στη συνέχεια απελευθερώνεται αργά όταν το κητοειδές βυθίζεται επειδή ο μεταβολισμός του απαιτεί οξυγόνο: τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα οξυγόνου που μπορεί να απορροφήσει η φάλαινα σπέρματος και όσο περισσότερο οξυγόνο είναι διαθέσιμη κατά τη διάρκεια της κατάδυσης.
Για να γίνει το κρέας λίγο ή πολύ κόκκινο είναι το περιεχόμενο των αιμοπρωτεϊνών (είναι το heme που κάνει το κρέας κόκκινο).
Η αιμοσφαιρίνη έχει πολλές δομικές αναλογίες με μυοσφαιρίνη και είναι ικανή να δεσμεύει αναστρέψιμα το μοριακό οξυγόνο. αλλά, ενώ η μυοσφαιρίνη περιορίζεται στους μυς και τους περιφερικούς ιστούς γενικά, η αιμοσφαιρίνη βρίσκεται στα ερυθροκύτταρα ή στα ερυθρά αιμοσφαίρια (είναι ψευδοκύτταρα, δηλαδή δεν είναι πραγματικά κύτταρα) που αποτελούν το 40% του αίματος.
Η αιμοσφαιρίνη είναι ένα τετραμερές, δηλαδή αποτελείται από τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες, το καθένα με μια ομάδα heme και δύο με δύο (σε έναν άνθρωπο υπάρχουν δύο άλφα αλυσίδες και δύο βήτα αλυσίδες).
Η κύρια λειτουργία της αιμοσφαιρίνης είναι η μεταφορά οξυγόνου . μια άλλη λειτουργία του αίματος στην οποία εμπλέκεται η αιμοσφαιρίνη είναι η μεταφορά ουσιών στους ιστούς.
Στο μονοπάτι από τους πνεύμονες (πλούσιο σε οξυγόνο) στους ιστούς, η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει οξυγόνο (ταυτόχρονα φτάνουν και οι άλλοι ουσίες στους ιστούς) ενώ στην αντίστροφη πορεία μεταφέρει μαζί τα απορρίμματα που συλλέγονται από τους ιστούς, ειδικά το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται στο μεταβολισμό.
Στην ανάπτυξη ενός ανθρώπου υπάρχουν γονίδια που εκφράζονται μόνο για μια ορισμένη χρονική περίοδο. γι 'αυτό έχουμε διαφορετικές αιμοσφαιρίνες: εμβρυϊκή, εμβρυϊκή, του ενήλικα.
Οι αλυσίδες που αποτελούν αυτές τις διαφορετικές αιμοσφαιρίνες έχουν διαφορετικές δομές αλλά με ομοιότητες η λειτουργία που εκτελούν είναι λίγο πολύ η ίδια.
Μια εξήγηση της παρουσίας αρκετών διαφορετικών αλυσίδων έχει ως εξής: κατά τη διάρκεια της εξελικτικής διαδικασίας των οργανισμών, η αιμοσφαιρίνη εξελίχθηκε εξειδικευμένη στη μεταφορά οξυγόνου από περιοχές που είναι πλούσιες σε ανεπαρκείς περιοχές. Στην αρχή της εξελικτικής αλυσίδας η αιμοσφαιρίνη έφερε οξυγόνο σε μικρούς οργανισμούς. κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, οι οργανισμοί έχουν φθάσει σε μεγαλύτερες διαστάσεις, επομένως η αιμοσφαιρίνη έχει αλλάξει ώστε να μπορεί να μεταφέρει οξυγόνο σε περιοχές πιο μακριά από το σημείο που είναι πλούσιο. για να γίνει αυτό, νέες δομές των αλυσίδων που συνιστούν αιμοσφαιρίνη έχουν κωδικοποιηθεί κατά τη διάρκεια της εξελικτικής διαδικασίας.
Η μυοσφαιρίνη δεσμεύει το οξυγόνο ακόμα και σε μέτριες πιέσεις. στους περιφερικούς ιστούς υπάρχει πίεση (PO2) περίπου 30 mmHg: σε αυτή την πίεση η μυοσφαιρίνη δεν απελευθερώνει οξυγόνο, επομένως θα ήταν αναποτελεσματική ως φορέας οξυγόνου. Η αιμοσφαιρίνη, από την άλλη πλευρά, έχει μια πιο ελαστική συμπεριφορά: δεσμεύει το οξυγόνο σε υψηλές πιέσεις και την απελευθερώνει όταν μειώνεται η πίεση.
Όταν μια πρωτεΐνη είναι λειτουργικά ενεργή, μπορεί να αλλάξει ελαφρώς το σχήμα της. για παράδειγμα, η οξυγονωμένη μυοσφαιρίνη έχει διαφορετική μορφή από τη μη οξυγονωμένη μυοσφαιρίνη και αυτή η μετάλλαξη δεν επηρεάζει τις γειτονικές.
Ο λόγος είναι διαφορετικός στην περίπτωση των συσχετιζόμενων πρωτεϊνών όπως η αιμοσφαιρίνη: όταν μια αλυσίδα είναι οξυγονωμένη προκαλείται να αλλάξει το σχήμα της αλλά αυτή η τροποποίηση είναι τρισδιάστατη, επομένως επηρεάζονται και οι άλλες αλυσίδες του τετραμέτρου. Το γεγονός ότι οι αλυσίδες συνδέονται μεταξύ τους οδηγεί στο να πιστεύουμε ότι η τροποποίηση του άλλου επηρεάζει άλλες γειτονικές, έστω και σε διαφορετικό βαθμό. όταν μια αλυσίδα είναι οξυγονωμένη, οι άλλες αλυσίδες του τετραμερούς λαμβάνουν μια "λιγότερο εχθρική στάση" απέναντι στο οξυγόνο: η δυσκολία με την οποία οξυγονούχος αλυσίδα μειώνεται καθώς οι αλυσίδες δίπλα της οξυγονίζονται. Το ίδιο επιχείρημα ισχύει και για την αποξυγόνωση.
Η τεταρτοταγής δομή της δεοξυαιμοσφαιρίνης ονομάζεται μορφή Τ (τεταμένη) ενώ η οξυαιμοσφαιρίνη ονομάζεται μορφή R (απελευθερωμένη). στην κατάσταση τεντώματος υπάρχει μία σειρά από μάλλον ισχυρές ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ οξέων αμινοξέων και βασικών αμινοξέων που οδηγούν σε μια άκαμπτη δομή δεοξυαιμοσφαιρίνης (γι 'αυτό και η «τεταμένη μορφή»), ενώ όταν δεσμεύεται το οξυγόνο, η οντότητα αυτών οι αλληλεπιδράσεις μειώνονται (γι 'αυτό και η "απελευθερωμένη φόρμα"). Περαιτέρω, απουσία οξυγόνου, το φορτίο ιστιδίνης (βλέπε δομή) σταθεροποιείται από το αντίθετο φορτίο του ασπαρτικού οξέος ενώ, παρουσία οξυγόνου, υπάρχει τάση της πρωτεΐνης να χάνει ένα πρωτόνιο. όλα αυτά σημαίνει ότι η οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη είναι ένα ισχυρότερο οξύ από ό, τι η αποξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη: αποτέλεσμα bohr .
Ανάλογα με το pH, η ομάδα του heme συνδέεται περισσότερο ή λιγότερο εύκολα με το οξυγόνο: σε ένα όξινο περιβάλλον η αιμοσφαιρίνη απελευθερώνει οξυγόνο πιο εύκολα (η τεταμένη μορφή είναι σταθερή) ενώ, σε ένα βασικό περιβάλλον, ο δεσμός με το οξυγόνο ισχυρότερη.
Κάθε αιμοσφαιρίνη απελευθερώνει 0, 7 πρωτόνια ανά εισερχόμενη ποσότητα οξυγόνου (02).
Το φαινόμενο Bohr επιτρέπει στην αιμοσφαιρίνη να βελτιώσει την ικανότητά της να μεταφέρει οξυγόνο.
Η αιμοσφαιρίνη που κάνει το ταξίδι από τους πνεύμονες στους ιστούς πρέπει να εξισορροπείται ανάλογα με την πίεση, το ρΗ και τη θερμοκρασία.
Βλέπουμε την επίδραση της θερμοκρασίας .
Η θερμοκρασία στις πνευμονικές κυψελίδες είναι περίπου 1-1, 5 ° C χαμηλότερη από την εξωτερική θερμοκρασία, ενώ στους μύες η θερμοκρασία είναι περίπου 36, 5-37 ° C. καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο συντελεστής κορεσμού μειώνεται (με την ίδια πίεση): αυτό συμβαίνει επειδή αυξάνεται η κινητική ενέργεια και ευνοείται η διάσταση.
Υπάρχουν άλλοι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την ικανότητα της αιμοσφαιρίνης να δεσμεύεται με οξυγόνο, εκ των οποίων η συγκέντρωση είναι 2, 3-διφωσφογλυκερικό .
Το 2, 3-διφωσφογλυκερικό είναι ένας μεταβολικός παράγοντας που υπάρχει στα ερυθροκύτταρα σε συγκέντρωση 4-5 mM (σε κανένα άλλο μέρος του σώματος δεν υπάρχει σε τέτοια υψηλή συγκέντρωση).
Στο φυσιολογικό ρΗ, ο 2, 3-διφωσφογλυκερικός εστέρας αποπρωτονιώνεται και έχει πέντε αρνητικά φορτία σε αυτό. πηγαίνει στη σφήνα μεταξύ των δύο βήτα αλυσίδων αιμοσφαιρίνης επειδή αυτές οι αλυσίδες έχουν υψηλή συγκέντρωση θετικών φορτίων. Οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βήτα αλυσίδων και των αλυσίδων διφωσφογλυκερικού παρέχουν μια ορισμένη ακαμψία στο σύστημα: λαμβάνεται τεταμένη δομή η οποία έχει μικρή συγγένεια για το οξυγόνο. κατά τη διάρκεια της οξυγόνωσης, τότε, αποβάλλεται ο 2, 3-διφωσφογλυκερικός εστέρας.
Στα ερυθροκύτταρα υπάρχει μια ειδική συσκευή που μετατρέπει 1, 3-διφωσφογλυκερικό εστέρα (που παράγεται από το μεταβολισμό) σε 2, 3-διφωσφογλυκερικό άλας έτσι ώστε να φθάνει σε συγκέντρωση 4-5 mM και ως εκ τούτου η αιμοσφαιρίνη μπορεί να ανταλλάξει l οξυγόνο στους ιστούς.
Η αιμοσφαιρίνη που φθάνει σε έναν ιστό είναι στην απελευθερωμένη κατάσταση (δεσμευμένη στο οξυγόνο), αλλά κοντά στον ιστό, καρβοξυλιώνεται και διέρχεται σε κατάσταση τάνυσης: η πρωτεΐνη σε αυτή την κατάσταση έχει χαμηλότερη τάση να δεσμεύεται με οξυγόνο, σε σύγκριση με την απελευθερωμένη κατάσταση, συνεπώς η αιμοσφαιρίνη απελευθερώνει οξυγόνο στον ιστό. Επιπλέον, λόγω της αντίδρασης μεταξύ ύδατος και διοξειδίου του άνθρακα, υπάρχει παραγωγή ιόντων Η +, συνεπώς περαιτέρω οξυγόνο λόγω του αποτελέσματος bohr.
Το διοξείδιο του άνθρακα διαχέεται στο ερυθροκύτταρο που διέρχεται από τη μεμβράνη πλάσματος. δεδομένου ότι τα ερυθροκύτταρα αποτελούν περίπου το 40% του αίματος, πρέπει να αναμένουμε ότι μόνο 40% του διοξειδίου του άνθρακα που διαχέεται από τους ιστούς εισέρχεται σε αυτά, στην πραγματικότητα το 90% του διοξειδίου του άνθρακα εισέρχεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια επειδή περιέχουν ένα ένζυμο που μετατρέπει διοξειδίου του άνθρακα σε ανθρακικό οξύ, προκύπτει ότι η σταθερή συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στα ερυθροκύτταρα είναι χαμηλή και επομένως η ταχύτητα εισόδου είναι υψηλή.
Ένα άλλο φαινόμενο που συμβαίνει όταν ένα ερυθροκύτταρο φθάνει σε έναν ιστό είναι το ακόλουθο: με κλίση, το HCO3- (παράγωγο διοξειδίου του άνθρακα) εξέρχεται από το ερυθροκύτταρο και, για να εξισορροπηθεί η έξοδος ενός αρνητικού φορτίου, έχουμε το είσοδος χλωριδίων που καθορίζει την αύξηση της οσμωτικής πίεσης: για να εξισορροπηθεί αυτή η διακύμανση υπάρχει επίσης η είσοδος νερού που προκαλεί διόγκωση ερυθροκυττάρων (αποτέλεσμα HAMBURGER). Το αντίθετο φαινόμενο συμβαίνει όταν φθάνει ένα ερυθροκύτταρο στις πνευμονικές κυψελίδες: εμφανίζεται αποπληθωρισμός ερυθροκυττάρων (επίδραση HALDANE). Έτσι τα φλεβικά ερυθροκύτταρα (απευθείας στους πνεύμονες) είναι πιο στρογγυλά από τα αρτηριακά.
