Hemoglobina - Hemoglobin

Hemoglobină
(heterotetramer, (αβ) 2 )
1GZX Haemoglobin.png
Structura hemoglobinei umane. Subunitățile α și β sunt în roșu și, respectiv, albastru, iar grupurile hem care conțin fier în verde. Din PPB : 1GZX Proteopedia Hemoglobina
Tipul de proteine metaloproteine , globuline
Funcţie oxigen -transport
Cofactor (i) hem (4)
Numele subunității Gene Locus cromozomial
Hb-α1 HBA1 Chr. 16 p13.3
Hb-α2 HBA2 Chr. 16 p13.3
Hb-β HBB Chr. 11 p15.5

Hemoglobina sau hemoglobinei ( diferente de ortografie ) (din cuvântul grecesc αἷμα, Haima 'sânge' + latinesc globus 'minge, sfera' + -in ) ( / ˌ h I m ə ɡ l b ɪ n , h ɛ m ˌ - / ), prescurtat Hb sau Hgb , este fierul -conținând oxigenul -transport metaloproteină în celulele roșii din sânge (eritrocite) de aproape toate vertebratele (excepție fiind familia pește pește de gheață ) , precum și țesuturile unor nevertebrate . Hemoglobina din sânge transportă oxigenul din plămâni sau branhii către restul corpului (adică țesuturile). Acolo eliberează oxigenul pentru a permite respirației aerobe să furnizeze energie pentru a alimenta funcțiile organismului în procesul numit metabolism . O persoană sănătoasă are 12 până la 20 de grame de hemoglobină în fiecare 100 ml de sânge.

La mamifere , proteina reprezintă aproximativ 96% din conținutul uscat de celule roșii din sânge (în greutate) și aproximativ 35% din conținutul total (inclusiv apă). Hemoglobina are o capacitate de legare a oxigenului de 1,34 ml O 2 pe gram, ceea ce crește capacitatea totală de oxigen din sânge de șaptezeci de ori comparativ cu oxigenul dizolvat din sânge. Molecula de hemoglobină a mamiferelor poate lega (transporta) până la patru molecule de oxigen.

Hemoglobina este implicată în transportul altor gaze: transportă o parte din dioxidul de carbon respirator al organismului (aproximativ 20-25% din total) sub formă de carbaminohemoglobină , în care CO 2 este legat de proteina hem . Molecula poartă, de asemenea, importanta moleculă de reglare a oxidului nitric legat de o grupare tiol proteină globină , eliberându-l în același timp cu oxigenul.

Hemoglobina se găsește și în afara globulelor roșii din sânge și a liniilor progenitoare ale acestora. Alte celule care conțin hemoglobină includ neuronii dopaminergici A9 din substanța neagră , macrofage , celule alveolare , plămâni, epiteliu pigmentar retinal, hepatocite, celule mezangiale în rinichi, celule endometriale, celule cervicale și celule epiteliale vaginale. În aceste țesuturi, hemoglobina are o funcție care nu transportă oxigen, ca antioxidant și regulator al metabolismului fierului . Glucoza excesivă din sângele cuiva se poate atașa de hemoglobină și poate crește nivelul de hemoglobină A1c.

Hemoglobina și moleculele asemănătoare hemoglobinei se găsesc, de asemenea, în multe nevertebrate, ciuperci și plante. În aceste organisme, hemoglobinele pot transporta oxigen sau pot acționa pentru a transporta și regla alte molecule mici și ioni precum dioxidul de carbon, oxidul azotic, sulfura de hidrogen și sulfura. O variantă a moleculei, numită leghemoglobină , este utilizată pentru a îndepărta oxigenul de sistemele anaerobe , cum ar fi nodulii de fixare a azotului din plantele leguminoase , pentru ca otrăvirea cu oxigen (să dezactiveze) sistemul.

Hemoglobinemia este o afecțiune în care există un exces de hemoglobină în plasma sanguină . Acesta este un efect al hemolizei intravasculare , în care hemoglobina se separă de celulele roșii din sânge , o formă de anemie .

Istoria cercetării

Max Perutz a câștigat Premiul Nobel pentru chimie pentru munca sa de determinare a structurii moleculare a hemoglobinei și mioglobinei

În 1825, Johann Friedrich Engelhart a descoperit că raportul dintre fier și proteine ​​este identic în hemoglobinele mai multor specii. Din masa atomică de fier cunoscută, el a calculat masa moleculară a hemoglobinei la n × 16000 ( n = numărul de atomi de fier per hemoglobină, cunoscut acum ca fiind 4), prima determinare a masei moleculare a unei proteine. Această „concluzie pripită” a atras atunci o mulțime de ridicol de la oamenii de știință cărora nu le venea să creadă că orice moleculă ar putea fi atât de mare. Gilbert Smithson Adair a confirmat rezultatele lui Engelhart în 1925 prin măsurarea presiunii osmotice a soluțiilor de hemoglobină.

Proprietatea purtătoare de oxigen a hemoglobinei a fost descrisă de Hünefeld în 1840. În 1851, fiziologul german Otto Funke a publicat o serie de articole în care a descris creșterea cristalelor de hemoglobină prin diluarea succesivă a globulelor roșii cu un solvent precum apa pură, alcoolul sau eterul. , urmată de evaporarea lentă a solventului din soluția de proteină rezultată. Oxigenarea reversibilă a hemoglobinei a fost descrisă câțiva ani mai târziu de Felix Hoppe-Seyler .

In 1959, Max Perutz a determinat structura moleculară a hemoglobinei prin cristalografie cu raze X . Această lucrare a avut ca rezultat împărtășirea cu John Kendrew a Premiului Nobel pentru chimie din 1962 pentru studiile lor asupra structurilor proteinelor globulare.

Rolul hemoglobinei în sânge a fost elucidat de fiziologul francez Claude Bernard . Denumirea de hemoglobină este derivată din cuvintele hem și globină , reflectând faptul că fiecare subunitate a hemoglobinei este o proteină globulară cu un grup hem încorporat . Fiecare grup hemic conține un atom de fier, care poate lega o moleculă de oxigen prin forțe dipolice induse de ioni. Cel mai frecvent tip de hemoglobină la mamifere conține patru astfel de subunități.

Genetica

Hemoglobina este formată din subunități proteice ( moleculele globinei ), iar aceste proteine, la rândul lor, sunt lanțuri pliate ale unui număr mare de aminoacizi diferiți numiți polipeptide . Secvența de aminoacizi a oricărui polipeptid creat de o celulă este determinată la rândul ei de întinderile de ADN numite gene. În toate proteinele, secvența de aminoacizi determină proprietățile și funcțiile chimice ale proteinelor.

Există mai multe gene ale hemoglobinei: la om, hemoglobina A (principala formă de hemoglobină prezentă la adult) este codificată de gene, HBA1 , HBA2 și HBB . Subunitatea de hemoglobină alfa 1 și alfa 2 sunt codificate de genele HBA1 și respectiv HBA2 , care sunt ambele pe cromozomul 16 și sunt apropiate unele de altele. Subunitatea beta a hemoglobinei este codificată de gena HBB care se află pe cromozomul 11. Secvențele de aminoacizi ale proteinelor globinei din hemoglobine diferă de obicei între specii. Aceste diferențe cresc odată cu distanța evolutivă între specii. De exemplu, cele mai frecvente secvențe de hemoglobină la oameni, bonoboși și cimpanzei sunt complet identice, fără nici măcar o singură diferență de aminoacizi în lanțurile proteice alfa sau beta globină. În timp ce hemoglobina umană și gorilă diferă într-un aminoacid atât în ​​lanțurile alfa, cât și în lanțul beta, aceste diferențe cresc mai mult între speciile mai puțin înrudite.

Chiar și în cadrul unei specii, există variante de hemoglobină, deși o secvență este de obicei „cea mai comună” la fiecare specie. Mutațiile în genele pentru hemoglobină proteinei la o specie ca rezultat variante ale hemoglobinei . Multe dintre aceste forme mutante de hemoglobină nu cauzează boli. Unele dintre aceste forme mutante de hemoglobină, totuși, provoacă un grup de boli ereditare numite hemoglobinopatii . Cea mai cunoscută hemoglobinopatie este boala falciformă , care a fost prima boală umană al cărei mecanism a fost înțeles la nivel molecular. Un set (majoritar) separat de boli numite talasemii implică subproducția hemoglobinelor normale și uneori anormale, prin probleme și mutații în reglarea genei globinei . Toate aceste boli produc anemie .

Alinierea proteinelor proteinelor hemoglobinei umane, subunităților alfa, beta și, respectiv, delta. Alinierile au fost create folosind instrumentul de aliniere UniProt disponibil online.

Variațiile secvențelor de aminoacizi ale hemoglobinei, ca și în cazul altor proteine, pot fi adaptative. De exemplu, s-a constatat că hemoglobina se adaptează în diferite moduri la altitudini mari. Organismele care trăiesc la cote înalte se confruntă cu presiuni parțiale mai mici de oxigen comparativ cu cele de la nivelul mării. Acest lucru prezintă o provocare pentru organismele care locuiesc în astfel de medii, deoarece hemoglobina, care leagă în mod normal oxigenul la presiuni parțiale ridicate de oxigen, trebuie să poată lega oxigenul atunci când este prezent la o presiune mai mică. Diferite organisme s-au adaptat la o astfel de provocare. De exemplu, studii recente au sugerat variante genetice la șoareci de căprioară care ajută la explicarea modului în care șoarecii de căprioară care trăiesc în munți sunt capabili să supraviețuiască în aerul subțire care însoțește altitudini mari. Un cercetător de la Universitatea din Nebraska-Lincoln a descoperit mutații în patru gene diferite care pot explica diferențele dintre șoarecii de cerb care trăiesc în preriile de câmpie față de munți. După examinarea șoarecilor sălbatici capturați atât din zonele înalte cât și din zonele joase, s-a constatat că: genele celor două rase sunt „practic identice - cu excepția celor care guvernează capacitatea de transport a oxigenului hemoglobinei lor”. „Diferența genetică permite șoarecilor de pe Highland să utilizeze mai eficient oxigenul lor”, deoarece este disponibilă mai puțină la altitudini mai mari, cum ar fi cele din munți. Hemoglobina mamut prezintă mutații care permiteau livrarea oxigenului la temperaturi mai scăzute, permițând astfel mamuților să migreze către latitudini mai mari în timpul Pleistocenului . Acest lucru a fost găsit și la colibri care locuiesc în Anzi. Colibriii cheltuiesc deja multă energie și, prin urmare, au o cerere ridicată de oxigen și, totuși, s-a constatat că păsările coline andine prosperă la altitudini mari. Mutațiile non-sinonime ale genei hemoglobinei la mai multe specii care trăiesc la cote mari ( Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas și A. viridicuada ) au determinat proteina să aibă o afinitate mai mică pentru inozitol hexafosfat (IHP) ), o moleculă găsită la păsări care are un rol similar cu 2,3-BPG la om; aceasta are ca rezultat capacitatea de a lega oxigenul la presiuni parțiale mai mici.

Plămânii circulatori unici ai păsărilor promovează, de asemenea, utilizarea eficientă a oxigenului la presiuni parțiale mici de O 2 . Aceste două adaptări se consolidează reciproc și explică performanțele remarcabile la mare altitudine ale păsărilor.

Adaptarea hemoglobinei se extinde și asupra oamenilor. Există o rată mai mare de supraviețuire a descendenților în rândul femeilor tibetane cu genotipuri de saturație ridicată de oxigen care locuiesc la 4.000 m. Selecția naturală pare să fie principala forță care lucrează la această genă, deoarece rata mortalității descendenților este semnificativ mai scăzută pentru femeile cu afinitate mai mare de hemoglobină-oxigen în comparație cu rata de mortalitate a descendenților de la femeile cu afinitate mică de hemoglobină-oxigen. În timp ce genotipul și mecanismul exact prin care se produce acest lucru nu sunt încă clare, selecția acționează asupra capacității acestor femei de a lega oxigenul la presiuni parțiale scăzute, ceea ce le permite în general să susțină mai bine procesele metabolice cruciale.

Sinteză

Hemoglobina (Hb) este sintetizată într-o serie complexă de etape. Partea hemului este sintetizată într-o serie de etape în mitocondrii și în citosolul globulelor roșii imature, în timp ce părțile proteinei globinei sunt sintetizate de ribozomi în citosol. Producția de Hb continuă în celulă de-a lungul dezvoltării sale timpurii de la proeritroblast până la reticulocitul din măduva osoasă . În acest moment, nucleul se pierde în globulele roșii din mamifere, dar nu și în păsări și multe alte specii. Chiar și după pierderea nucleului la mamifere, ARN ribozomal rezidual permite sinteza suplimentară a Hb până când reticulocitul își pierde ARN-ul la scurt timp după intrarea în vasculatură (acest ARN sintetic de hemoglobină conferă reticulocitului aspectul și denumirea reticulată).

Structura hemului

Grupul Heme b

Hemoglobina are o structură cuaternară caracteristică multor proteine ​​globulare multi-subunitare. Majoritatea aminoacizilor din hemoglobină formează spirale alfa , iar aceste spirale sunt conectate prin segmente scurte neelicoidale. Legăturile de hidrogen stabilizează secțiunile elicoidale din interiorul acestei proteine, provocând atracții în moleculă, ceea ce face ca fiecare lanț polipeptidic să se plieze într-o formă specifică. Structura cuaternară a hemoglobinei provine din cele patru subunități ale sale, într-un aranjament tetraedric.

La majoritatea vertebratelor, molecula de hemoglobină este un ansamblu de patru subunități proteice globulare . Fiecare subunitate este compusă dintr - o proteină cu lanț strâns asociat cu un non-proteină prostetică heme grup. Fiecare lanț proteic se aranjează într-un set de segmente structurale alfa-helix conectate între ele într-un aranjament de pliere a globinei . Un astfel de nume este dat deoarece acest aranjament este același motiv de pliere utilizat în alte proteine ​​hemo / globină, cum ar fi mioglobina . Acest model de pliere conține un buzunar care leagă puternic grupul hem.

Un grup hem este format dintr-un ion fier (Fe) ținut într-un inel heterociclic , cunoscut sub numele de porfirină . Acest inel de porfirină este format din patru molecule de pirol legate ciclic între ele (prin punți de metină ) cu ionul de fier legat în centru. Ionul de fier, care este locul legării oxigenului, se coordonează cu cei patru atomi de azot din centrul inelului, care se află într-un singur plan. Fierul este legat puternic (covalent) de proteina globulară prin intermediul atomilor N ai inelului imidazol al reziduului de histidină F8 (cunoscut și sub numele de histidină proximală) sub inelul porfirină. O a șasea poziție poate lega reversibil oxigenul printr-o legătură covalentă coordonată , completând grupul octaedric de șase liganzi. Această legătură reversibilă cu oxigenul este motivul pentru care hemoglobina este atât de utilă pentru transportul oxigenului în jurul corpului. Oxigenul se leagă într-o geometrie „îndoită la capăt” în care un atom de oxigen se leagă de Fe și celălalt iese în unghi. Când oxigenul nu este legat, o moleculă de apă foarte slab legată umple locul, formând un octaedru distorsionat .

Chiar dacă dioxidul de carbon este transportat de hemoglobină, acesta nu concurează cu oxigenul pentru pozițiile de legare a fierului, ci este legat de grupările aminice ale lanțurilor de proteine ​​atașate grupurilor hem.

Ionul de fier poate fi fie în starea Fe 2+ feros, fie în starea Fe 3+ feric , dar ferrihemoglobina ( methemoglobina ) (Fe 3+ ) nu poate lega oxigenul. La legare, oxigenul se oxidează temporar și reversibil (Fe 2+ ) la (Fe 3+ ) în timp ce oxigenul se transformă temporar în ion superoxid , astfel fierul trebuie să existe în starea de oxidare +2 pentru a lega oxigenul. Dacă ionul superoxid asociat Fe 3+ este protonat, fierul de hemoglobină va rămâne oxidat și incapabil de a lega oxigenul. În astfel de cazuri, enzima methemoglobin reductază va putea în cele din urmă să reactiveze methemoglobina prin reducerea centrului de fier.

La omul adult, cel mai frecvent tip de hemoglobină este un tetramer (care conține patru proteine ​​de subunitate) numit hemoglobină A , format din două subunități α și două subunități β legate ne-covalent, fiecare formată din 141 și respectiv 146 de resturi de aminoacizi. Aceasta este notată ca α 2 β 2 . Subunitățile sunt similare din punct de vedere structural și aproximativ de aceeași dimensiune. Fiecare subunitate are o greutate moleculară de aproximativ 16.000  daltoni , pentru o greutate moleculară totală a tetramerului de aproximativ 64.000 daltoni (64.458 g / mol). Astfel, 1 g / dL = 0,1551 mmol / L. Hemoglobina A este cea mai intens studiată dintre moleculele de hemoglobină.

La sugarii umani, molecula de hemoglobină este formată din 2 lanțuri α și 2 lanțuri γ. Lanțurile gamma sunt înlocuite treptat cu lanțuri β pe măsură ce copilul crește.

Cele patru lanțuri polipeptidice sunt legate între ele prin punți de sare , legături de hidrogen și efectul hidrofob .

Saturare cu oxigen

În general, hemoglobina poate fi saturată cu molecule de oxigen (oxihemoglobină) sau desaturată cu molecule de oxigen (deoxihemoglobina).

Oxihemoglobina

Oxigenoglobina se formează în timpul respirației fiziologice atunci când oxigenul se leagă de componenta hem a proteinei hemoglobinei din celulele roșii din sânge. Acest proces are loc în capilarele pulmonare adiacente alveolelor plămânilor. Oxigenul se deplasează apoi prin fluxul sanguin pentru a fi lăsat în celulele unde este utilizat ca acceptor terminal de electroni în producția de ATP prin procesul de fosforilare oxidativă . Cu toate acestea, nu ajută la contracararea scăderii pH-ului sanguin. Ventilația sau respirația pot inversa această afecțiune prin îndepărtarea dioxidului de carbon , provocând astfel o creștere a pH-ului.

Hemoglobina există în două forme, o formă tensionată (tensionată) (T) și o formă relaxată (R). Diversi factori precum pH scăzut, CO 2 ridicat și 2,3 BPG ridicat la nivelul țesuturilor favorizează forma tensionată, care are o afinitate scăzută de oxigen și eliberează oxigen în țesuturi. In schimb, un pH ridicat, scăzut de CO 2 , sau redus 2,3 BPG favorizează forma relaxat, care poate mai bine de oxigen se leaga. Presiunea parțială a sistemului afectează, de asemenea, afinitatea O 2 unde, la presiuni parțiale ridicate de oxigen (cum ar fi cele prezente în alveole), este favorizată starea relaxată (afinitate mare, R). Invers, la presiuni parțiale scăzute (cum ar fi cele prezente în țesuturile respiratorii), este favorizată starea tensionată (afinitate scăzută, T). În plus, legarea oxigenului la hemul de fier (II) trage fierul în planul inelului de porfirină, provocând o ușoară deplasare conformațională. Schimbarea încurajează oxigenul să se lege de cele trei unități hemo rămase în hemoglobină (astfel, legarea oxigenului este cooperantă).

Hemoglobina dezoxigenată

Hemoglobina dezoxigenată este forma hemoglobinei fără oxigen legat. Spectrele de absorbție ale oxihemoglobină și deoxyhemoglobin diferite. Oxihemoglobina are o absorbție semnificativ mai mică a lungimii de undă de 660 nm decât deoxihemoglobina, în timp ce la 940 nm absorbția sa este puțin mai mare. Această diferență este utilizată pentru măsurarea cantității de oxigen din sângele unui pacient de către un instrument numit puls oximetru . Această diferență explică, de asemenea, prezentarea cianozei , culoarea albastră-purpurie pe care o dezvoltă țesuturile în timpul hipoxiei .

Hemoglobina dezoxigenată este paramagnetică ; este slab atras de câmpurile magnetice . În schimb, hemoglobina oxigenată prezintă diamagnetism , o respingere slabă de la un câmp magnetic.

Evoluția hemoglobinei vertebratelor

Oamenii de știință sunt de acord că evenimentul care a separat mioglobina de hemoglobină a avut loc după ce lamprele s-au divergut de vertebratele cu fălci . Această separare a mioglobinei și a hemoglobinei a permis apariția și dezvoltarea diferitelor funcții ale celor două molecule: mioglobina are mai mult de-a face cu stocarea oxigenului, în timp ce hemoglobina este însărcinată cu transportul oxigenului. Genele globinei asemănătoare α și β codifică subunitățile individuale ale proteinei. Predecesorii acestor gene au apărut printr-un alt eveniment de duplicare, de asemenea, după strămoșul comun gnatozom derivat din pești fără fălci, acum aproximativ 450-500 de milioane de ani. Studiile de reconstrucție ancestrală sugerează că strămoșul preduplicării genelor α și β a fost un dimer format din subunități identice de globină, care a evoluat apoi pentru a se asambla într-o arhitectură tetramerică după duplicare. Dezvoltarea genelor α și β a creat potențialul ca hemoglobina să fie compusă din mai multe subunități distincte, o compoziție fizică centrală a capacității hemoglobinei de a transporta oxigenul. Având mai multe subunități contribuie la capacitatea hemoglobinei de a lega oxigenul în mod cooperant, precum și de a fi reglementată alosteric. Ulterior, gena α a suferit , de asemenea , un eveniment de dublare pentru a forma HbA1 și HBA2 genelor. Aceste duplicări și divergențe suplimentare au creat o gamă diversă de gene de globină α și β, care sunt reglementate astfel încât anumite forme să apară în diferite stadii de dezvoltare.

Majoritatea peștilor de gheață din familia Channichthyidae și- au pierdut genele de hemoglobină ca adaptare la apa rece.

Starea de oxidare a fierului în oxihemoglobină

Atribuirea stării de oxidare a hemoglobinei oxigenate este dificilă, deoarece oxihemoglobina (Hb-O 2 ), prin măsurare experimentală, este diamagnetică (fără electroni net nepereche), totuși configurațiile electronice cu cea mai mică energie (stare de bază) atât în ​​oxigen cât și în fier sunt paramagnetice (sugerând cel puțin un electron nepereche din complex). Cea mai mică energie a oxigenului și cele mai mici forme de energie ale stărilor relevante de oxidare ale fierului sunt următoarele:

  • Oxigenul triplet , specia de oxigen molecular cu cea mai mică energie, are doi electroni nepereche în orbitalele moleculare π * anticorp.
  • Fierul (II) tinde să existe într-o configurație 3d 6 cu rotire ridicată cu patru electroni nepereche.
  • Fierul (III) (3d 5 ) are un număr impar de electroni și, prin urmare, trebuie să aibă unul sau mai mulți electroni nepereche, în orice stare de energie.

Toate aceste structuri sunt paramagnetice (au electroni nepereche), nu diamagnetice. Astfel, trebuie să existe o distribuție non-intuitivă (de exemplu, o energie mai mare pentru cel puțin o specie) a electronilor în combinația de fier și oxigen, pentru a explica diamagnetismul observat și lipsa electronilor nepereche.

Cele două posibilități logice de a produce Hb-O 2 diamagnetic (fără rotire netă) sunt:

  1. Fe 2+ cu rotire redusă se leagă de oxigenul singlet . Atât fierul cu rotire redusă, cât și oxigenul singlet sunt diamagnetice. Cu toate acestea, forma singletă a oxigenului este forma cu energie mai mare a moleculei.
  2. Fe 3+ cu spin redus se leagă de O 2 • - ( ionul superoxid ) și cei doi electroni nepereche se cuplează antiferromagnetic, dând proprietăți diamagnetice observate. Aici, fierul a fost oxidat (a pierdut un electron), iar oxigenul a fost redus (a câștigat un electron).

Un alt model posibil în care Fe 4+ cu spin redus se leagă de peroxid, O 2 2− , poate fi exclus de la sine, deoarece fierul este paramagnetic (deși ionul peroxid este diamagnetic). Aici, fierul a fost oxidat de doi electroni, iar oxigenul redus cu doi electroni.

Date experimentale directe:

Astfel, cea mai apropiată stare de oxidare formală a fierului în Hb-O 2 este starea +3, cu oxigen în starea −1 (ca superoxid . O 2 - ). Diamagnetismul din această configurație provine din electronul unic nepereche pe superoxid care se aliniază antiferromagnetic cu singurul electron nepereche pe fier (într-o stare cu 5 rotiri reduse ), pentru a nu oferi niciun spin net întregii configurații, în conformitate cu oxihemoglobina diamagnetică din experiment .

A doua alegere a posibilităților logice de mai sus pentru ca oxihemoglobina diamagnetică să fie găsită corectă prin experiment, nu este surprinzătoare: oxigenul singlet (posibilitatea # 1) este o stare energetică nerealist de mare. Modelul 3 conduce la o separare nefavorabilă a sarcinii (și nu este de acord cu datele magnetice), deși ar putea aduce o contribuție minoră ca formă de rezonanță . Trecerea fierului la o stare de oxidare mai mare în Hb-O 2 scade dimensiunea atomului și îl permite în planul inelului de porfirină, atrăgând restul de histidină coordonat și inițierea modificărilor alosterice observate în globuline.

Primele postulate ale chimiștilor bio-anorganici susțineau că posibilitatea # 1 (de mai sus) era corectă și că fierul ar trebui să existe în starea de oxidare II. Această concluzie părea probabilă, deoarece starea de oxidare a fierului III ca methemoglobină , atunci când nu este însoțită de superoxid . O 2 - pentru a „reține” electronul de oxidare, se știa că face hemoglobina incapabilă de a lega tripletul normal O 2 așa cum apare în aer. S-a presupus astfel că fierul a rămas ca Fe (II) atunci când oxigenul gazos a fost legat în plămâni. Chimia fierului în acest model clasic anterior a fost elegantă, dar nu a fost niciodată explicată prezența necesară a moleculei diamagnetice, cu energie ridicată, a oxigenului singlet. S-a argumentat în mod clasic că legarea unei molecule de oxigen a plasat fierul cu spin mare (II) într-un câmp octaedric de liganzi cu câmp puternic; această schimbare de câmp ar crește energia de divizare a câmpului de cristal , determinând electronii fierului să se împerecheze în configurația cu rotire redusă, care ar fi diamagnetică în Fe (II). Se pare că această asociere forțată cu rotire redusă se întâmplă în fier când se leagă oxigenul, dar nu este suficientă pentru a explica schimbarea dimensiunii fierului. Extracția unui electron suplimentar din fier de către oxigen este necesară pentru a explica atât dimensiunea mai mică a fierului, cât și starea de oxidare crescută observată, precum și legătura mai slabă a oxigenului.

Atribuirea unei stări de oxidare a numărului întreg este un formalism, deoarece legăturile covalente nu sunt obligate să aibă ordine perfecte de legătură care implică transfer de electroni întregi. Astfel, toate cele trei modele pentru Hb-O 2 paramagnetic pot contribui într-o oarecare măsură (prin rezonanță) la configurația electronică efectivă a Hb-O 2 . Cu toate acestea, modelul de fier din Hb-O 2 fiind Fe (III) este mai corect decât ideea clasică că rămâne Fe (II).

Cooperativitate

Un model vizual schematic al procesului de legare a oxigenului, care prezintă toți cei patru monomeri și heme , precum și lanțurile de proteine doar ca bobine diagrammatice, pentru a facilita vizualizarea în moleculă. Oxigenul nu este prezentat în acest model, dar, pentru fiecare dintre atomii de fier , se leagă de fierul (sfera roșie) din hemul plat . De exemplu, în partea stângă sus a celor patru heme prezentate, oxigenul se leagă la stânga atomului de fier prezentat în partea stângă sus a diagramei. Acest lucru face ca atomul de fier să se deplaseze înapoi în hemul care îl ține (fierul se mișcă în sus când leagă oxigenul, în această ilustrație), trăgând reziduul de histidină (modelat ca un pentagon roșu în dreapta fierului) mai aproape, deoarece face. Aceasta, la rândul său, atrage lanțul proteic care ține histidina .

Când oxigenul se leagă de complexul de fier, acesta determină deplasarea atomului de fier spre centrul planului inelului de porfirină (vezi diagrama în mișcare). În același timp, lanțul lateral imidazol al reziduului de histidină care interacționează la celălalt pol al fierului este tras spre inelul porfirină. Această interacțiune forțează planul inelului lateral spre exteriorul tetramerului și, de asemenea, induce o tulpină în helixul proteic care conține histidina pe măsură ce se apropie de atomul de fier. Această tulpină este transmisă celor trei monomeri rămași din tetramer, unde induce o schimbare conformațională similară în celelalte situri hem, astfel încât legarea oxigenului la aceste situri devine mai ușoară.

Pe măsură ce oxigenul se leagă de un monomer de hemoglobină, conformația tetramerului se deplasează de la starea T (tensionată) la starea R (relaxată). Această schimbare promovează legarea oxigenului la celelalte trei grupe hemo ale monomerului, saturând astfel molecula de hemoglobină cu oxigen.

În forma tetramerică a hemoglobinei adulte normale, legarea oxigenului este, prin urmare, un proces cooperant . Afinitatea de legare a hemoglobinei pentru oxigen este crescută de saturația de oxigen a moleculei, primele molecule de oxigen legate influențând forma locurilor de legare pentru următoarele, într-un mod favorabil legării. Această legare cooperativă pozitivă se realizează prin modificări conformaționale sterice ale complexului proteic al hemoglobinei, așa cum sa discutat mai sus; adică, atunci când o proteină de subunitate din hemoglobină se oxigenează, se inițiază o schimbare conformațională sau structurală în întregul complex, determinând celelalte subunități să câștige o afinitate crescută pentru oxigen. În consecință, curba de legare a oxigenului a hemoglobinei este sigmoidală sau în formă de S , spre deosebire de curba hiperbolică normală asociată cu legarea necooperativă.

A fost discutat mecanismul dinamic al cooperativității în hemoglobină și relația sa cu rezonanța de frecvență joasă .

Legare pentru liganzi, altele decât oxigenul

În afară de ligandul oxigenului , care se leagă de hemoglobină într-o manieră cooperantă, liganzii hemoglobinei includ și inhibitori competitivi precum monoxidul de carbon (CO) și liganzii alosterici precum dioxidul de carbon (CO 2 ) și oxidul azotic (NO). Dioxidul de carbon este legat de grupările amino ale proteinelor globinei pentru a forma carbaminohemoglobina ; se crede că acest mecanism reprezintă aproximativ 10% din transportul dioxidului de carbon la mamifere. Oxidul nitric poate fi transportat și de hemoglobină; este legat de grupuri tiol specifice din proteina globinei pentru a forma un S-nitrozotiol, care se disociază în oxid nitric liber și tiol din nou, deoarece hemoglobina eliberează oxigen din situl său hem. Se presupune că acest transport de oxid nitric către țesuturile periferice ajută la transportul oxigenului în țesuturi, prin eliberarea de oxid nitric vasodilatator către țesuturile în care nivelurile de oxigen sunt scăzute.

Competitiv

Legarea oxigenului este afectată de molecule precum monoxidul de carbon (de exemplu, de la fumatul tutunului , gazele de eșapament și arderea incompletă în cuptoare). CO concurează cu oxigenul la locul de legare a hemului. Afinitatea de legare a hemoglobinei pentru CO este de 250 de ori mai mare decât afinitatea sa pentru oxigen, ceea ce înseamnă că cantități mici de CO reduc dramatic capacitatea hemoglobinei de a furniza oxigen către țesutul țintă. Deoarece monoxidul de carbon este un gaz incolor, inodor și fără gust și reprezintă o amenințare potențial fatală, detectoarele de monoxid de carbon au devenit disponibile comercial pentru a avertiza asupra nivelurilor periculoase din reședințe. Atunci când hemoglobina se combină cu CO, formează un compus roșu foarte strălucit numit carboxihemoglobină , care poate face ca pielea victimelor otrăvirii cu CO să apară roz în moarte, în loc de alb sau albastru. Când aerul inspirat conține niveluri de CO de până la 0,02%, apar dureri de cap și greață ; dacă concentrația de CO este crescută la 0,1%, va urma inconștiența. La fumătorii înalți, până la 20% din siturile active în oxigen pot fi blocate de CO.

În mod similar, hemoglobina are, de asemenea, afinitate de legare competitivă pentru cianură (CN - ), monoxid de sulf (SO) și sulfură (S 2− ), inclusiv hidrogen sulfurat (H 2 S). Toate acestea se leagă de fier în hem fără a-și schimba starea de oxidare, dar inhibă totuși legarea oxigenului, provocând toxicitate gravă.

Atomul de fier din grupul hem trebuie să fie inițial în starea de oxidare feroasă (Fe 2+ ) pentru a susține legarea și transportul oxigenului și altor gaze (trece temporar la feric în timpul în care oxigenul este legat, așa cum s-a explicat mai sus). Oxidarea inițială la starea ferică (Fe 3+ ) fără oxigen transformă hemoglobina în „hem i globin” sau methemoglobină , care nu poate lega oxigenul. Hemoglobina din celulele roșii normale este protejată de un sistem de reducere pentru a împiedica acest lucru. Oxidul nitric este capabil să transforme o mică parte din hemoglobină în methemoglobină în celulele roșii din sânge. Cea din urmă reacție este o activitate rămășiță a funcției de oxigen azotic dioxigenază mai veche a globinelor.

Alosteric

Carbon di oxid ocupă un situs de legare diferit asupra hemoglobinei. La țesuturi, unde concentrația de dioxid de carbon este mai mare, dioxidul de carbon se leagă de locul alosteric al hemoglobinei, facilitând descărcarea oxigenului din hemoglobină și, în cele din urmă, îndepărtarea acestuia din corp după ce oxigenul a fost eliberat în țesuturile supuse metabolismului. Această afinitate crescută pentru dioxidul de carbon de către sângele venos este cunoscută sub numele de efect Bohr . Prin enzima anhidrază carbonică , dioxidul de carbon reacționează cu apa pentru a da acid carbonic , care se descompune în bicarbonat și protoni :

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → HCO 3 - + H +
Forma sigmoidală a curbei de disociere a oxigenului hemoglobinei rezultă din legarea cooperativă a oxigenului de hemoglobină.

Prin urmare, sângele cu niveluri ridicate de dioxid de carbon are, de asemenea, un pH mai scăzut (mai acid ). Hemoglobina poate lega protonii și dioxidul de carbon, ceea ce provoacă o schimbare conformațională a proteinei și facilitează eliberarea de oxigen. Protonii se leagă în diferite locuri ale proteinei, în timp ce dioxidul de carbon se leagă la grupa α-amino. Dioxidul de carbon se leagă de hemoglobină și formează carbaminohemoglobina . Această scădere a afinității hemoglobinei pentru oxigen prin legarea dioxidului de carbon și a acidului este cunoscută sub numele de efect Bohr . Efectul Bohr favorizează mai degrabă starea T decât starea R. (deplasează curba de saturare O 2 la dreapta ). În schimb, atunci când nivelurile de dioxid de carbon din sânge scad (adică în capilarele pulmonare), dioxidul de carbon și protonii sunt eliberați din hemoglobină, crescând afinitatea de oxigen a proteinei. O reducere a capacității totale de legare a hemoglobinei la oxigen (adică deplasarea curbei în jos, nu doar spre dreapta) datorită pH-ului redus se numește efect de rădăcină . Acest lucru se vede la peștii osoși.

Este necesar ca hemoglobina să elibereze oxigenul pe care îl leagă; dacă nu, nu are rost să o legăm. Curba sigmoidală a hemoglobinei o face eficientă în legare (preluarea de O 2 în plămâni) și eficientă în descărcare (descărcarea de O 2 în țesuturi).

La persoanele aclimatizate la altitudini mari, concentrația de 2,3-bifosfoglicerat (2,3-BPG) din sânge este crescută, ceea ce permite acestor indivizi să livreze o cantitate mai mare de oxigen către țesuturi în condiții de tensiune mai mică a oxigenului . Acest fenomen, în care molecula Y afectează legarea moleculei X de o moleculă de transport Z, se numește efect alosteric heterotrop . Hemoglobina din organismele de la altitudini mari s-a adaptat, de asemenea, astfel încât să aibă o afinitate mai mică pentru 2,3-BPG și astfel proteina va fi deplasată mai mult spre starea sa R. În starea sa R, hemoglobina va lega oxigenul mai ușor, permițând astfel organismelor să efectueze procesele metabolice necesare atunci când oxigenul este prezent la presiuni parțiale scăzute.

Animalele, altele decât oamenii, folosesc molecule diferite pentru a se lega de hemoglobină și pentru a-și schimba afinitatea de O 2 în condiții nefavorabile. Peștii folosesc atât ATP, cât și GTP . Acestea se leagă de un „buzunar” de fosfat de pe molecula de hemoglobină a peștilor, care stabilizează starea tensionată și, prin urmare, scade afinitatea de oxigen. GTP reduce afinitatea cu oxigenul hemoglobinei mult mai mult decât ATP, despre care se crede că se datorează unei legături suplimentare de hidrogen formate care stabilizează și mai mult starea tensionată. În condiții hipoxice, concentrația atât a ATP cât și a GTP este redusă în celulele roșii din sânge pentru a crește afinitatea cu oxigenul.

O variantă de hemoglobină, numită hemoglobină fetală (HbF, α 2 γ 2 ), se găsește la fătul în curs de dezvoltare și leagă oxigenul cu afinitate mai mare decât hemoglobina adultă. Aceasta înseamnă că curba de legare a oxigenului pentru hemoglobina fetală este deplasată spre stânga (adică, un procent mai mare de hemoglobină are oxigen legat de aceasta la o tensiune mai mică de oxigen), în comparație cu cea a hemoglobinei adulte. Drept urmare, sângele fetal din placentă este capabil să preia oxigen din sângele matern.

Hemoglobina transportă, de asemenea, oxidul azotic (NO) în partea globinei moleculei. Acest lucru îmbunătățește livrarea de oxigen în periferie și contribuie la controlul respirației. NO se leagă reversibil la un reziduu specific de cisteină din globină; legarea depinde de starea (R sau T) a hemoglobinei. Hemoglobina S-nitrozilată rezultată influențează diverse activități legate de NO, cum ar fi controlul rezistenței vasculare, a tensiunii arteriale și a respirației. NU nu este eliberat în citoplasma celulelor roșii din sânge, ci este transportat din ele de către un schimbător de anioni numit AE1 .

Tipuri la oameni

Variantele de hemoglobină fac parte din dezvoltarea embrionară și fetală normală . Ele pot fi, de asemenea, forme mutante patologice ale hemoglobinei la o populație , cauzate de variații ale geneticii. Unele variante bine cunoscute de hemoglobină, cum ar fi anemia falciformă , sunt responsabile de boli și sunt considerate hemoglobinopatii . Alte variante nu cauzează nicio patologie detectabilă și, prin urmare, sunt considerate variante nepatologice.

În embrion :

  • Gower 1 (ζ 2 ε 2 )
  • Gower 2 (α 2 ε 2 ) ( PDB : 1A9W )
  • Hemoglobina Portland I (ζ 2 γ 2 )
  • Hemoglobina Portland II (ζ 2 β 2 ).

La făt:

După naștere:

  • Hemoglobina A (hemoglobina adultă) (α 2 β 2 ) ( PDB : 1BZ0 ) - Cea mai frecventă cu o cantitate normală de peste 95%
  • Hemoglobina A 22 δ 2 ) - sinteza lanțului begins începe târziu în al treilea trimestru și, la adulți, are un interval normal de 1,5-3,5%
  • Hemoglobina F (hemoglobina fetală) (α 2 γ 2 ) - La adulți, hemoglobina F este limitată la o populație limitată de celule roșii numite celule F. Cu toate acestea, nivelul de Hb F poate fi crescut la persoanele cu boală falciformă și beta-talasemie .
Expresia genică a hemoglobinei înainte și după naștere. De asemenea, identifică tipurile de celule și organe în care se exprimă genele (date despre Wood WG , (1976). Br. Med. Bull. 32, 282. )

Forme variabile care cauzează boli:

  • Hemoglobina D-Punjab - (α 2 β D 2 ) - O formă variantă a hemoglobinei.
  • Hemoglobina H (β 4 ) - O formă variantă de hemoglobină, formată dintr-un tetramer de lanțuri β, care poate fi prezentă în variantele de α talasemie .
  • Hemoglobina Barts4 ) - O formă variantă de hemoglobină, formată dintr-un tetramer de lanțuri γ, care poate fi prezentă în variantele de α talasemie.
  • Hemoglobina S2 β S 2 ) - O formă variantă de hemoglobină întâlnită la persoanele cu boală de celule secerătoare. Există o variație a genei lanțului β, provocând o schimbare a proprietăților hemoglobinei, care are ca rezultat secerarea celulelor roșii din sânge.
  • Hemoglobina C2 β C 2 ) - O altă variantă datorată unei variații a genei lanțului β. Această variantă determină o anemie hemolitică cronică ușoară .
  • Hemoglobina E2 β E 2 ) - O altă variantă datorată unei variații a genei lanțului β. Această variantă determină o anemie hemolitică cronică ușoară.
  • Hemoglobina AS - O formă heterozigotă care provoacă trăsăturile celulelor falciforme cu o genă adultă și o genă a celulei falciforme
  • SC Boala Hemoglobin - O forma heterozigota compus cu o singură genă seceră și alta care codifică Hemoglobina C .
  • Hemoglobina Hopkins-2 - O formă variantă a hemoglobinei care este uneori privită în combinație cu hemoglobina S pentru a produce boala cu celule secera.

Degradare la animale vertebrate

Când celulele roșii din sânge ajung la sfârșitul vieții din cauza îmbătrânirii sau a defectelor, acestea sunt eliminate din circulație prin activitatea fagocitară a macrofagelor din splină sau ficat sau hemolizează în circulație. Hemoglobina liberă este apoi eliminată din circulație prin intermediul transportorului de hemoglobină CD163 , care este exprimat exclusiv pe monocite sau macrofage. În aceste celule, molecula de hemoglobină este ruptă, iar fierul este reciclat. Acest proces produce, de asemenea, o moleculă de monoxid de carbon pentru fiecare moleculă de hem degradată. Degradarea hemului este singura sursă naturală de monoxid de carbon din corpul uman și este responsabilă pentru nivelurile normale de monoxid de carbon din sânge la persoanele care respiră aer normal. Celălalt produs final major al degradării hemului este bilirubina . Nivelurile crescute ale acestei substanțe chimice sunt detectate în sânge dacă celulele roșii din sânge sunt distruse mai repede decât de obicei. Proteina hemoglobinei degradată necorespunzător sau hemoglobina care a fost eliberată prea repede din celulele sanguine poate înfunda vasele de sânge mici, în special vasele delicate de filtrare a sângelui din rinichi , provocând leziuni ale rinichilor. Fierul este îndepărtat din hem și recuperat pentru utilizare ulterioară, este stocat sub formă de hemosiderină sau feritină în țesuturi și transportat în plasmă de beta globuline ca transferine . Când inelul porfirină este rupt, fragmentele sunt secretate în mod normal ca un pigment galben numit bilirubină, care este secretat în intestine ca bilă. Intestinele metabolizează bilirubina în urobilinogen. Urobilinogenul lasă corpul în fecale, într-un pigment numit stercobilin. Globulina este metabolizată în aminoacizi care sunt apoi eliberați în circulație.

Boli legate de hemoglobină

Deficitul de hemoglobină poate fi cauzat fie de o cantitate scăzută de molecule de hemoglobină, ca în anemie , fie de capacitatea scăzută a fiecărei molecule de a lega oxigenul la aceeași presiune parțială a oxigenului. Hemoglobinopatiile (defecte genetice care duc la structura anormală a moleculei de hemoglobină) pot cauza ambele. În orice caz, deficitul de hemoglobină scade capacitatea de transport a oxigenului din sânge . Deficitul de hemoglobină este, în general, strict distins de hipoxemie , definit ca presiune parțială scăzută a oxigenului din sânge, deși ambele sunt cauze de hipoxie (aport insuficient de oxigen la țesuturi).

Alte cauze frecvente ale hemoglobinei scăzute includ pierderea de sânge, deficiența nutrițională, probleme ale măduvei osoase, chimioterapie, insuficiență renală sau hemoglobină anormală (cum ar fi cea a bolii falciforme).

Capacitatea fiecărei molecule de hemoglobină de a transporta oxigenul este modificată în mod normal prin modificarea pH-ului sanguin sau a CO 2 , provocând o curbă de disociere oxigen-hemoglobină modificată . Cu toate acestea, poate fi modificat și patologic, de exemplu în otrăvirea cu monoxid de carbon .

Scăderea hemoglobinei, cu sau fără o scădere absolută a globulelor roșii, duce la simptome de anemie. Anemia are multe cauze diferite, deși carența de fier și anemia cu deficit de fier rezultată sunt cele mai frecvente cauze în lumea occidentală. Deoarece absența fierului scade sinteza hemului, celulele roșii din sânge în anemia cu deficit de fier sunt hipocromice (lipsite de pigmentul de hemoglobină roșie) și microcitice (mai mici decât în ​​mod normal). Alte anemii sunt mai rare. În hemoliză (descompunerea accelerată a celulelor roșii din sânge), icterul asociat este cauzat de metabolitul hemoglobinei bilirubină, iar hemoglobina circulantă poate provoca insuficiență renală .

Unele mutații din lanțul globinei sunt asociate cu hemoglobinopatiile , cum ar fi boala falciformă și talasemia . Alte mutații, așa cum sa discutat la începutul articolului, sunt benigne și sunt denumite doar variante de hemoglobină .

Există un grup de tulburări genetice, cunoscute sub numele de porfirie, care se caracterizează prin erori în căile metabolice ale sintezei hemului. Regele George al III-lea al Regatului Unit a fost probabil cel mai renumit bolnav de porfirie.

Într-o mică măsură, hemoglobina A se combină încet cu glucoza la valina terminală (un aminoacid alfa) din fiecare lanț β. Molecula rezultată este adesea denumită Hb A 1c , o hemoglobină glicată . Legarea glucozei de aminoacizi în hemoglobină are loc spontan (fără ajutorul unei enzime) în multe proteine ​​și nu se știe că servește unui scop util. Cu toate acestea, pe măsură ce concentrația de glucoză din sânge crește, procentul de Hb A care se transformă în Hb A 1c crește. La diabetici a căror glucoză este de obicei ridicată, procentul de Hb A 1c este de asemenea ridicat. Datorită ratei lente a combinației de Hb A cu glucoză, procentul de Hb A 1c reflectă o medie ponderată a nivelurilor de glucoză din sânge pe durata de viață a celulelor roșii, care este de aproximativ 120 de zile. Prin urmare, nivelurile de hemoglobină glicată sunt măsurate pentru a monitoriza controlul pe termen lung al bolii cronice a diabetului zaharat de tip 2 (T2DM). Controlul slab al T2DM are ca rezultat niveluri ridicate de hemoglobină glicată în globulele roșii din sânge. Intervalul de referință normal este de aproximativ 4,0-5,9%. Deși este dificil de obținut, valorile mai mici de 7% sunt recomandate persoanelor cu T2DM. Nivelurile mai mari de 9% sunt asociate cu un control slab al hemoglobinei glicate, iar nivelurile mai mari de 12% sunt asociate cu un control foarte slab. Diabeticii care își mențin nivelul de hemoglobină glicată aproape de 7% au șanse mult mai mari de a evita complicațiile care pot însoți diabetul (decât cei ale căror niveluri sunt de 8% sau mai mari). În plus, glicemia crescută a hemoglobinei își mărește afinitatea pentru oxigen, prevenind astfel eliberarea acestuia în țesut și inducând un nivel de hipoxie în cazuri extreme.

Nivelurile crescute de hemoglobină sunt asociate cu un număr sau o dimensiune crescută de celule roșii din sânge, numite policitemie . Această creștere poate fi cauzată de boli cardiace congenitale , cor pulmonale , fibroză pulmonară , prea multă eritropoietină sau policitemie vera . Nivelurile ridicate de hemoglobină pot fi, de asemenea, cauzate de expunerea la altitudini mari, fumat, deshidratare (artificial prin concentrarea Hb), boli pulmonare avansate și anumite tumori.

Un studiu recent realizat în Pondicherry, India, arată importanța sa în boala coronariană.

Utilizări diagnostice

O măsurare a concentrației de hemoglobină fiind administrată înainte de o donare de sânge la Centrul de donare de sânge din Crucea Roșie Americană din Boston.

Măsurarea concentrației de hemoglobină se numără printre cele mai frecvent efectuate teste de sânge , de obicei ca parte a numărului complet de sânge . De exemplu, este de obicei testat înainte sau după donarea de sânge . Rezultatele sunt raportate în g / L , g / dL sau mol / L. 1 g / dL este egal cu aproximativ 0,6206 mmol / L, deși ultimele unități nu sunt utilizate la fel de des din cauza incertitudinii privind starea polimerică a moleculei. Acest factor de conversie, utilizând greutatea moleculară unitară a globinei de 16.000 Da , este mai frecvent pentru concentrația hemoglobinei în sânge. Pentru MCHC (concentrația medie a hemoglobinei corpusculare) factorul de conversie 0,155, care folosește greutatea tetramerului de 64,500 Da, este mai frecvent. Nivelurile normale sunt:

  • Bărbați: 13,8 până la 18,0 g / dL (138 până la 180 g / L sau 8,56 până la 11,17 mmol / L)
  • Femei: 12,1 până la 15,1 g / dL (121 până la 151 g / L, sau 7,51 până la 9,37 mmol / L)
  • Copii: 11-16 g / dL (110-160 g / L sau 6,83-9,93 mmol / L)
  • Femeile gravide: 11-14 g / dL (110-140 g / L sau 6,83-8,69 mmol / L) (9,5-15 valori obișnuite în timpul sarcinii)

Valorile normale ale hemoglobinei în trimestrele I și III la femeile gravide trebuie să fie de cel puțin 11 g / dL și de cel puțin 10,5 g / dL în timpul celui de-al doilea trimestru.

Deshidratarea sau hiperhidratarea pot influența foarte mult nivelurile măsurate de hemoglobină. Albumina poate indica starea de hidratare.

Dacă concentrația este sub normală, aceasta se numește anemie. Anemiile sunt clasificate după mărimea celulelor roșii din sânge, celulele care conțin hemoglobină la vertebrate. Anemia se numește „microcitică” dacă celulele roșii sunt mici, „macrocitică” dacă sunt mari și „normocitică” în caz contrar.

Hematocritul , proporția volumului de sânge ocupat de celulele roșii din sânge, este de obicei de aproximativ trei ori concentrația de hemoglobină măsurată în g / dL. De exemplu, dacă hemoglobina este măsurată la 17 g / dL, se compară cu un hematocrit de 51%.

Metodele de testare a hemoglobinei de laborator necesită o probă de sânge (arterială, venoasă sau capilară) și o analiză pe analizor de hematologie și CO-oximetru. În plus, o nouă metodă de testare a hemoglobinei neinvazive (SpHb) numită Pulse CO-Oximetry este de asemenea disponibilă cu o precizie comparabilă cu metodele invazive.

Concentrațiile de oxi- și deoxihemoglobină pot fi măsurate continuu, regional și neinvaziv folosind NIRS . NIRS poate fi utilizat atât pe cap, cât și pe mușchi. Această tehnică este adesea utilizată pentru cercetare, de exemplu, antrenament sportiv de elită, ergonomie, reabilitare, monitorizare pacient, cercetare neonatală, monitorizare funcțională a creierului, interfață creier-computer , urologie (contracția vezicii urinare), neurologie (cuplare neurovasculară) și multe altele.

Controlul pe termen lung al concentrației zahărului din sânge poate fi măsurat prin concentrația de Hb A 1c . Măsurarea lui direct ar necesita multe probe, deoarece nivelul zahărului din sânge variază foarte mult pe parcursul zilei. Hb A 1c este produsul reacției ireversibile a hemoglobinei A cu glucoza. O concentrație mai mare de glucoză are ca rezultat mai mult Hb A 1c . Deoarece reacția este lentă, proporția de Hb A 1c reprezintă nivelul de glucoză din sânge mediu pe parcursul timpului de înjumătățire al celulelor roșii din sânge, este de obicei de ~ 120 de zile. O proporție de Hb A 1c de 6,0% sau mai puțin arată un control bun al glucozei pe termen lung, în timp ce valorile peste 7,0% sunt crescute. Acest test este util mai ales pentru diabetici.

Aparatul funcțional de imagistică prin rezonanță magnetică (fMRI) folosește semnalul de la deoxihemoglobină, care este sensibil la câmpurile magnetice, deoarece este paramagnetic. Măsurarea combinată cu NIRS arată o corelație bună atât cu semnalul oxigen, cât și cu cel al deoxihemoglobinei, comparativ cu semnalul BOLD .

Utilizări de urmărire atletică și auto-urmărire

Hemoglobina poate fi urmărită neinvaziv, pentru a construi un set de date individuale care urmărește efectele hemoconcentrării și hemodiluției activităților zilnice pentru o mai bună înțelegere a performanței sportive și a antrenamentului. Sportivii sunt deseori preocupați de rezistența și intensitatea exercițiului. Senzorul utilizează diode emițătoare de lumină care emit lumină roșie și infraroșie prin țesut către un detector de lumină, care apoi trimite un semnal către un procesor pentru a calcula absorbția luminii de către proteina hemoglobinei. Acest senzor este similar cu un puls oximetru, care constă dintr-un dispozitiv mic de detectare care se fixează la deget.

Analogi în organismele non-vertebrate

Există o varietate de proteine ​​de transport și legare a oxigenului în organismele din regatele animale și vegetale. Organismele, inclusiv bacteriile , protozoarii și ciupercile, au toate proteine ​​asemănătoare hemoglobinei ale căror roluri cunoscute și prezise includ legarea reversibilă a liganzilor gazoși . Deoarece multe dintre aceste proteine ​​conțin globine și porțiunea hemului (fier într-un suport plat al porfirinei), ele sunt adesea numite hemoglobine, chiar dacă structura lor terțiară generală este foarte diferită de cea a hemoglobinei vertebrate. În special, distincția dintre „mioglobină” și hemoglobină la animalele inferioare este adesea imposibilă, deoarece unele dintre aceste organisme nu conțin mușchi . Sau pot avea un sistem circulator separat recunoscut , dar nu unul care se ocupă de transportul oxigenului (de exemplu, multe insecte și alți artropode ). În toate aceste grupuri, moleculele care conțin hem / globină (chiar și cele globin monomerice) care se ocupă de legarea gazelor sunt denumite oxihemoglobine. În plus față de transportul și detectarea oxigenului, acestea se pot ocupa și de compuși NO, CO 2 , sulfuri și chiar de eliminare a O 2 în medii care trebuie să fie anaerobe. Pot chiar să se ocupe de detoxifierea materialelor clorurate într-un mod analog cu enzimele P450 care conțin hem și peroxidazele.

Viermele gigant cu tub Riftia pachyptila prezintă pene roșii care conțin hemoglobină

Structura hemoglobinelor variază în funcție de specie. Hemoglobina apare în toate regatele organismelor, dar nu în toate organismele. Speciile primitive, cum ar fi bacteriile, protozoarele, algele și plantele, au adesea hemoglobine cu o singură globină. Mulți viermi nematode , moluște și crustacee conțin molecule multisubunitare foarte mari, mult mai mari decât cele de la vertebrate. În special, hemoglobinele himerice găsite în ciuperci și anelide uriașe pot conține atât globină, cât și alte tipuri de proteine.

Una dintre cele mai izbitoare apariții și utilizări ale hemoglobinei în organisme se află la viermele tub gigant ( Riftia pachyptila , numit și Vestimentifera), care poate atinge 2,4 metri lungime și populează gurile vulcanice ale oceanului . În loc de tract digestiv , acești viermi conțin o populație de bacterii care constituie jumătate din greutatea organismului. Bacteriile oxidează H 2 S din aerisire cu O 2 din apă pentru a produce energie pentru a produce alimente din H 2 O și CO 2 . Capătul superior al viermilor este o structură roșie intensă, asemănătoare unui ventilator („pană”), care se extinde în apă și absoarbe H 2 S și ​​O 2 pentru bacterii și CO 2 pentru utilizare ca materie primă sintetică similară plantelor fotosintetice . Structurile sunt de culoare roșu aprins datorită conținutului lor de mai multe hemoglobine extraordinar de complexe care au până la 144 de lanțuri de globină, fiecare incluzând structuri hem asociate. Aceste hemoglobine sunt remarcabile pentru că pot transporta oxigenul în prezența sulfurii și chiar pentru a transporta sulfura, fără a fi complet „otrăvite” sau inhibate de aceasta, așa cum sunt hemoglobinele la majoritatea celorlalte specii.

Alte proteine ​​care leagă oxigenul

Mioglobina
Găsit în țesutul muscular al multor vertebrate, inclusiv al oamenilor, conferă țesutului muscular o culoare distinctă roșie sau gri închis. Este foarte asemănătoare cu structura și secvența hemoglobinei, dar nu este un tetramer; în schimb, este un monomer căruia îi lipsește legarea cooperativă. Este folosit pentru a stoca oxigenul mai degrabă decât pentru a-l transporta.
Hemocianină
A doua proteină cea mai comună care transportă oxigenul se găsește în natură, se găsește în sângele multor artropode și moluște. Folosește grupuri protetice de cupru în loc de grupuri hem de fier și are o culoare albastră atunci când este oxigenată.
Hemeritrin
Unele nevertebrate marine și câteva specii de anelide folosesc această proteină care nu conține fier, pentru a transporta oxigen în sânge. Apare roz / violet când este oxigenat, clar când nu.
Clorocruorină
Găsit în multe anelide, este foarte similar cu eritrocruorina, dar grupul hem este semnificativ diferit ca structură. Apare verde când este dezoxigenat și roșu când este oxigenat.
Vanabine
Cunoscuți și sub numele de cromageni de vanadiu , se găsesc în sângele stropilor de mare . Odată li s-a făcut ipoteza de a folosi metalul vanadiu ca grup protetic care leagă oxigenul. Cu toate acestea, deși conțin vanadiu de preferință, aparent se leagă puțin oxigen și, prin urmare, au o altă funcție, care nu a fost elucidată (stropi de mare conțin, de asemenea, o anumită hemoglobină). Ele pot acționa ca toxine.
Eritrocruorină
Găsit în multe anelide, inclusiv râme , este o gigantică proteină din sânge plutitoare care conține multe zeci - posibil sute - de subunități proteice purtătoare de fier și hem legate între ele într-un singur complex proteic cu o masă moleculară mai mare de 3,5 milioane daltoni.
Pinnaglobin
Văzută doar în molușa Pinna nobilis . Proteină porfirină pe bază de mangan brun.
Leghemoglobina
La plantele leguminoase, cum ar fi lucerna sau soia, bacteriile care fixează azotul din rădăcini sunt protejate de oxigen de acest hem de fier care conține proteine ​​care leagă oxigenul. Enzima specifică protejată este nitrogenaza , care nu poate reduce azotul gazos în prezența oxigenului liber.
Coboglobina
O porfirină sintetică pe bază de cobalt. Coboproteina ar părea incoloră atunci când este oxigenată, dar galbenă atunci când se află în vene.

Prezență în celulele noneritroide

Unele celule noneritroide (adică celule, altele decât linia de globule roșii) conțin hemoglobină. În creier, acestea includ neuronii dopaminergici A9 din substanța neagră , astrocitele din cortexul cerebral și hipocamp și în toate oligodendrocitele mature . S-a sugerat că hemoglobina creierului în aceste celule poate permite „stocarea oxigenului pentru a oferi un mecanism homeostatic în condiții anoxice, ceea ce este deosebit de important pentru neuronii A9 DA care au un metabolism crescut, cu o cerință ridicată pentru producerea de energie”. S-a mai remarcat faptul că „ neuronii dopaminergici A9 pot prezenta un risc deosebit deoarece, pe lângă activitatea lor mitocondrială ridicată, sunt supuși unui stres oxidativ intens cauzat de producerea de peroxid de hidrogen prin autoxidare și / sau dezaminarea mediată de monoaminooxidază (MAO) a dopamina și reacția ulterioară a fierului feros accesibil pentru a genera radicali hidroxil foarte toxici ". Acest lucru poate explica riscul degenerării acestor celule în boala Parkinson . Fierul derivat din hemoglobină din aceste celule nu este cauza întunericului post-mortem al acestor celule (originea numelui latin, substantia nigra ), ci se datorează mai degrabă neuromelaninei .

În afara creierului, hemoglobina are funcții care nu transportă oxigen, ca antioxidant și regulator al metabolismului fierului în macrofage , celule alveolare și celule mezangiale din rinichi.

În istorie, artă și muzică

Heart of Steel (Hemoglobin) (2005) de Julian Voss-Andreae . Imaginile prezintă sculptura înaltă de 1,50 m înălțime imediat după instalare, după 10 zile și după câteva luni de expunere la elemente.

Din punct de vedere istoric, o asociere între culoarea sângelui și rugina are loc în asocierea planetei Marte , cu zeul roman al războiului, deoarece planeta este de un roșu portocaliu, ceea ce amintea strămoșilor de sânge. Deși culoarea planetei se datorează compușilor de fier în combinație cu oxigenul din solul marțian, este o concepție greșită obișnuită că fierul din hemoglobină și oxizii săi conferă sângelui culoarea roșie. Culoarea se datorează de fapt fragmentului de porfirină al hemoglobinei de care este legat fierul, nu fierului în sine, deși starea de ligare și redox a fierului poate influența tranzițiile electronice pi la pi * sau n la pi * ale porfirinei și de aici și caracteristicile sale optice.

Artistul Julian Voss-Andreae a creat în 2005 o sculptură numită Heart of Steel (Hemoglobin) , pe baza coloanei vertebrale a proteinei. Sculptura a fost realizată din sticlă și oțel degradat . Ruginirea intenționată a operei de artă inițial strălucitoare reflectă reacția chimică fundamentală a hemoglobinei de legare a oxigenului la fier.

Artistul din Montreal, Nicolas Baier, a creat Luster (Hémoglobine) , o sculptură din oțel inoxidabil care arată structura moleculei de hemoglobină. Este afișat în atriul Centrului de cercetare al Universității McGill din Montreal. Sculptura măsoară aproximativ 10 metri × 10 metri × 10 metri.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

Hardison, Ross C. (2012). „Evoluția hemoglobinei și a genelor sale” . Perspectivele Cold Spring Harbor în medicină . 2 (12): a011627. doi : 10.1101 / cshperspect.a011627 . ISSN  2157-1422 . PMC  3543078 . PMID  23209182 .

linkuri externe

Întrebări conexe: