Struktura, funkce a metabolismus hemoglobinu

Vladimíra Kvasnicová

Struktura hemoglobinu

• hemoprotein (složený protein: globin + prostetická skupina)

• kvarterní struktura: 4 podjednotky

• prostetická skupina každé podjednotky = hem

4 polypetidové řetězce

4 molekuly hemu

4 železnaté (Fe2+) ionty

Obrázek převzat z http://dtc.pima.edu/~biology/202alpha/lesson1/hemoglobin.jpg (březen 2007)

Mr = 64 500

Obrázky převzaty z http://www.virtuallaboratory.net/Biofundamentals/lectureNotes/AllGraphics/myoglobinSurface.jpg

a z http://courses.washington.edu/conj/protein/hemo.gif (březen 2007)

hemoglobin

HEM

MYOGLOBIN

• nemá kvarterní strukturu, má pouze 1 polypeptidový řetězec

• slouží ve svalu k vazbě O2 „do zásoby“

• váže kyslík pevněji než hemoglobin

Typy hemoglobinu a jeho podjednotek

• dospělý (adult) hemoglobin:

HbA1 = 22

HbA2 = 22 (asi 2% z celkového Hb dospělých)

• fetální hemoglobin

HbF = 22 ! vyšší afinita k O2 než má HbA

!

váže kyslík pevněji i při nižším pO2 v krvi (placenta!)

Obrázek převzat z http://www.labcorp.com/datasets/labcorp/html/img/fethgb.jpg (březen 2007)

Struktura hemu

• cyklický tetrapyrol

• různě substituované pyrolové cykly

• patří mezi porfyriny (hem = Fe-protoporfyrin IX)

• obsahuje:konjugovaný systém dvojných vazeb → červené

zbarvení

4 atomy dusíku (N)

1 železnatý kation (Fe2+) → vázán uprostřed tetrapyrolového

skeletu koordinačně kovalentními vazbami

Obrázky převzaty z http://www.medical-definitions.net/images/hemoglobin.jpg

a z http://omlc.bme.ogi.edu/spectra/hemoglobin/hemestruct/heme-struct.gif (březen 2007)

Pyrol

hemoglobin

Obrázek převzat z http://omlc.bme.ogi.edu/spectra/hemoglobin/hemestruct/heme-struct.gif (březen 2007)

Pyrol

Syntéza hemoglobinu

• v kostní dřeni

• v prekurzorech erytrocytů, nikoli v erytrocytech

• 4 samostatné podjednotky se spojí nekovalentními vazbami za vzniku tetrameru Hb

• hemoglobin je intracelulární protein: uvnitř ery

koncentrace Hb v krvi:

ženy 120 – 162 g/l

muži 135 – 172 g/l

Syntéza hemoglobinu

poruchy syntézy:

• TALASEMIE = dědičné onemocnění s narušenou tvorbou bílkovinných řetězců Hb ( nebo talas.)

• ANEMIE = chudokrevnost ( kapacita krve přenášet O2)

sideropenická anemie – nedostatek železa

srpkovitá anemie – dědičné onemocněnís abnormálním hemoglobinem: HbS(záměna 1 aminokyseliny v -řetězci: místo Glu obsahuje Val)

Syntéza hemu - OPAKOVÁNÍ

• hlavně v kostní dřeni (Hb) a játrech (cytochromy)

• mitochondrie / cytoplazma / mitochondrie

• substráty: sukcinyl-CoA + glycin

• významné meziprodukty:kys. -aminolevulová (= 5-aminolevulová, ALA)

porfobilinogen (PBG = derivát pyrolu)

uroporfyrinogen III (= 1. porfyrinogen– prekurzor hemu)

protoporfyrin IX (= přímý prekurzor hemu)

Obrázek převzat z knihy: Color Atlas of Biochemistry / J. Koolman, K.H.Röhm. Thieme 1996. ISBN 0-86577-584-2

Syntéza hemu - REGULACE

ALA-syntáza

klíčový regulační enzym synt. hemu ve všech tkáních

absolutně závislá na pyridoxalfosfátu

ALA-syntáza 1 (játra)

inhibována hemem (zpětná vazba)

regulace na úrovni transkripce (represe) i alostericky

mnoho léků množství ALA-syntázy v buňce ( konc. hemu)

ALA-syntáza 2 (erytroblasty)

není zpětná inhibice hemem ani indukce léky

regulace na úrovni dostupnosti Fe (ovlivňuje translaci)

Poruchy syntézy hemu

PORFYRIE

• vrozené nebo získané

• klasifikace podle defektního enzymu biosyntézy

• pekurzory hemu se hromadí v těle (kůže) a jsou vylučovány močí nebo stolicí (tmavé zbarvení)

• neuropsychické poruchy, fotosenzitivita

otrava olovem – hromadí se ALA (krev, moč)(inhibice porfobilinogen syntázy)

Odbourávání hemoglobinu a hemu

• buňky retikulo-endoteliálního systému (RES) sleziny, kostní dřeně, jater, podkoží

• Hb uvolněný z erytrocytů v oběhu je rychle vychytán haptoglobinem → RES

• volný hem je v krvi vázán na hemopexin

HEMOGLOBIN → 4x globin + 4x hem

• globinové řetězce → aminokyseliny

• hem → Fe3+ + CO + biliverdin → žlučová barviva → stolice

Obrázek převzat z knihy: Color Atlas of Biochemistry / J. Koolman, K.H.Röhm. Thieme 1996. ISBN 0-86577-584-2

Transport krevních plynů

Složení vzduchu:

78% N2 21% O2 1% voda, vzácné plyny, CO2 (0,04%)

Tlak vzduchu:

1 atm = 101 325 Pa (~ 101 kPa) = 760 Torr (= mmHg)

1 mmHg = 0,1333 kPa

1 kPa = 7,5 mmHg

Transport krevních plynů

arteriální krev venózní krev

pO2 13,33 kPa 5,33 kPa

100 mmHg 40 mmHg

pCO2 5,33 kPa 6,13 kPa

40 mmHg 46 mmHg

(alveoly)

Obrázek převzat z http://people.eku.edu/ritchisong/RITCHISO//301notes6.htm (březen 2007)

Transport krevních plynů- funkce hemoglobinu -

• přenáší O2 a část CO2 (a CO - i fyziologicky)

• pufruje krev: váže H+

• O2 se váže na Fe2+ v hemu → 4 O2 / 1 Hb

„oxyhemoglobin“ HbO2

• CO2 se váže na globin! (-NH2 sk. postranních řetězců AMK)

„karbaminohemoglobin“ HbCO2

• H+ se váže na zbytky His„deoxyhemoglobin“ HHb

Transport krevních plynů- transport CO2 -

1. převážně ve formě HCO3- (~ 70%)

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

enzym: karbonát dehydratáza spontánní disociace

(v erytrocytech)

2. vázaný na hemoglobin (~ 23%)

3. volně rozpuštěný (~ 7%)

Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/physiol/sf41x11.jpg (březen 2007)

Transport krevních plynů - reakce probíhající v erytrocytech -

tkáně:

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3- + H+

H+ + HbO2 → HHb + O2 → aerobní metabolismus

plicní alveoly:

HHb + O2 → HbO2 + H+

H+ + HCO3- → H2CO3 → H2O + CO2 → vydýchá se

Obrázek převzat z http://science.kennesaw.edu/~jdirnber/Bio2108/Lecture/LecPhysio/42-29-BloodCO2Transport-AL.gif (březen 07)

O2

O2

Saturace hemoglobinu kyslíkem

Obrázek převzat z http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/bind/MbHbbindcurve.gif(březen 2007)

Obrázek převzat z http://dr-amy.com/rich/oxygen/fig1.gif (březen 2007)

Saturační / disociačníkřivka hemoglobinu

posun vlevo

posun vpravo

Saturační / disociačníkřivka hemoglobinu

posun vlevo

posun vpravo

Obrázek převzat z http://dr-amy.com/rich/oxygen/fig1.gif (březen 2007)

Obrázek převzat z http://www.biocrawler.com/encyclopedia/Fetal_hemoglobin (březen 2007)

saturační křivka HbF je „posunutá vlevo“

(HbF má vyšší afinitu ke kyslíku než HbA)

Saturace hemoglobinu kyslíkem

• kvarterní struktura hemoglobinu

alosterický efekt

T-konformace: malá afinita k O2 (deoxy Hb)

R-konformace: vyšší afinita k O2 (oxyHb)

T R

Hb + O2 HbO2

Obrázek převzat z http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/bind/MbHbbindcurve.gif (březen 2007)

Animace převzata z http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hb-animation2.gif (březen 2007)

Saturace hemoglobinu kyslíkem

Faktory ovlivňující saturaci:

alkalické pH a pO2 stabilizují R-konformaci

(V PLICÍCH) ~ zvyšují afinitu Hb ke kyslíku

kyselé pH, pCO2, teplota a 2,3-BPG stabilizují

T-konformaci ~ snižují afinitu Hb ke kyslíku

(V PERIFERII)

posun saturační křivky vpravo

Obrázek převzat z http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/bind/MbHbbindcurve.gif(březen 2007)

Bohrův efekt

Obrázek převzat z http://www.nd.edu/~aseriann/dpg.html (březen 2007)

Patologické deriváty hemoglobinu

1. methemoglobin (nad 3%) metHb Fe3+ místo Fe2+

nemůže přenášet kyslík !!!

2. glykovaný hemoglobin (nad 6%)

HbA1c

při dlouhodobě zvýšené glykemii

3. karbonylhemoglobin (nad 2%) COHb při otravách oxidem uhelnatým

4. sulfhemoglobin, kyanhemoglobin otrava sulfanem nebo kyanovodíkem a kyanidy

Otrava oxidem uhelnatým

• CO má 200x vyšší afinitu k Hb než O2

• vzniká COHb = karbonylhemoglobin(starší název: karboxyhemoglobin)

• maximální povolená koncentrace ve vzduchu: 0.003%

• míra intoxikace CO závisí na pCO ve vzduchu a na délce expozice (0.04% silná bolest hlavy, po 2-3

hodinách: bezvědomí; 1% smrt během několika minut)

Obrázek převzat z http://www.orthosmoke.org/index.php/pt/Carbon%20Monoxide (březen 2007)

CO se váže

na Fe2+ místo kyslíku

Obrázek převzat z http://dr-amy.com/rich/oxygen/fig1.gif (březen 2007)

Saturace Hb oxidem uhelnatým / saturace Hb kyslíkem

Otrava oxidem uhelnatým

příčiny:

• vdechování výfukových plynů z automobilů

• inhalace kouře

• nedostatečně ventilované plynové topení

• OBECNĚ: spalování organických paliv bez dostatečného přívodu kyslíku(tj. nedostatečná oxidace)

následky:

• snížení kapacity Hb pro přenos kyslíku

• snížené zásobování buněk kyslíkem

CO zabraňuje reverzibilní vazbě O2 na Hb

CO posunuje disociační křivku O2-hemoglobin vlevo

CO inhibuje intracelulární respiraci (dýchací řetězec)

CO se může vázat přímo v srdeční a kosterní svalovině (přímá toxicita) a na složky nervového systému a způsobit tak demyelinizaci a neurologické symptomy

Otrava oxidem uhelnatým

Obrázek převzat z http://www.acsu.buffalo.edu/~lcscott/carbonmonoxide.html (březen 2007)

„třešňově zbarvená kůže“

Saturace Hb oxidem uhelnatým

Obrázek převzatz http://www.uhseast.com/134221.cfm

(březen 2007)

COHb / celkový Hb

(poměr v %)

fyziologicky:

2%

Slabý puls, selhání dýchání, smrt

Bezvědomí, křeče, nebezpečí smrti

Intenzivnější symptomy, zrychlené dýchání a puls, bezvědomí

Těžká bolest hlavy, slabost, závratě, poruchy vidění, zvracení

Bolest hlavy, bušení krve ve spáncích

Bez příznaků

Obrázek převzat z http://www.coheadquarters.com/CORisk/figco32x.htm (březen 2007)

první pomoc:

• zajistit čerstvý vzduch

• vdechování vysokých koncentrací kyslíku(kyslík inhlován pod tlakem)

doporučeno u pacientů v bezvědomí, při koncentraci COHb větší než 25%, při metabolické acidóze a neurologických příznacích

Otrava oxidem uhelnatým