За да може да се говори по разбираем начин за хемоглобин (Hb), полезно е първо да се разгледа миоглобин (Mb), който е много подобен на хемоглобина, но е много по-прост. Между хемоглобина и миоглобина съществуват строги родствени взаимоотношения: и двете са конюгирани протеини и тяхната протетична група (не-протеинова част) е хемната група.
Миоглобинът е глобуларен протеин, състоящ се от единична верига от около сто и петдесет аминокиселини (зависи от организма) и неговата молекулна маса е около 18 Kd.
Както е казано, тя е снабдена с хем група, която е вмъкната в хидрофобна (или липофилна) част на протеина, състояща се от гънки, свързани с а-спиралните структури на влакнестите протеини.
Миоглобинът се състои предимно от α-спирални сегменти, присъстващи в брой осем и се състои почти изключително от неполярни остатъци (левцин, валин, метионин и фенилаланин), докато полярните остатъци практически липсват (аспарагинова киселина, глутаминова киселина, лизин и аргинин); единствените полярни остатъци са два хистидина, които играят фундаментална роля в атаката на кислорода към хемната група.
Хем групата е хромофорна група (абсорбира се във видимата) и е функционална група на миоглобина.
Вижте също: гликиран хемоглобин - хемоглобин в урината
Малко от химията
Връзката между протопорфирин и желязо е типична връзка на така наречените координационни съединения, които са химични съединения, при които централният атом (или йон) образува връзки с други химически видове в число, по-голямо от неговия окислителен номер (електрически заряд). В случая с хем тези връзки са обратими и слаби.
Броят на координацията (брой координационни връзки) на желязото е шест: може да има шест молекули около желязото, които споделят свързващите електрони.
За да се образува координиращо съединение, се вземат две орбити с правилната ориентация: човек може да "купи" електрони, а другият може да ги дари.
В хема желязото образува четири равнинни връзки с четирите азотни атома, разположени в центъра на прото-порфириновия пръстен и пета връзка с азот от проксималния хистидин; желязото има шестата връзка на свободната координация и може да се свърже с кислорода.
Когато желязото е във формата на свободен йон, неговите d- тип орбитали имат една и съща енергия; в миоглобин железният йон е свързан с протопорфирин и хистидин: тези видове магнитно разрушават орбиталната г от желязо; степента на смущение ще бъде различна за различните орбитали d, в зависимост от тяхната пространствена ориентация и тази на смущаващите видове. Тъй като общата енергия на орбиталите трябва да е постоянна, смущение предизвиква енергично разделяне между различните орбитали: енергията, придобита от някои орбитали, е еквивалентна на загубената от другите енергия.
Ако разделянето, което възниква между орбиталите, не е много голямо, за предпочитане е да се използва електронно високо спиново устройство: свързващите електрони се опитват да подредят паралелното въртене в няколко възможни под-нива (максимална кратност); ако, от друга страна, смущенията са много силни и има голямо разделение между орбиталите, може да е по-удобно да се сдвоят свързващите електрони в по-ниските енергийни орбитали (ниско въртене).
Когато желязото се свързва с кислорода, молекулата поема нискочестотната подредба, докато желязото има шестата връзка на свободната координация, молекулата разполага с високо въртене.
Благодарение на тази разлика в спина, чрез спектрален анализ на миоглобина, можем да разберем дали кислородът е свързан (MbO2) или не (Mb).
Миоглобинът е протеин, типичен за мускулите (но не се среща само в мускулите).
Миоглобинът се екстрахира от кашалота, в който се намира в големи количества и след това се пречиства.
Китоподобните имат дишане, подобно на това на човешките същества: наличието на белите дробове трябва да абсорбира въздуха през дихателния процес; кашалотът трябва да донесе колкото е възможно повече кислород в мускулите, които могат да натрупат кислород чрез свързването му с присъстващия в тях миоглобин; след това кислородът се освобождава бавно, когато китоподобните се потапят, защото метаболизмът му изисква кислород: колкото по-голямо е количеството кислород, което кашалотът може да абсорбира, толкова по-голям е кислородът по време на гмуркането.
За да се направи повече или по-малко червено месо е съдържанието на хемопротеини (хемът прави месото червено).
Хемоглобинът има много структурни аналогии с миоглобина и може да свързва молекулярния кислород по обратен начин; но докато миоглобинът е ограничен до мускулите и периферните тъкани като цяло, хемоглобинът се намира в еритроцитите или червените кръвни клетки (те са псевдо-клетки, т.е. не са истински клетки), които съставляват 40% от кръвта.
Хемоглобинът е тетраметър, тоест, той се състои от четири полипептидни вериги, всяка от които има хем-група и идентични по две (в човешкото същество има две алфа-вериги и две бета-вериги).
Основната функция на хемоглобина е пренасянето на кислород ; друга функция на кръвта, в която участва хемоглобин, е пренасянето на вещества в тъканите.
По пътя от белите дробове (богати на кислород) към тъканите хемоглобинът пренася кислород (в същото време другите вещества достигат до тъканите), докато на обратния път, носи със себе си отпадъците, събрани от тъканите, особено въглеродния диоксид, произведен в метаболизма.
В развитието на човека има гени, които се изразяват само за определен период от време; поради тази причина ние имаме различни хемоглобини: фетален, ембрионален, на възрастен мъж.
Веригите, които съставляват тези различни хемоглобини, имат различни структури, но с прилики всъщност функцията, която изпълняват, е повече или по-малко същата.
Обяснение за наличието на няколко различни вериги е следното: по време на еволюционния процес на организмите, хемоглобинът също се е развил, специализиран в транспорта на кислород от области, които са богати на дефицитни зони. В началото на еволюционната верига хемоглобинът пренася кислород в малки организми; в хода на еволюцията организмите са достигнали по-големи размери, следователно хемоглобинът се е променил, за да може да пренася кислород в области, отдалечени от точката, в която е богат; за тази цел в хода на еволюционния процес са кодифицирани нови структури на веригите, които съставляват хемоглобин.
Миоглобинът свързва кислорода дори при скромно налягане; в периферните тъкани има налягане (РО2) от около 30 mmHg: миоглобин при това налягане не освобождава кислород, така че би бил неефективен като кислороден транспортер. Хемоглобинът, от друга страна, има по-еластично поведение: свързва кислорода при високи налягания и го освобождава, когато налягането намалява.
Когато протеинът е функционално активен, той може малко да промени формата си; например, окисленият миоглобин има различна форма от неоксигенирания миоглобин и тази мутация не засяга съседните.
Дискурсът е различен в случая на свързани протеини като хемоглобин: когато веригата е оксигенирана, тя се индуцира да промени формата си, но тази модификация е триизмерна и следователно други вериги на тетраметъра също са засегнати. Фактът, че веригите са взаимно свързани, води до мисълта, че модификацията на един влияе на другите съседи, дори и в различна степен; когато веригата е оксигенирана, другите вериги на тетраметъра поемат "по-малко враждебно отношение" към кислорода: трудността, с която веригата оксигенати намалява, докато веригите близки до нея, окисляват последователно. Същата реч е валидна за деоксигениране.
Четвъртичната структура на дезоксигемоглобина приема името на форма Т (tesa), докато тази на оксихемоглобина се нарича форма R (освободена); в напрегнатото състояние има серия от доста силни електростатични взаимодействия между аминокиселини и основни аминокиселини, които водят до твърда структура на дезоксигемоглобина (затова "напрегнатата форма"), а когато кислородът е свързан, величината им взаимодействията намаляват (ето защо "освободената форма"). Освен това, в отсъствието на кислород, хистидиновият заряд (виж структурата) се стабилизира чрез противоположния заряд на аспарагинова киселина, докато в присъствието на кислород има тенденция от страна на протеина да загуби протон; всичко това означава, че оксигенираният хемоглобин е по-силна киселина от деоксигенирания хемоглобин: ефект на бор .
В зависимост от рН, хемната група се свързва повече или по-малко с кислорода: в кисела среда, хемоглобинът освобождава кислорода по-лесно (напрегнатата форма е стабилна), докато в основна среда връзката с кислорода е -силни.
Всеки хемоглобин отделя 0.7 протона на мол входящ кислород (О2).
Ефектът на Бор позволява на хемоглобина да подобри способността си да пренася кислород.
Хемоглобинът, който прави пътуването от белите дробове до тъканите, трябва да се балансира според налягането, рН и температурата.
Да видим ефекта на температурата .
Температурата в белодробните алвеоли е с около 1-1.5 ° С по-ниска от външната температура, докато в мускулите температурата е около 36.5-37 ° С; С повишаването на температурата, факторът на насищане намалява (при същото налягане): това се случва, защото увеличава кинетичната енергия и дисоциацията е предпочитана.
Има и други фактори, които могат да повлияят на способността на хемоглобина да се свърже с кислород, една от тях е концентрацията на 2, 3 бисфосфоглицерат .
2, 3 бисфосфоглицератът е метаболитен присъстващ в еритроцитите при концентрация от 4-5 тМ (в никоя друга част на тялото не присъства в такава висока концентрация).
При физиологично рН 2, 3 бисфосфоглицерат се депротонира и върху него има пет отрицателни заряда; той се зацепва между двете бета вериги на хемоглобина, защото тези вериги имат висока концентрация на положителни заряди. Електростатичните взаимодействия между бета веригите и 2, 3-бисфосфоглицерата дават определена твърдост на системата: получава се напрегната структура, която има малък афинитет към кислорода; по време на оксигенацията, след това 2, 3-бисфосфоглицератът се изхвърля.
В еритроцитите има специален апарат, който превръща 1, 3-бисфосфоглицерата (произвеждан от метаболизма) в 2, 3-бисфосфоглицерат, така че да достигне концентрация от 4-5 mM и следователно хемоглобинът може да замени кислород в тъканите.
Хемоглобинът, идващ в тъкан е в освободено състояние (свързан с кислород), но близо до тъканта, той е карбоксилиран и преминава в напрегнато състояние: протеинът в това състояние има по-малка склонност да се свързва с кислород, в сравнение с освобождаваното състояние, следователно хемоглобинът освобождава кислород в тъканта; освен това, чрез реакция между вода и въглероден диоксид, се получава производството на йони H +, а след това и допълнителен кислород за ефекта на бор.
Въглеродният диоксид дифундира в еритроцитите, преминаващи през плазмената мембрана; Тъй като еритроцитите съставляват около 40% от кръвта, трябва да очакваме, че само 40% от въглеродния диоксид, който се разпространява от тъканите, влиза в тях, всъщност 90% от въглеродния диоксид влиза в еритроцитите, защото те съдържат ензим, който превръща въглероден двуокис в въглеродна киселина, води до това, че стационарната концентрация на въглероден диоксид в еритроцитите е ниска и следователно скоростта на влизане е висока.
Друго явление, което се случва, когато еритроцитът достигне тъкан е следното: чрез градиент, HCO3- (производно на въглероден диоксид) излиза от еритроцита и, за да балансира продукцията на отрицателен заряд, имаме входящ хлорид, който причинява повишаване на осмотичното налягане: за компенсиране на това изменение се въвежда вода, която причинява подуване на еритроцитите (ефект на HAMBURGER). Обратното явление се случва, когато еритроцитът достигне белодробните алвеоли: има дефлация на еритроцитите (ефект на HALDANE). Следователно венозните еритроцити (насочени към белите дробове) са по-кръгли от артериалните.
