Hemoglobin MUDr. Jakub Mensa

Struktura hemoglobinu tetramerní protein – 4 polypeptidové řetězce, na každém je jako prostetická skupina vázán cyklický tetrapyrol - hem

Polypeptidová část - globin - skupina příbuzných genů kóduje celkem 6 podobných polypeptidů o cca 140 AMK

Polypeptidová část - globin Kombinacemi 4 těchto polypeptidů vznikají tyto fyziologické typy hemoglobinu: HbA – 2 alfa, 2 beta řetězce, 98% Hb dospělého člověka HbA2 – 2 alfa, 2 delta, cca 2% Hb dospělého HbF – 2 alfa, 2 gamma, fetální Hb Gower1 – 2 zeta, 2 epsilon, embryonální Exprese globinových genů se v ontogenezi mění (tzv. switching) a díky tomu jednotlivé typy hemoglobinu v příslušném období převažují. Má to fyziologický význam (viz. dále)

Hem Na levém obrázku je samotný hem, na pravém obrázku jeho připojení ke globinu (AMK His dole) a navázaný O2

Funkce hemoglobinu - transport kyslíku Kyslík se v plicích váže na šesté koordinační místo hemového železa

Funkce hemoglobinu – transport kyslíku Při navázání molekuly O2 dojde ke změně konformace celé molekuly, mění se nekteré její vlastnosti: Je usnadněna vazba dalších molekul kyslíku Mění se acidobazické vlastnosti - oxyhemoglobin je silnější kyselina než deoxyhemoglobin Mění se barva a absorpční vlastnosti – využití v měření saturace

Saturační křivka hemoglobinu kooperativní vazebná kinetika optimalizováno pro transportní funkci z plic do tkání

Saturační křivka hemoglobinu V plicích (pO2 100 torr, 13,3 kPa) se Hb téměř zcela nasytí O2 Pokles pO2 v plicích na 8 kPa sníží saturaci je asi o 10 % Ve venózní krvi (pO2 40 torr, 5,3 kPa) saturace 75% - v klidu se využije jen 25 % kapacity, při námaze i 75 – 85%

Obsah kyslíku v arteriální krvi 1 mol Hb váže 4 moly O2 , z toho za použití molární hmotnosti Hb a molárního objemu plynu za příslušných podmínek lze vypočítat, že 1g Hb váže cca 1,34 ml O2 (Huffneruvo číslo) Vynásobením koncentrace Hb v krvi (g/l), hodnoty saturace Hb a konstanty 1,34 zjistíme, kolik kyslíku unese Hb obsažený v litru krve (normálně nějakých 200 ml) Přičteme člen vyjadřující množstní fyzikálně rozpuštěného kyslíku – závisí na parciálním tlaku a rozpustnosti (velmi malé desetinné číslo – na transportu kyslíku se podílí minimálně)

Myoglobin vs. hemoglobin myoglobin uvolní většinu kyslíku až při poklesu jeho parciálního tlaku na cca 20 torr, což je situace v pracujícím svalu – zásobní funkce

Posuny disociační křivky Hodnota P50 je parciální tlak O2, při kterém je saturace Hb 50%, za normálních podmínek činí 3,6 kPa (27 torr) Posun disociační křivky doprava znamená, že Hb je při stejném parciálním tlaku O2 nasycen méně, neboli P50 stoupá (k nasycení na 50% je třeba vyšší parciální tlak) Posun doleva…si asi domyslíte Faktory, které křivku posouvají: - pH, tedy koncentrace H+ - parciální tlak CO2 - teplota - koncentrace 2,3-bisfosfoglycerátu (produkt glykolýzy)

Posun doprava Hb uvolňuje více kyslíku: Acidóza Hyperkapnie Hypertermie Vzestup 2,3 BPG

Posun doleva Afinita ke kyslíku stoupá, hůře se z Hb uvolňuje: Alkalóza Hypokapnie Hypotermie Nedostatek 2,3 BPG

Další funkce Hb – transport H+ a CO2 Oxid uhličitý je z tkání transportován ve třech formách: fyzikálně rozpuštěný CO2 – 7% hydrogenkarbonát (CO2 + H2O → HCO3- + H+ , protony z velké části pufruje Hb) – 70% vázaný na terminální aminoskupiny Hb – karbaminohemoglobin, obdobně i na další plasmatické bílkoviny – celkem 23%

Další funkce Hb – transport H+ a CO2 Pufrační schopnost Hb je dána vazbou protonů na histidinové zbytky globinu

Bohrův efekt Vazba protonů na histidinové zbytky umožňuje vznik iontových vazeb, což usnadní uvolnění kyslíku z oxyhemoglobinu - to je podkladem již zmíněného posunu disociační křivky doprava

Haldaneův efekt Deoxygenace krve zvyšuje její kapacitu pro přenos CO2, oxygenace podporuje uvolňování CO2. Proč? Oxyhemoglobin je silnější kyselina a odštěpuje tedy více protonů, ty reagují s hydrogenkarbonátem a vzniklý CO2 difunduje do alveolů. Oxyhemoglobin má také menší schopnost vázat CO2 ve formě karbaminohemoglobinu.

2,3-bisfosfoglycerát vzniká z meziproduktu glykolýzy 1,3-BPG stabilizuje deoxygenovonou formu Hb vytvořením příčných vazeb mezi beta řetězci globinu – tím posouvá saturační křivku doprava podpora uvolňování kyslíku vystupňováním glykolýzy při delší hypoxii dává smysl, zvýšení 2,3-BPG v ery ale také snižuje schopnost Hb vázat kyslík při jeho nižším alveolárním parciálním tlaku, adaptivní význam 2,3-BPG při hypoxii proto není jednoznačný

Fetální hemoglobin skládá se ze 2 alfa a 2 gamma řetězců 2,3-BPG se na něj váže mnohem slaběji, což vysvětluje vyšší afinitu HbF ke kyslíku – posun křivky doleva fetální erytrocyty díky tomu mohou přebírat kyslík od mateřských

Methemoglobin Oxidace hemového železa na FeIII znemožňuje vazbu kyslíku Zpětnou redukci katalyzuje methemoglobinreduktáza Příčiny methemoglobinemie: - chemikálie - snížená aktivita methemoglobinreduktázy (kojenci) - mutantní formy – dědičné M varianty Hb (stabilizují FeIII)

Methemoglobin Methemoglobinizující látky: - oxidy dusíku, deriváty anilinu a nitrobenzenu - sulfonamidy, chlorochin, dapson, amylnitrit, 4-dimetylaminofenol (terapie otravy kyanidy – mají vyšší afinitu k MetHb než k cytochromům)

Methemoglobin Příznaky: tachykardie, únava, švestková cyanóza, hnědá krev, dušnost, porucha vědomí, smrt V ery se tvoří reaktivní formy kyslíku, poškozují strukturu, dochází k hemolýze, hemoglobinurii, tubulární nekróze Terapie: redukční látky – toluidinová modř, metylénová modř, kyselina askorbová

Karbonylhemoglobin (karboxy-) CO se váže na hemové železo 300x pevněji než kyslík, již v koncentraci 0,05% může zablokovat 50% Hb Do 10% COHb je prakticky bez příznaků, běžné u kuřáků Vazba ja sice pevná, ale reversibilní – poločas asi 4h Při otravě podání kyslíku, ev.hyperbaricky - poločas se výrazně zkrátí

Glykovaný hemoglobin Hydroxyl Glc se váže na aminoskupiny lysylových zbytků a N-konců hemoglobinu Vazba je ireverzibilní, podíl glykovaného Hb odráží průměrnou koncentraci Glc v předcházejících 6-8 týdnech

Hemoglobin S – srpkovitá anémie AR, bodová mutace – záměna polárního Glu za nepolární Val - způsobuje polymeraci deoxygenovaného HbS Erytrocyty se díky tomu zkroutí a jsou náchylné k lýze, blokují kapiláry

Thalasémie Porucha syntézy globinových řetězců alfa nebo beta, druhý typ je v nadbytku – precipituje a způsobuje předčasnou destrukci ery Alfa thalasémie - nedostatek alfa řetězců postihne i HbF, alely jsou v genomu 4 – 4 stupně závažnosti Beta thalasémie – 2 alely, nedostatek/chybění HbA

Měření saturace Hb kyslíkem Saturaci Hb kyslíkem souhrně vyjadřuje rovnice: Pulsní oxymetrie využívá rozdílné absorpce světla dvou vlnových délek – červeného a infračerveného, odliší pouze deoxygenovaný Hb od ostatního – tedy oxygenovaného, COHb a MetHb - při vyšší koncentraci COHb a MetHb ukazuje falešně vysoké hodnoty.