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

Mr = 64 500 Obrázek převzat z http://dtc.pima.edu/~biology/202alpha/lesson1/hemoglobin.jpg (březen 2007)

nemá kvarterní strukturu, má pouze 1 polypeptidový řetězec HEM hemoglobin MYOGLOBIN nemá kvarterní strukturu, má pouze 1 polypeptidový řetězec slouží ve svalu k vazbě O2 „do zásoby“ váže kyslík pevněji než hemoglobin Obrázky převzaty z http://www.virtuallaboratory.net/Biofundamentals/lectureNotes/AllGraphics/myoglobinSurface.jpg a z http://courses.washington.edu/conj/protein/hemo.gif (březen 2007)

Typy hemoglobinu a jeho podjednotek dospělý (adult) hemoglobin: HbA1 = 22 HbA2 = 22 (asi 2% z celkového Hb dospělých) fetální hemoglobin HbF = 22 ! vyšší afinita k O2 než má HbA ! váže kyslík pevněji i při nižším pO2 v krvi (placenta!)

Obrázek převzat z http://www. labcorp 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

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

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 onemocnění s 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 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 - převážně ve formě HCO3- (~ 70%) CO2 + H2O  H2CO3  HCO3- + H+ enzym: karbonát dehydratáza spontánní disociace (v erytrocytech) vázaný na hemoglobin (~ 23%) volně rozpuštěný (~ 7%)

Obrázek převzat z http://fig. cox. miami 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

O2 O2 Obrázek převzat z http://science.kennesaw.edu/~jdirnber/Bio2108/Lecture/LecPhysio/42-29-BloodCO2Transport-AL.gif (březen 07)

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

Saturační / disociační křivka hemoglobinu posun vlevo posun vpravo Obrázek převzat z http://dr-amy.com/rich/oxygen/fig1.gif (březen 2007)

Saturační / disociační křivka hemoglobinu posun vlevo posun vpravo Obrázek převzat z http://dr-amy.com/rich/oxygen/fig1.gif (březen 2007)

saturační křivka HbF je „posunutá vlevo“ (HbF má vyšší afinitu ke kyslíku než HbA) Obrázek převzat z http://www.biocrawler.com/encyclopedia/Fetal_hemoglobin (březen 2007)

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 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 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

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

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

Patologické deriváty hemoglobinu methemoglobin (nad 3%) metHb Fe3+ místo Fe2+ nemůže přenášet kyslík !!! glykovaný hemoglobin (nad 6%) HbA1c při dlouhodobě zvýšené glykemii karbonylhemoglobin (nad 2%) COHb při otravách oxidem uhelnatým 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)

CO se váže na Fe2+ místo kyslíku Obrázek převzat z http://www.orthosmoke.org/index.php/pt/Carbon%20Monoxide (březen 2007)

Saturace Hb oxidem uhelnatým / saturace Hb kyslíkem Obrázek převzat z http://dr-amy.com/rich/oxygen/fig1.gif (březen 2007)

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)

Otrava oxidem uhelnatým 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

„třešňově zbarvená kůže“ Obrázek převzat z http://www.acsu.buffalo.edu/~lcscott/carbonmonoxide.html (březen 2007)

Saturace Hb oxidem uhelnatým COHb / celkový Hb (poměr v %) Saturace Hb oxidem uhelnatým 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 fyziologicky:  2% Obrázek převzat z http://www.uhseast.com/134221.cfm (březen 2007)

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

Otrava oxidem uhelnatým 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