Hemoglobin - Hemoglobin

Hemoglobin
(heterotetramer, (αβ) 2 )
1GZX Haemoglobin.png
Struktur av humant hemoglobin. a- og β- underenhetene er henholdsvis i rødt og blått, og de jernholdige hemgruppene i grønt. Fra PDB : 1GZX Proteopedia Hemoglobin
Proteintype metalloprotein , globulin
Funksjon oksygen -transport
Kofaktor (er) heme (4)
Navn på underenhet Gene Kromosomal locus
Hb-α1 HBA1 Chr. 16 s13.3
Hb-α2 HBA2 Chr. 16 s13.3
Hb-β HBB Chr. 11 s15.5

Hemoglobin eller hemoglobin ( staveforskjeller ) (fra det greske ordet αἷμα, haima 'blod' + latin globus 'ball, kule' + -in ) ( / ˌ t jeg m ə ɡ l oʊ b ɪ n , h ɛ m oʊ ˌ - / ), forkortet Hb eller Hgb , er den jerninneholdende oksygen -Transport metalloprotein i de røde blodcellene (erytrosytter) av nesten alle virveldyr (unntaket er fisken familien channichthyidae ) samt vevene hos noen virvelløse dyr . Hemoglobin i blod fører oksygen fra lungene eller gjellene til resten av kroppen (dvs. vevet). Der frigjør det oksygen for å tillate aerob respirasjon å gi energi til å drive organismens funksjoner i prosessen som kalles metabolisme . Et sunt individ har 12 til 20 gram hemoglobin i hver 100 ml blod.

Hos pattedyr utgjør proteinet omtrent 96% av de røde blodcellenes tørrinnhold (i vekt), og rundt 35% av det totale innholdet (inkludert vann). Hemoglobin har en oksygenbindingskapasitet på 1,34 ml O 2 per gram, noe som øker den totale blodoksygenkapasitet sytti-ganger sammenlignet med oppløst oksygen i blodet. Hemoglobinmolekylet hos pattedyr kan binde (bære) opptil fire oksygenmolekyler.

Hemoglobin er involvert i transport av andre gasser: Det bærer noe av kroppens respiratoriske karbondioksid (omtrent 20–25% av totalen) som karbaminohemoglobin , der CO 2 er bundet til hemproteinet . Molekylet som også bærer viktig regulatorisk molekyl nitrogenoksid bundet til en globinproteinprodukt tiol gruppe, frigjør det samtidig som oksygen.

Hemoglobin finnes også utenfor røde blodlegemer og deres stamfaderlinjer. Andre celler som inneholder hemoglobin inkluderer A9 dopaminerge nevroner i substantia nigra , makrofager , alveolære celler , lunger, retinalt pigmentepitel, hepatocytter, mesangialceller i nyrene, endometrieceller, livmorhalsceller og vaginale epitelceller. I disse vevene har hemoglobin en ikke-oksygenbærende funksjon som en antioksidant og en regulator av jernmetabolismen . Overdreven glukose i blodet kan feste seg til hemoglobin og øke nivået av hemoglobin A1c.

Hemoglobin og hemoglobinlignende molekyler finnes også i mange virvelløse dyr, sopp og planter. I disse organismer kan hemoglobiner bære oksygen, eller de kan virke for å transportere og regulere andre små molekyler og ioner som karbondioksid, nitrogenoksid, hydrogensulfid og sulfid. En variant av molekylet, kalt leghemoglobin , brukes til å fjerne oksygen fra anaerobe systemer, for eksempel nitrogenfikserende knuter av belgfrukter , for ikke å oksygengifte (deaktivere) systemet.

Hemoglobinemi er en medisinsk tilstand der det er et overskudd av hemoglobin i blodplasmaet . Dette er en effekt av intravaskulær hemolyse , der hemoglobin skilles fra røde blodlegemer , en form for anemi .

Forskningshistorie

Max Perutz vant Nobelprisen for kjemi for sitt arbeid med å bestemme molekylstrukturen til hemoglobin og myoglobin

I 1825 oppdaget Johann Friedrich Engelhart at forholdet mellom jern og protein er identisk i hemoglobinene til flere arter. Fra den kjente atommassen av jern beregnet han molekylmassen til hemoglobin til n × 16000 ( n = antall jernatomer per hemoglobin, nå kjent for å være 4), den første bestemmelsen av et proteins molekylmasse. Denne "forhastede konklusjonen" fikk den gang mye latterliggjøring fra forskere som ikke kunne tro at noe molekyl kunne være så stort. Gilbert Smithson Adair bekreftet Engelharts resultater i 1925 ved å måle det osmotiske trykket til hemoglobinløsninger.

Den oksygenbærende egenskapen til hemoglobin ble beskrevet av Hünefeld i 1840. I 1851 publiserte den tyske fysiologen Otto Funke en serie artikler der han beskrev voksende hemoglobinkrystaller ved å fortynne røde blodlegemer suksessivt med et løsningsmiddel som rent vann, alkohol eller eter , etterfulgt av langsom fordampning av løsningsmidlet fra den resulterende proteinoppløsning. Hemoglobins reversible oksygenering ble beskrevet noen år senere av Felix Hoppe-Seyler .

I 1959 bestemte Max Perutz molekylstrukturen til hemoglobin ved røntgenkrystallografi . Dette arbeidet resulterte i at han delte med John Kendrew Nobelprisen i kjemi i 1962 for deres studier av strukturene til kuleproteiner.

Hemoglobins rolle i blodet ble belyst av den franske fysiologen Claude Bernard . Navnet hemoglobin er avledet fra ordene heme og globin , noe som gjenspeiler det faktum at hver underenhet av hemoglobin er et globulært protein med en innebygd hemgruppe . Hver hemegruppe inneholder ett jernatom, som kan binde ett oksygenmolekyl gjennom ioninduserte dipolkrefter. Den vanligste typen hemoglobin hos pattedyr inneholder fire slike underenheter.

Genetikk

Hemoglobin består av proteinunderenheter ( globinmolekylene ), og disse proteinene er i sin tur brettede kjeder av et stort antall forskjellige aminosyrer som kalles polypeptider . Aminosyresekvensen til et hvilket som helst polypeptid som er opprettet av en celle, blir igjen bestemt av strekningene av DNA som kalles gener. I alle proteiner er det aminosyresekvensen som bestemmer proteinets kjemiske egenskaper og funksjon.

Det er mer enn ett hemoglobin -gen: hos mennesker er hemoglobin A (hovedformen av hemoglobin tilstede hos voksne) kodet av genene, HBA1 , HBA2 og HBB . Hemoglobin -underenheten alfa 1 og alfa 2 er kodet av henholdsvis genene HBA1 og HBA2 , som begge er på kromosom 16 og ligger nær hverandre. Hemoglobinsubenheten beta er kodet av HBB -genet som er på kromosom 11. Aminosyresekvensene til globinproteinene i hemoglobiner varierer vanligvis mellom artene. Disse forskjellene vokser med evolusjonær avstand mellom arter. For eksempel er de vanligste hemoglobinsekvensene hos mennesker, bonoboer og sjimpanser helt identiske, uten en eneste aminosyreforskjell i verken alfa- eller beta -globinproteinkjedene. Mens menneskelig og gorillahemoglobin er forskjellige i en aminosyre i både alfa- og betakjeder, blir disse forskjellene større mellom mindre nært beslektede arter.

Selv innenfor en art finnes det varianter av hemoglobin, selv om en sekvens vanligvis er "vanligst" i hver art. Mutasjoner i genene for den hemoglobin -proteinet i en art resultere i hemoglobinvarianter . Mange av disse mutante former for hemoglobin forårsaker ingen sykdom. Noen av disse mutante former for hemoglobin forårsaker imidlertid en gruppe arvelige sykdommer som kalles hemoglobinopatier . Den mest kjente hemoglobinopati er sigdcellesykdom , som var den første menneskelige sykdommen hvis mekanisme ble forstått på molekylært nivå. A (for det meste) separat sett av sykdommer som kalles thalassemias innebærer underproduksjon av normale og unormale noen ganger hemoglobiner, gjennom problemer og mutasjoner i globin genregulering . Alle disse sykdommene gir anemi .

Proteinjustering av humane hemoglobinproteiner, henholdsvis alfa-, beta- og delta -underenheter. Justeringene ble opprettet ved hjelp av UniProts justeringsverktøy som er tilgjengelig online.

Variasjoner i hemoglobin -aminosyresekvenser, som med andre proteiner, kan være adaptive. Det er for eksempel funnet at hemoglobin på forskjellige måter tilpasser seg store høyder. Organismer som lever på høye høyder opplever lavere delvis trykk av oksygen sammenlignet med havnivået. Dette er en utfordring for organismer som lever i slike miljøer fordi hemoglobin, som normalt binder oksygen ved høyt delvis trykk av oksygen, må kunne binde oksygen når det er tilstede ved et lavere trykk. Ulike organismer har tilpasset seg en slik utfordring. For eksempel har nylige studier foreslått genetiske varianter hos hjortemus som hjelper til med å forklare hvordan hjortemus som lever i fjellet er i stand til å overleve i den tynne luften som følger med store høyder. En forsker fra University of Nebraska-Lincoln fant mutasjoner i fire forskjellige gener som kan redegjøre for forskjeller mellom hjortemus som lever i lavlandsprærier versus fjellene. Etter å ha undersøkt ville mus fanget fra både høylandet og lavlandet, ble det funnet at: genene til de to rasene er "praktisk talt identiske-bortsett fra de som styrer oksygenbærende kapasitet til hemoglobinet". "Den genetiske forskjellen gjør at høylandmus kan utnytte oksygen mer effektivt", siden det er mindre tilgjengelig på høyere høyder, for eksempel i fjellet. Mammoth hemoglobin inneholdt mutasjoner som tillot oksygenlevering ved lavere temperaturer, og dermed muliggjorde mammutter å migrere til høyere breddegrader under Pleistocene . Dette ble også funnet hos kolibrier som bor i Andesfjellene. Kolibrier bruker allerede mye energi og har dermed høye oksygenbehov, men allikevel har det vist seg at andiske kolibrier trives i store høyder. Ikke-synonyme mutasjoner i hemoglobingenet til flere arter som lever i høye høyder ( Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas og A. viridicuada ) har forårsaket at proteinet har mindre affinitet for inositolheksafosfat (IHP ), et molekyl som finnes hos fugler som har en lignende rolle som 2,3-BPG hos mennesker; dette resulterer i evnen til å binde oksygen i lavere partielle trykk.

Fuglenes unike sirkulasjonslunge fremmer også effektiv bruk av oksygen ved lave delvise trykk på O 2 . Disse to tilpasningene forsterker hverandre og står for fuglenes bemerkelsesverdige høydeytelse.

Hemoglobin -tilpasning strekker seg også til mennesker. Det er en høyere overlevelsesrate for avkom blant tibetanske kvinner med høye oksygenmetningsgenotyper som bor på 4000 moh. Naturlig seleksjon ser ut til å være hovedkraften på dette genet fordi dødeligheten for avkom er betydelig lavere for kvinner med høyere hemoglobin-oksygenaffinitet sammenlignet med dødeligheten for avkom fra kvinner med lav hemoglobin-oksygenaffinitet. Selv om den eksakte genotypen og mekanismen som dette skjer er ennå ikke klar, virker seleksjon på disse kvinnenes evne til å binde oksygen ved lave partielle trykk, noe som generelt gir dem mulighet til bedre å opprettholde viktige metabolske prosesser.

Syntese

Hemoglobin (Hb) syntetiseres i en kompleks rekke trinn. Hemdelen del syntetiseres i en rekke trinn i mitokondriene og cytosolen til umodne røde blodlegemer, mens globinproteindelene syntetiseres av ribosomer i cytosolen. Produksjonen av Hb fortsetter i cellen gjennom den tidlige utviklingen fra proerythroblast til retikulocytt i beinmargen . På dette tidspunktet går kjernen tapt i røde blodlegemer i pattedyr, men ikke hos fugler og mange andre arter. Selv etter tap av kjernen hos pattedyr, tillater gjenværende ribosomalt RNA ytterligere syntese av Hb til retikulocytten mister sitt RNA like etter at den har kommet inn i vaskulaturen (denne hemoglobinsyntetiske RNA gir faktisk retikulocytten sitt retikulerte utseende og navn).

Struktur av hem

Heme b -gruppen

Hemoglobin har en kvartær struktur som er karakteristisk for mange globulære proteiner med flere underenheter. De fleste aminosyrene i hemoglobin danner alfa-spiraler , og disse spiralene er forbundet med korte ikke-spiralformede segmenter. Hydrogenbindinger stabiliserer spiralformede seksjoner inne i dette proteinet, og forårsaker attraksjoner i molekylet, som deretter får hver polypeptidkjede til å brette seg til en bestemt form. Hemoglobins kvartære struktur kommer fra de fire underenhetene i omtrent et tetraedrisk arrangement.

I de fleste virveldyr, hemoglobinmolekylet er en enhet bestående av fire globulære protein subenheter. Hver underenhet er sammensatt av en proteinkjede som er tett forbundet med en ikke-protein- protetisk hemgruppe . Hver proteinkjede arrangeres i et sett med alfa-helix- konstruksjonssegmenter koblet sammen i et globinfold- arrangement. Et slikt navn er gitt fordi dette arrangementet er det samme foldemotivet som brukes i andre hem/globinproteiner som myoglobin . Dette foldemønsteret inneholder en lomme som binder hemgruppen sterkt.

En hemgruppe består av et jern (Fe) -ion holdt i en heterocyklisk ring, kjent som en porfyrin . Denne porfyrinringen består av fire pyrrolmolekyler som er syklisk knyttet sammen (med metinbroer ) med jernionen bundet i midten. Jernionen, som er stedet for oksygenbinding, koordinerer med de fire nitrogenatomer i midten av ringen, som alle ligger i ett plan. Jernet er sterkt (kovalent) bundet til det kuleproteinet via N -atomene i imidazolringen til F8 histidinrester (også kjent som det proksimale histidinet) under porfyrinringen. En sjette posisjon kan reversibelt binde oksygen med en koordinat kovalent binding , og fullføre den oktaedriske gruppen på seks ligander. Denne reversible bindingen med oksygen er derfor hemoglobin er så nyttig for å transportere oksygen rundt i kroppen. Oksygen binder seg i en "ende-på-bøyd" geometri der det ene oksygenatomet binder seg til Fe og det andre stikker ut i en vinkel. Når oksygen ikke er bundet, fyller et svært svakt bundet vannmolekyl stedet og danner en forvrengt oktaeder .

Selv om karbondioksid bæres av hemoglobin, konkurrerer det ikke med oksygen om jernbindingsposisjonene, men er bundet til amingruppene i proteinkjedene knyttet til hemgruppene.

Den jernioner kan være enten i den jernholdige Fe 2+ eller i treverdig Fe 3+ tilstand, men ferrihemoglobin ( methemoglobin ) (Fe 3+ ) som ikke kan binde oksygen. Ved binding oksiderer oksygen midlertidig og reversibelt (Fe 2+ ) til (Fe 3+ ) mens oksygen midlertidig blir til superoksydionen , og derfor må jern eksistere i +2 oksidasjonstilstanden for å binde oksygen. Hvis superoksidion assosiert med Fe 3+ blir protonert, forblir hemoglobinjernet oksidert og ute av stand til å binde oksygen. I slike tilfeller vil enzymet methemoglobin reduktase til slutt kunne reaktivere methemoglobin ved å redusere jernsenteret.

Hos voksne mennesker er den vanligste hemoglobintypen en tetramer (som inneholder fire underenhetsproteiner) kalt hemoglobin A , bestående av to α og to β-underenheter som ikke er kovalent bundet, hver laget av henholdsvis 141 og 146 aminosyrerester. Dette er betegnet som α 2 β 2 . Underenhetene er strukturelt like og omtrent like store. Hver underenhet har en molekylvekt på omtrent 16 000  dalton , for en total molekylvekt av tetrameren på omtrent 64 000 dalton (64 458 g/mol). Således er 1 g/dL = 0,15551 mmol/L. Hemoglobin A er det mest intensivt studerte av hemoglobinmolekylene.

Hos spedbarn består hemoglobinmolekylet av 2 a -kjeder og 2 y -kjeder. Gamakjedene blir gradvis erstattet av β -kjeder etter hvert som barnet vokser.

De fire polypeptidkjedene er bundet til hverandre av saltbroer , hydrogenbindinger og den hydrofobe effekten .

Oksygenmetning

Generelt kan hemoglobin mettes med oksygenmolekyler (oksyhemoglobin), eller desatureres med oksygenmolekyler (deoksyhemoglobin).

Oksyhemoglobin

Oksyhemoglobin dannes under fysiologisk respirasjon når oksygen binder seg til hemkomponenten i proteinet hemoglobin i røde blodlegemer. Denne prosessen skjer i lungekapillærene ved siden av alveolene i lungene. Oksygenet beveger seg deretter gjennom blodstrømmen for å slippes av i celler der det brukes som en terminal elektronakseptor i produksjonen av ATP ved prosessen med oksidativ fosforylering . Det bidrar imidlertid ikke til å motvirke en reduksjon i blodets pH. Ventilasjon eller pust kan reversere denne tilstanden ved fjerning av karbondioksid , og dermed føre til en endring i pH.

Hemoglobin finnes i to former, en stram (spent) form (T) og en avslappet form (R). Ulike faktorer som lav pH, høyt CO 2 og høyt 2,3 BPG på vevsnivå favoriserer den stramme formen, som har lav oksygenaffinitet og frigjør oksygen i vevet. Omvendt favoriserer en høy pH, lav CO 2 eller lav 2,3 BPG den avslappede formen, som bedre kan binde oksygen. Deltrykket i systemet påvirker også O 2 -affinitet der, ved høyt delvis trykk av oksygen (for eksempel de som er tilstede i alveolene), er den avslappede (høy affinitet, R) tilstand favorisert. Omvendt, ved lavt partiell trykk (slik som de som er tilstede i respirasjonsvev), foretrekkes (lav affinitet, T) spenningstilstand. I tillegg trekker bindingen av oksygen til jern (II) hemmen jernet inn i planet til porfyrinringen, noe som forårsaker et lite konformasjonsskifte. Skiftet oppmuntrer oksygen til å binde seg til de tre gjenværende hemene i hemoglobin (dermed er oksygenbinding samarbeidende).

Deoksygenert hemoglobin

Deoksygenert hemoglobin er form av hemoglobin uten bundet oksygen. Den absorpsjonsspektra av oksyhemoglobin og deoksyhemoglobin er forskjellige. Oksyhemoglobinet har betydelig lavere absorpsjon av bølgelengden på 660 nm enn deoksyhemoglobin, mens absorpsjonen ved 940 nm er litt høyere. Denne forskjellen brukes til måling av oksygenmengden i pasientens blod av et instrument som kalles et pulsoksymeter . Denne forskjellen står også for presentasjonen av cyanose , den blå til lilla fargen som vev utvikler under hypoksi .

Deoksygenert hemoglobin er paramagnetisk ; den tiltrekkes svakt av magnetfelt . I kontrast viser oksygenert hemoglobin diamagnetisme , en svak frastøtning fra et magnetfelt.

Evolusjon av virveldyrs hemoglobin

Forskere er enige om at hendelsen som skilte myoglobin fra hemoglobin skjedde etter at lampreys divergerte fra kjevevirveldyr . Denne separasjonen av myoglobin og hemoglobin tillot de forskjellige funksjonene til de to molekylene å oppstå og utvikle seg: myoglobin har mer å gjøre med oksygenlagring mens hemoglobin har til oppgave å transportere oksygen. De a- og β-lignende globingenene koder for proteinets individuelle underenheter. Forløperne til disse genene oppsto gjennom en annen dupliseringshendelse også etter den gnathosome vanlige stamfaren som stammer fra kjevefri fisk, for cirka 450–500 millioner år siden. Forfedre rekonstruksjonsstudier tyder på at preduplikasjonsforfaren til α- og β -genene var en dimer bestående av identiske globinunderenheter, som deretter utviklet seg til å samles til en tetramerisk arkitektur etter dupliseringen. Utviklingen av a- og β -gener skapte potensialet for hemoglobin å være sammensatt av flere forskjellige underenheter, en fysisk sammensetning sentral for hemoglobins evne til å transportere oksygen. Å ha flere underenheter bidrar til hemoglobins evne til å binde oksygen i samarbeid og reguleres allosterisk. Deretter gjennomgikk α -genet også en dupliseringshendelse for å danne HBA1- og HBA2 -genene. Disse ytterligere dupliseringene og forskjellene har skapt et mangfoldig utvalg av a- og β-lignende globin-gener som er regulert slik at visse former oppstår på forskjellige utviklingstrinn.

De fleste isfisk fra familien Channichthyidae har mistet hemoglobingenene som en tilpasning til kaldt vann.

Jernets oksidasjonstilstand i oksyhemoglobin

Det er vanskelig å tildele oksygenert hemoglobins oksidasjonstilstand fordi oksyhemoglobin (Hb-O 2 ), ved eksperimentell måling, er diamagnetisk (ingen nettparede elektroner), men de laveste energi (grunnstat) elektronkonfigurasjonene i både oksygen og jern er paramagnetiske (antyder minst ett uparret elektron i komplekset). Den laveste energiformen av oksygen og de laveste energiformene for de relevante oksidasjonstilstandene for jern, er disse:

  • Triplet oksygen , den laveste energimolekylære oksygenarten, har to uparede elektroner i antibindende π* molekylære orbitaler.
  • Jern (II) har en tendens til å eksistere i en high-spin 3d 6- konfigurasjon med fire uparrede elektroner.
  • Jern (III) (3d 5 ) har et oddetall elektroner, og må derfor ha ett eller flere uparrede elektroner i enhver energitilstand.

Alle disse strukturene er paramagnetiske (har uparede elektroner), ikke diamagnetiske. Således må en ikke-intuitiv (f.eks. En høyere energi for minst en art) fordeling av elektroner i kombinasjonen av jern og oksygen eksistere, for å forklare den observerte diamagnetismen og ingen uparrede elektroner.

De to logiske mulighetene for å produsere diamagnetisk (ingen netto spinn) Hb-O 2 er:

  1. Lavspinn Fe 2+ binder seg til singlet oksygen . Både jern med lavt spinn og singlet oksygen er diamagnetisk. Imidlertid er singlettformen av oksygen molekylens form med høyere energi.
  2. Lavspinn Fe 3+ binder seg til O 2 •- ( superoksydionen ) og de to uparrede elektronene kobler antiferromagnetisk, noe som gir observerte diamagnetiske egenskaper. Her har jernet blitt oksidert (har mistet ett elektron), og oksygenet er redusert (har fått ett elektron).

En annen mulig modell der lavspinn Fe 4+ binder seg til peroksid, O 2 2− , kan utelukkes av seg selv, fordi jernet er paramagnetisk (selv om peroksydionen er diamagnetisk). Her har jernet blitt oksidert av to elektroner, og oksygenet redusert med to elektroner.

Direkte eksperimentelle data:

Således er den nærmeste formelle oksidasjonstilstand for jern i Hb-O 2 er det tre tilstand, med oksygen i -1 tilstand (som superoksid . O 2 - ). Diamagnetismen i denne konfigurasjonen stammer fra det enkelt uparede elektronet på superoksyd som justerer antiferromagnetisk med det enkelt uparrede elektronet på jern (i lav spinn d 5- tilstand), for ikke å gi nettospinn til hele konfigurasjonen, i samsvar med diamagnetisk oksyhemoglobin fra eksperimentet .

Det andre valget av de logiske mulighetene ovenfor for diamagnetisk oksyhemoglobin som blir funnet riktig ved forsøk, er ikke overraskende: singlet oksygen (mulighet #1) er en urealistisk høyenergitilstand. Modell 3 fører til ugunstig separasjon av ladning (og er ikke enig med de magnetiske dataene), selv om den kan gi et mindre bidrag som resonansform . Jernskifte til en høyere oksidasjonstilstand i Hb-O 2 reduserer atomets størrelse og lar det komme inn i planet til porfyrinringen, trekker på den koordinerte histidinresten og starter de allosteriske endringene som sees i globulinene.

Tidlige postulater av bio-uorganiske kjemikere hevdet at mulighet nr. 1 (ovenfor) var riktig og at jern skulle eksistere i oksidasjonstilstand II. Denne konklusjonen virket sannsynlig, siden jernoksidasjonstilstand III som methemoglobin , når den ikke ble ledsaget av superoksid . O 2 - for å "holde" oksidasjonselektronet, var kjent for å gjøre hemoglobin ute av stand til å binde normal triplett O 2 slik det forekommer i luften. Det ble dermed antatt at jern forble som Fe (II) når oksygengass ble bundet i lungene. Jernkjemien i denne forrige klassiske modellen var elegant, men den nødvendige tilstedeværelsen av det diamagnetiske, høyenergiske singlet oksygenmolekylet ble aldri forklart. Det ble klassisk hevdet at bindingen av et oksygenmolekyl plasserte jern med høy spinn (II) i et oktaedrisk felt av sterkfeltligander; denne endringen i feltet ville øke krystallfeltets splittelsesenergi , noe som ville få jernets elektroner til å koble seg til lavspinnkonfigurasjonen, noe som ville være diamagnetisk i Fe (II). Denne tvungne lavspinnsparingen antas faktisk å skje i jern når oksygen binder seg, men er ikke nok til å forklare jernets endring i størrelse. Ekstraksjon av et ekstra elektron fra jern med oksygen er nødvendig for å forklare både jernets mindre størrelse og observerte økte oksidasjonstilstand og oksygenets svakere binding.

Tildelingen av en oksidasjonstilstand med hele tall er en formalisme, ettersom kovalente bindinger ikke er påkrevd for å ha perfekte bindingsordre som involverer hele elektronoverføring. Dermed kan alle tre modellene for paramagnetisk Hb-O 2 i liten grad (ved resonans) bidra til den faktiske elektroniske konfigurasjonen av Hb-O 2 . Imidlertid er modellen av jern i Hb-O 2 som er Fe (III) mer korrekt enn den klassiske ideen om at det forblir Fe (II).

Samarbeid

En skjematisk visuell modell av oksygenbindende prosess, som viser alle fire monomerer og hemer , og proteinkjeder bare som diagrammatiske spoler, for å lette visualisering inn i molekylet. Oksygen er ikke vist i denne modellen, men, for hver av jernatomene, det binder seg til jern (rød kule) i den flate heme . For eksempel, øverst til venstre for de fire hemene som vises, binder oksygen seg til venstre for jernatomet vist øverst til venstre i diagrammet. Dette får jernatomet til å bevege seg bakover i hemmen som holder det (jernet beveger seg oppover når det binder oksygen, i denne illustrasjonen), og trekker histidinresten (modellert som en rød femkant til høyre for jernet) nærmere, mens det gjør. Dette trekker igjen på proteinkjeden som holder histidinet .

Når oksygen binder seg til jernkomplekset, får det jernatomet til å bevege seg tilbake mot midten av planet til porfyrinringen (se bevegelsesdiagram). På samme tid trekkes imidazolsidekjeden til histidinresten som interagerer på den andre polen i jernet mot porfyrinringen. Denne interaksjonen tvinger ringens plan sidelengs mot utsiden av tetrameren, og induserer også en belastning i proteinhelixen som inneholder histidinet når det beveger seg nærmere jernatomet. Denne stammen overføres til de resterende tre monomerer i tetrameren, hvor den induserer en lignende konformasjonsendring i de andre hem -stedene slik at binding av oksygen til disse stedene blir lettere.

Ettersom oksygen binder seg til en monomer av hemoglobin, skifter tetramers konformasjon fra T (spent) tilstand til R (avslappet) tilstand. Dette skiftet fremmer bindingen av oksygen til de resterende tre monomerens hemgrupper, og metter dermed hemoglobinmolekylet med oksygen.

I den tetrameriske formen av normalt voksent hemoglobin er bindingen av oksygen dermed en kooperativ prosess . Bindingsaffiniteten til hemoglobin for oksygen økes av oksygenmetningen i molekylet, med de første oksygenbindede molekylene som påvirker formen på bindingsstedene for de neste, på en måte som er gunstig for binding. Denne positive kooperative bindingen oppnås gjennom steriske konformasjonsendringer av hemoglobinproteinkomplekset som diskutert ovenfor; dvs. når et subenhetprotein i hemoglobin blir oksygenert, starter en konformasjons- eller strukturendring i hele komplekset, noe som får de andre underenhetene til å få en økt affinitet for oksygen. Som en konsekvens er oksygenbindingskurven til hemoglobin sigmoidal eller S -formet, i motsetning til den normale hyperboliske kurven forbundet med ikke -samarbeidsbinding.

Den dynamiske mekanismen for kooperativitet i hemoglobin og dets forhold til lavfrekvent resonans har blitt diskutert.

Binding for andre ligander enn oksygen

Foruten den oksygen -ligand , som bindes til hemoglobin på et samvirkende hemoglobin ligander inkluderer også konkurrerende inhibitorer så som karbonmonoksyd (CO) og allosteriske ligander så som karbondioksyd (CO 2 ) og nitrogenoksid (NO). Karbondioksidet er bundet til aminogrupper i globinproteinene for å danne karbaminohemoglobin ; Denne mekanismen antas å utgjøre omtrent 10% av karbondioksidtransporten hos pattedyr. Nitrogenoksid kan også transporteres av hemoglobin; det er bundet til spesifikke tiolgrupper i globinproteinet for å danne et S-nitrosothiol, som dissosierer til fritt nitrogenoksid og tiol igjen, ettersom hemoglobinet frigjør oksygen fra hemstedet. Denne nitrogenoksydtransporten til perifert vev antas å hjelpe oksygen transport i vev, ved å frigjøre vasodilatorisk nitrogenoksid til vev der oksygennivået er lavt.

Konkurransedyktig

Oksygenbindingen påvirkes av molekyler som karbonmonoksid (for eksempel fra tobakkrøyking , avgass og ufullstendig forbrenning i ovner). CO konkurrerer med oksygen ved hemebindingsstedet. Hemoglobins bindingsaffinitet for CO er 250 ganger større enn affiniteten for oksygen, noe som betyr at små mengder CO reduserer hemoglobins evne til å levere oksygen til målvevet dramatisk. Siden karbonmonoksid er en fargeløs, luktfri og smakløs gass, og utgjør en potensielt dødelig trussel, har karbonmonoksyddetektorer blitt kommersielt tilgjengelige for å advare om farlige nivåer i boliger. Når hemoglobin kombineres med CO, danner det en veldig lys rød forbindelse som kalles karboksyhemoglobin , som kan føre til at huden til ofre for CO -forgiftning ser rosa ut i døden, i stedet for hvit eller blå. Når inspirert luft inneholder CO -nivåer så lave som 0,02%, oppstår hodepine og kvalme ; hvis CO -konsentrasjonen økes til 0,1%, vil bevisstløshet følge. Hos storrøykere kan opptil 20% av de oksygenaktive stedene blokkeres av CO.

På lignende måte har hemoglobin også konkurrerende bindingsaffinitet for cyanid (CN - ), svovelmonoksid (SO), og sulfid (S 2 ), inkludert hydrogensulfid (H 2 S). Alle disse binder seg til jern i hem uten å endre oksidasjonstilstanden, men de hemmer likevel oksygenbinding og forårsaker alvorlig toksisitet.

Jernatomet i hemgruppen må i utgangspunktet være i jern (Fe 2+ ) oksidasjonstilstand for å støtte oksygen og andre gassers binding og transport (det bytter midlertidig til ferric i løpet av tiden oksygen er bundet, som forklart ovenfor). Første oksidasjon til ferrik (Fe 3+ ) tilstand uten oksygen omdanner hemoglobin til "hem i globin" eller methemoglobin , som ikke kan binde oksygen. Hemoglobin i normale røde blodlegemer er beskyttet av et reduksjonssystem for å forhindre at dette skjer. Nitrogenoksid er i stand til å omdanne en liten brøkdel av hemoglobin til methemoglobin i røde blodlegemer. Den siste reaksjonen er en restaktivitet av den eldre nitrogenoksyddioksygenasefunksjonen til globiner.

Allosterisk

Ytterligere informasjon: Oksygen-hemoglobin-dissosiasjonskurve

Karbon di oksyd opptar et annet bindingssted på hemoglobinet. På vev, der karbondioksidkonsentrasjonen er høyere, binder karbondioksid seg til det allosteriske hemoglobinstedet, noe som letter utlasting av oksygen fra hemoglobin og til slutt fjernes det fra kroppen etter at oksygenet har blitt frigjort til vev som gjennomgår metabolisme. Denne økte affiniteten for karbondioksid fra det venøse blodet er kjent som Bohr -effekten . Gjennom enzymet karbonanhydrase reagerer karbondioksid med vann for å gi karbonsyre , som brytes ned til bikarbonat og protoner :

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → HCO 3 - + H +
Den sigmoidale formen på hemoglobins oksygen-dissosiasjonskurve skyldes kooperativ binding av oksygen til hemoglobin.

Derfor er blod med høye karbondioksidnivåer også lavere i pH ( surere ). Hemoglobin kan binde protoner og karbondioksid, noe som forårsaker en konformasjonsendring i proteinet og letter frigjøring av oksygen. Protoner binder seg forskjellige steder på proteinet, mens karbondioksid binder seg til a-aminogruppen. Karbondioksid binder seg til hemoglobin og danner karbaminohemoglobin . Denne nedgangen i hemoglobins affinitet for oksygen ved binding av karbondioksid og syre er kjent som Bohr -effekten . Bohr -effekten favoriserer T -staten i stedet for R -staten. (flytter O 2 -metningskurven til høyre ). Motsatt, når karbondioksidnivåene i blodet synker (dvs. i lungekapillærene), frigjøres karbondioksid og protoner fra hemoglobin, noe som øker oksygenaffiniteten til proteinet. En reduksjon i den totale bindingskapasiteten til hemoglobin til oksygen (dvs. å forskyve kurven, ikke bare til høyre) på grunn av redusert pH kalles roteffekten . Dette sees hos benfisk.

Det er nødvendig for hemoglobin å frigjøre oksygenet som det binder; hvis ikke, er det ingen vits i å binde det. Den sigmoidale kurven for hemoglobin gjør det effektivt ved binding (tar opp O 2 i lungene), og effektivt ved lossing (lossing av O 2 i vev).

Hos mennesker som er akklimatisert til store høyder, øker konsentrasjonen av 2,3-bisfosfoglyserat (2,3-BPG) i blodet, noe som gjør at disse individer kan levere en større mengde oksygen til vev under forhold med lavere oksygenspenning . Dette fenomenet, hvor molekyl Y påvirker bindingen av molekyl X til et transportmolekyl Z, kalles en heterotrop allosterisk effekt. Hemoglobin i organismer i store høyder har også tilpasset seg slik at det har mindre affinitet for 2,3-BPG, og derfor vil proteinet forskyves mer mot R-tilstanden. I sin R -tilstand vil hemoglobin lettere binde oksygen, og dermed la organismer utføre de nødvendige metabolske prosessene når oksygen er tilstede ved lave partielle trykk.

Dyr bortsett fra mennesker bruke forskjellige molekyler bindes til hemoglobin og endre dens O- 2 affinitets under ugunstige betingelser. Fisk bruker både ATP og GTP . Disse binder seg til en fosfat "lomme" på fiskehemoglobinmolekylet, som stabiliserer den spente tilstanden og derfor reduserer oksygenaffiniteten. GTP reduserer hemoglobin oksygenaffinitet mye mer enn ATP, noe som antas å skyldes en ekstra hydrogenbinding dannet som ytterligere stabiliserer den spente tilstanden. Under hypoksiske forhold reduseres konsentrasjonen av både ATP og GTP i fiskens røde blodlegemer for å øke oksygenaffiniteten.

En variant hemoglobin, kalt fetal hemoglobin (HbF, α 2 γ 2 ), finnes i fosteret som utvikler seg , og binder oksygen med større affinitet enn voksen hemoglobin. Dette betyr at oksygenbindingskurven for føtal hemoglobin er venstre-forskjøvet (dvs. en høyere prosentandel av hemoglobin har oksygen bundet til det ved lavere oksygenspenning), sammenlignet med for voksne hemoglobin. Som et resultat er fosterblod i morkaken i stand til å ta oksygen fra moderblod.

Hemoglobin bærer også nitrogenoksid (NO) i globindelen av molekylet. Dette forbedrer oksygentilførselen i periferien og bidrar til kontroll av respirasjon. NO binder reversibelt til en spesifikk cysteinrest i globin; bindingen avhenger av tilstanden (R eller T) til hemoglobinet. Det resulterende S-nitrosylerte hemoglobin påvirker ulike NO-relaterte aktiviteter som kontroll av vaskulær motstand, blodtrykk og respirasjon. NO frigjøres ikke i cytoplasmaet til røde blodlegemer, men transporteres ut av dem av en anionbytter kalt AE1 .

Typer hos mennesker

Hemoglobinvarianter er en del av normal embryonal og fosterutvikling . De kan også være patologiske mutante former for hemoglobin i en populasjon , forårsaket av variasjoner i genetikk. Noen kjente hemoglobinvarianter, som sigdcelleanemi , er ansvarlige for sykdommer og regnes som hemoglobinopatier . Andre varianter forårsaker ingen påviselig patologi , og regnes dermed som ikke-patologiske varianter.

I embryoet :

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

Hos fosteret:

Etter fødselen:

  • Hemoglobin A (voksen hemoglobin) (α 2 β 2 ) ( PDB : 1BZ0 ) - Den vanligste med en normal mengde over 95%
  • Hemoglobin A 2 (α 2 δ 2 ) - δ kjedesyntese begynner sent i tredje trimester, og hos voksne har den et normalt område på 1,5–3,5%
  • Hemoglobin F (fosterhemoglobin) (α 2 γ 2 )-Hos voksne er hemoglobin F begrenset til en begrenset populasjon av røde blodlegemer som kalles F-celler. Imidlertid kan nivået av Hb F økes hos personer med sigdcellesykdom og beta-thalassemi .
Genuttrykk av hemoglobin før og etter fødsel. Identifiserer også hvilke typer celler og organer som genuttrykket er i (data om Wood WG , (1976). Br. Med. Bull. 32, 282. )

Variantformer som forårsaker sykdom:

  • Hemoglobin D-Punjab- (α 2 β D 2 )-En variant av hemoglobin.
  • Hemoglobin H (β 4 ) - En variant av hemoglobin, dannet av en tetramer av β -kjeder, som kan være tilstede i varianter av α -thalassemi .
  • Hemoglobin Barts (γ 4 ) - En variant av hemoglobin, dannet av en tetramer av y -kjeder, som kan være tilstede i varianter av α -thalassemi.
  • Hemoglobin S (α 2 β S 2 ) - En variant av hemoglobin som finnes hos mennesker med sigdcellesykdom. Det er en variasjon i β-kjedegenet, noe som forårsaker en endring i egenskapene til hemoglobin, noe som resulterer i sigd av røde blodlegemer.
  • Hemoglobin C (α 2 β C 2 )-En annen variant på grunn av en variasjon i β-kjedegenet. Denne varianten forårsaker en mild kronisk hemolytisk anemi .
  • Hemoglobin E (α 2 β E 2 )-En annen variant på grunn av en variasjon i β-kjedegenet. Denne varianten forårsaker en mild kronisk hemolytisk anemi.
  • Hemoglobin AS - En heterozygot form som forårsaker seglcelleegenskaper med ett voksengen og ett seglcellesykdomsgen
  • Hemoglobin SC sykdom - En forbindelse heterozygotisk form med en sigd-gen og en annen som koder Hemoglobin C .
  • Hemoglobin Hopkins -2 - En variant av hemoglobin som noen ganger ses i kombinasjon med Hemoglobin S for å produsere sigdcellesykdom.

Nedbrytning hos virveldyr

Når røde blodlegemer når slutten av livet på grunn av aldring eller defekter, blir de fjernet fra sirkulasjonen ved fagocytisk aktivitet av makrofager i milten eller leveren eller hemolysering i sirkulasjonen. Fritt hemoglobin blir deretter fjernet fra sirkulasjonen via hemoglobintransportøren CD163 , som utelukkende uttrykkes på monocytter eller makrofager. Innenfor disse cellene brytes hemoglobinmolekylet opp, og jernet blir resirkulert. Denne prosessen produserer også ett molekyl av karbonmonoksid for hvert molekyl av hem som brytes ned. Hemnedbrytning er den eneste naturlige kilden til karbonmonoksid i menneskekroppen, og er ansvarlig for normale blodnivåer av karbonmonoksid hos mennesker som puster normal luft. Det andre store sluttproduktet av hemnedbrytning er bilirubin . Økte nivåer av dette kjemikaliet oppdages i blodet hvis røde blodlegemer blir ødelagt raskere enn vanlig. Feil nedbrutt hemoglobinprotein eller hemoglobin som har blitt frigjort fra blodcellene for raskt, kan tette små blodkar, spesielt de delikate blodfiltrerende karene i nyrene og forårsake nyreskade. Jern fjernes fra hem og reddes for senere bruk, det lagres som hemosiderin eller ferritin i vev og transporteres i plasma av betaglobuliner som transferriner . Når porfyrinringen brytes opp, skilles fragmentene normalt ut som et gult pigment kalt bilirubin, som skilles ut i tarmen som galle. Tarmene metaboliserer bilirubin til urobilinogen. Urobilinogen forlater kroppen i avføring, i et pigment kalt stercobilin. Globulin metaboliseres til aminosyrer som deretter frigjøres til sirkulasjon.

Sykdommer relatert til hemoglobin

Hemoglobinmangel kan skyldes enten en redusert mengde hemoglobinmolekyler, som ved anemi , eller av redusert evne til hvert molekyl til å binde oksygen ved samme partielle oksygentrykk. Hemoglobinopatier (genetiske defekter som resulterer i unormal struktur av hemoglobinmolekylet) kan forårsake begge deler. Uansett reduserer hemoglobinmangel blodets oksygenbærende kapasitet . Hemoglobinmangel er generelt skilt fra hypoksemi , definert som redusert partialtrykk av oksygen i blod, selv om begge er årsaker til hypoksi (utilstrekkelig oksygentilførsel til vev).

Andre vanlige årsaker til lavt hemoglobin inkluderer tap av blod, ernæringsmangel, benmargsproblemer, kjemoterapi, nyresvikt eller unormalt hemoglobin (som for eksempel ved sigdcellesykdom).

Evnen til hvert hemoglobinmolekyl til å bære oksygen endres normalt ved endret blod -pH eller CO 2 , noe som forårsaker en endret oksygen -hemoglobin -dissosiasjonskurve . Imidlertid kan det også bli patologisk endret i f.eks. Karbonmonoksidforgiftning .

Reduksjon av hemoglobin, med eller uten en absolutt reduksjon av røde blodlegemer, fører til symptomer på anemi. Anemi har mange forskjellige årsaker, selv om jernmangel og dens resulterende jernmangelanemi er de vanligste årsakene i den vestlige verden. Ettersom fravær av jern reduserer hem -syntesen, er røde blodlegemer i jernmangelanemi hypokrom (mangler rødt hemoglobinpigment) og mikrocytisk (mindre enn normalt). Andre anemier er sjeldnere. Ved hemolyse (akselerert nedbrytning av røde blodlegemer) er assosiert gulsott forårsaket av hemoglobinmetabolitten bilirubin, og hemoglobinet i sirkulasjon kan forårsake nyresvikt .

Noen mutasjoner i globinkjeden er assosiert med hemoglobinopatiene , som sigdcellesykdom og thalassemi . Andre mutasjoner, som diskutert i begynnelsen av artikkelen, er godartede og refereres bare til som hemoglobinvarianter .

Det er en gruppe genetiske lidelser, kjent som porfyriene, som er preget av feil i metabolske veier for hem syntese. Kong George III av Storbritannia var sannsynligvis den mest kjente porfyri -lidelsen.

I liten grad kombineres hemoglobin A sakte med glukose ved terminalvalinen (en alfa -aminosyre) i hver β -kjede. Det resulterende molekylet blir ofte referert til som Hb A 1c , et glykert hemoglobin . Bindingen av glukose til aminosyrer i hemoglobinet skjer spontant (uten hjelp av et enzym) i mange proteiner, og er ikke kjent for å tjene et nyttig formål. Når konsentrasjonen av glukose i blodet øker, øker imidlertid andelen Hb A som blir til Hb A 1c . Hos diabetikere hvis glukose vanligvis går høyt, går prosentandelen Hb A 1c også høyt. På grunn av den langsomme hastigheten av Hb A -kombinasjon med glukose, gjenspeiler Hb A 1c -prosentandelen et veid gjennomsnitt av blodsukkernivået i løpet av levetiden til røde blodlegemer, som er omtrent 120 dager. Nivåene av glykert hemoglobin måles derfor for å overvåke den langsiktige kontrollen av den kroniske sykdommen ved type 2 diabetes mellitus (T2DM). Dårlig kontroll av T2DM resulterer i høye nivåer av glykert hemoglobin i de røde blodcellene. Det normale referanseområdet er omtrent 4,0–5,9%. Selv om det er vanskelig å få tak i, anbefales verdier mindre enn 7% for personer med T2DM. Nivåer større enn 9% er forbundet med dårlig kontroll av det glykatede hemoglobinet, og nivåer større enn 12% er forbundet med svært dårlig kontroll. Diabetikere som holder sine glykerte hemoglobinnivåer nær 7% har en mye bedre sjanse til å unngå komplikasjonene som kan følge med diabetes (enn de hvis nivåer er 8% eller høyere). I tillegg øker økt glykolering av hemoglobin dets affinitet for oksygen, og forhindrer derfor frigjøring i vevet og induserer et nivå av hypoksi i ekstreme tilfeller.

Forhøyede nivåer av hemoglobin er forbundet med økt antall eller størrelser av røde blodlegemer, kalt polycytemi . Denne høyden kan skyldes medfødt hjertesykdom , cor pulmonale , lungefibrose , for mye erytropoietin eller polycytemi vera . Høye hemoglobinnivåer kan også skyldes eksponering for store høyder, røyking, dehydrering (kunstig ved å konsentrere Hb), avansert lungesykdom og visse svulster.

En nylig studie gjort i Pondicherry, India, viser betydningen av koronarsykdom.

Diagnostisk bruk

Hovedartikkel: Hemoglobinometer
En hemoglobinkonsentrasjonsmåling blir administrert før en bloddonasjon ved American Red Cross Boston Blood Donation Center.

Hemoglobinkonsentrasjonsmåling er blant de vanligste blodprøvene , vanligvis som en del av et komplett blodtall . For eksempel blir det vanligvis testet før eller etter bloddonasjon . Resultatene er rapportert i g / L , g / dL eller mol / L. 1 g/dL er omtrent 0,6206 mmol/L, selv om de sistnevnte enhetene ikke brukes så ofte på grunn av usikkerhet om molekylets polymere tilstand. Denne konverteringsfaktoren, som bruker molekylvekten til en enkelt globin -enhet på 16 000 Da , er mer vanlig for hemoglobinkonsentrasjon i blod. For MCHC (gjennomsnittlig korpuskulær hemoglobinkonsentrasjon) er konverteringsfaktoren 0,155, som bruker tetramervekten på 64 500 Da, mer vanlig. Normale nivåer er:

  • Menn: 13,8 til 18,0 g/dL (138 til 180 g/L eller 8,56 til 11,17 mmol/L)
  • Kvinner: 12,1 til 15,1 g/dL (121 til 151 g/L eller 7,51 til 9,37 mmol/L)
  • Barn: 11 til 16 g/dL (110 til 160 g/L eller 6,83 til 9,93 mmol/L)
  • Gravide: 11 til 14 g/dL (110 til 140 g/L eller 6,83 til 8,69 mmol/L) (9,5 til 15 vanlig verdi under graviditet)

Normale verdier av hemoglobin i 1. og 3. trimester av gravide kvinner må være minst 11 g/dL og minst 10,5 g/dL i andre trimester.

Dehydrering eller hyperhydrering kan i stor grad påvirke målte hemoglobinnivåer. Albumin kan indikere hydreringsstatus.

Hvis konsentrasjonen er under normal, kalles dette anemi. Anemier klassifiseres etter størrelsen på røde blodlegemer, cellene som inneholder hemoglobin hos virveldyr. Anemien kalles "mikrocytisk" hvis røde blodlegemer er små, "makrocytiske" hvis de er store, og "normocytiske" ellers.

Hematokrit , andelen blodvolum opptatt av røde blodlegemer, er vanligvis omtrent tre ganger hemoglobinkonsentrasjonen målt i g/dL. For eksempel, hvis hemoglobinet måles til 17 g/dL, kan det sammenlignes med en hematokrit på 51%.

Laboratoriehemoglobintestmetoder krever en blodprøve (arteriell, venøs eller kapillær) og analyse på hematologisk analysator og CO-oksimeter. I tillegg er en ny ikke-invasiv hemoglobin (SpHb) testmetode kalt Pulse CO-oksimetri også tilgjengelig med tilsvarende nøyaktighet som invasive metoder.

Konsentrasjoner av oksy- og deoksyhemoglobin kan måles kontinuerlig, regionalt og ikke-invasivt ved bruk av NIRS . NIRS kan brukes både på hodet og på muskler. Denne teknikken brukes ofte til forskning innen f.eks. Elitesportstrening, ergonomi, rehabilitering, pasientovervåking, nyfødt forskning, funksjonell hjernemonitorering, hjerne -datamaskin -grensesnitt , urologi (blærekontraksjon), nevrologi (nevrovaskulær kobling) og mer.

Langsiktig kontroll av blodsukkerkonsentrasjonen kan måles ved konsentrasjonen av Hb A 1c . Å måle det direkte ville kreve mange prøver fordi blodsukkernivået varierer mye gjennom dagen. Hb A 1c er produktet av den irreversible reaksjonen av hemoglobin A med glukose. En høyere glukosekonsentrasjon resulterer i mer Hb A 1c . Fordi reaksjonen er treg, representerer Hb A 1c- andelen glukosenivået i blodet i gjennomsnitt over halveringstiden for røde blodlegemer, er vanligvis ~ 120 dager. En Hb A 1c- andel på 6,0% eller mindre viser god langsiktig glukosekontroll, mens verdier over 7,0% er forhøyet. Denne testen er spesielt nyttig for diabetikere.

Den funksjonelle magnetiske resonansavbildningsmaskinen (fMRI) bruker signalet fra deoksyhemoglobin, som er følsomt for magnetfelt siden det er paramagnetisk. Kombinert måling med NIRS viser god korrelasjon med både oksy- og deoksyhemoglobinsignalet sammenlignet med BOLD-signalet .

Atletisk sporing og bruk av selvsporing

Hemoglobin kan spores noninvasively, for å bygge et individuelt datasett som sporer hemokonsentrasjon og hemodilusjonseffekter av daglige aktiviteter for bedre forståelse av sportsprestasjoner og trening. Idrettsutøvere er ofte bekymret for utholdenhet og intensitet i treningen. Sensoren bruker lysdioder som avgir rødt og infrarødt lys gjennom vevet til en lysdetektor, som deretter sender et signal til en prosessor for å beregne absorpsjon av lys av hemoglobinproteinet. Denne sensoren ligner et pulsoksymeter, som består av en liten sanseenhet som klemmer seg til fingeren.

Analoger i organismer som ikke er virveldyr

Det finnes en rekke oksygen -transport og bindende proteiner i organismer i dyre- og planterikene. Organismer inkludert bakterier , protozoer og sopp har alle hemoglobinlignende proteiner hvis kjente og forutsagte roller inkluderer reversibel binding av gassformige ligander . Siden mange av disse proteiner inneholder globiner og heme -del (jern i en flat porfyrin støtte), er de ofte kalles hemoglobiner, selv om deres generelle tertiærstruktur er meget forskjellig fra den til virveldyr hemoglobin. Spesielt er skillet mellom "myoglobin" og hemoglobin hos lavere dyr ofte umulig, fordi noen av disse organismer ikke inneholder muskler . Eller de kan ha et gjenkjennelig separat sirkulasjonssystem, men ikke et som omhandler oksygen transport (for eksempel mange insekter og andre leddyr ). I alle disse gruppene omtales hem/globin-inneholdende molekyler (til og med monomere globiner) som omhandler gassbinding som oksyhemoglobiner. I tillegg til å håndtere transport og sensing av oksygen, kan de også håndtere NO, CO 2 , sulfidforbindelser, og til og med O 2 -rensing i miljøer som må være anaerobe. De kan til og med håndtere avgiftning av klorerte materialer på en måte som er analog med heminneholdende P450-enzymer og peroksidaser.

Den gigantiske rørormen Riftia pachyptila som viser røde hemoglobinholdige fjær

Strukturen til hemoglobiner varierer mellom artene. Hemoglobin forekommer i alle riker av organismer, men ikke i alle organismer. Primitive arter som bakterier, protozoer, alger og planter har ofte hemoglobiner med ett globin. Mange nematodeormer , bløtdyr og krepsdyr inneholder svært store multisubunitmolekyler, mye større enn hos virveldyr. Spesielt kan kimære hemoglobiner som finnes i sopp og gigantiske annelider inneholde både globin og andre typer proteiner.

En av de mest slående forekomstene og bruksområdene av hemoglobin i organismer er i den gigantiske rørormen ( Riftia pachyptila , også kalt Vestimentifera), som kan nå 2,4 meters lengde og befolker havets vulkanske åpninger . I stedet for en fordøyelseskanal inneholder disse ormene en populasjon av bakterier som utgjør halve organismenes vekt. Bakteriene oksiderer H 2 S fra ventilen med O 2 fra vannet for å produsere energi for å lage mat fra H 2 O og CO 2 . Ormenes øvre ende er en dyprød viftelignende struktur ("plume"), som strekker seg ut i vannet og absorberer H 2 S og O 2 for bakteriene, og CO 2 for bruk som syntetisk råmateriale som ligner fotosyntetiske planter . Strukturene er lyse røde på grunn av innholdet i flere usedvanlig komplekse hemoglobiner som har opptil 144 globinkjeder, hver med tilhørende hemstrukturer. Disse hemoglobinene er bemerkelsesverdige for å kunne bære oksygen i nærvær av sulfid, og til og med å bære sulfid, uten å bli fullstendig "forgiftet" eller hemmet av det som hemoglobiner i de fleste andre arter er.

Andre oksygenbindende proteiner

Hovedartikkel: Åndedrettspigment
Myoglobin
Funnet i muskelvevet til mange virveldyr, inkludert mennesker, gir det muskelvev en tydelig rød eller mørk grå farge. Det er veldig likt hemoglobin i struktur og sekvens, men er ikke en tetramer; i stedet er det en monomer som mangler kooperativ binding. Det brukes til å lagre oksygen i stedet for å transportere det.
Hemocyanin
Det nest vanligste oksygentransporterende proteinet som finnes i naturen, finnes i blodet til mange leddyr og bløtdyr. Bruker kobberprotetiske grupper i stedet for jernhemgrupper og er blå i fargen når den oksygeneres.
Hemerythrin
Noen marine virvelløse dyr og noen få arter av annelid bruker dette jernholdige ikke-hem-proteinet til å transportere oksygen i blodet. Vises rosa/fiolett ved oksygenering, klar når ikke.
Klorokruorin
Funnet i mange annelider, det ligner veldig på erytrocruorin, men hemgruppen er vesentlig forskjellig i struktur. Vises grønt når deoksygeneres og rødt når det oksygeneres.
Vanabiner
Også kjent som vanadium chromagens , de finnes i blodet fra sjøsprut . De ble en gang antatt å bruke metallvanadium som en oksygenbindende protesegruppe. Selv om de imidlertid inneholder vanadium etter preferanse, binder de tilsynelatende lite oksygen, og har dermed en annen funksjon som ikke er klarlagt (sjøsprut inneholder også noe hemoglobin). De kan fungere som giftstoffer.
Erythrocruorin
Funnet i mange annelider, inkludert meitemark , er det et gigantisk frittflytende blodprotein som inneholder mange titalls-muligens hundrevis-av jern- og hem-bærende proteinunderenheter bundet sammen til et enkelt proteinkompleks med en molekylmasse større enn 3,5 millioner dalton.
Pinnaglobin
Bare sett i bløtdyret Pinna nobilis . Brunt manganbasert porfyrinprotein.
Leghemoglobin
I belgfrukter, som alfalfa eller soyabønner, er de nitrogenbindende bakteriene i røttene beskyttet mot oksygen av denne jernhemmen som inneholder oksygenbindende protein. Det spesifikke enzymet som er beskyttet er nitrogenase , som ikke er i stand til å redusere nitrogengass i nærvær av fritt oksygen.
Coboglobin
En syntetisk koboltbasert porfyrin. Koboprotein vil virke fargeløs når den oksygeneres, men gul når den er i venene.

Tilstedeværelse i ikke -erytroidceller

Noen ikke -erytroidceller (dvs. andre celler enn den røde blodcellelinjen) inneholder hemoglobin. I hjernen inkluderer disse de A9 dopaminerge nevronene i substantia nigra , astrocytter i hjernebarken og hippocampus , og i alle modne oligodendrocytter . Det har blitt antydet at hjernehemoglobin i disse cellene kan muliggjøre "lagring av oksygen for å gi en homeostatisk mekanisme under anoksiske forhold, noe som er spesielt viktig for A9 DA -nevroner som har forhøyet metabolisme med et høyt krav til energiproduksjon". Det har blitt bemerket videre at "A9 dopaminerge nevroner kan ha en særlig risiko siden de i tillegg til sin høye mitokondrielle aktivitet er under intens oksidativt stress forårsaket av produksjon av hydrogenperoksid via autoksidasjon og/eller monoaminooksidase (MAO) -mediert deaminering av dopamin og den påfølgende reaksjonen av tilgjengelig jernholdig jern for å generere svært giftige hydroksylradikaler ". Dette kan forklare risikoen for disse cellene for degenerasjon ved Parkinsons sykdom . Det hemoglobin-avledede jernet i disse cellene er ikke årsaken til dødsfallet etter disse cellene (opprinnelsen til det latinske navnet substantia nigra ), men skyldes snarere neuromelanin .

Utenfor hjernen har hemoglobin ikke-oksygenbærende funksjoner som en antioksidant og en regulator av jernmetabolismen i makrofager , alveolære celler og mesangialceller i nyrene.

I historie, kunst og musikk

Heart of Steel (Hemoglobin) (2005) av Julian Voss-Andreae . Bildene viser den 1,50 meter høye skulpturen rett etter installasjon, etter 10 dager og etter flere måneders eksponering for elementene.

Historisk sett forekommer en sammenheng mellom fargen på blod og rust i planeten Mars , med den romerske krigsguden, siden planeten er en oransje-rød, som minnet de gamle om blod. Selv om fargen på planeten skyldes jernforbindelser i kombinasjon med oksygen i Mars -jorden, er det en vanlig misforståelse at jernet i hemoglobin og dets oksider gir blodet sin røde farge. Fargen er faktisk på grunn av porfyrin -delen av hemoglobin til hvilken jernet er bundet, ikke jern seg selv, selv om den ligering og redoks-tilstand på strykejernet kan påvirke pi til pi * eller n til pi * elektroniske overganger av porfyrin og derav dens optiske egenskaper.

Kunstneren Julian Voss-Andreae opprettet en skulptur kalt Heart of Steel (Hemoglobin) i 2005, basert på proteinets ryggrad. Skulpturen var laget av glass og forvitret stål . Den forsettlige rustningen av det opprinnelig skinnende kunstverket gjenspeiler hemoglobins grunnleggende kjemiske reaksjon av oksygenbinding til jern.

Montreal -kunstneren Nicolas Baier skapte Luster (Hémoglobine) , en skulptur i rustfritt stål som viser strukturen til hemoglobinmolekylet. Det vises i atriet på McGill University Health Center sitt forskningssenter i Montreal. Skulpturen måler omtrent 10 meter × 10 meter × 10 meter.

Se også

Referanser

Videre lesning

Bibliotekressurser om
hemoglobin

Hardison, Ross C. (2012). "Evolusjon av hemoglobin og dets gener" . Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine . 2 (12): a011627. doi : 10.1101/cshperspect.a011627 . ISSN  2157-1422 . PMC  3543078 . PMID  23209182 .

Eksterne linker

Relaterte spørsmål: