KARBOKSYHEMOGLOBINA: CHARAKTERYSTYKA I DZIAŁANIE - BIOLOGIA - 2026

Karboksyhemoglobiny jest związana hemoglobiny tlenek węgla (CO). Hemoglobina to białko, które przenosi tlen przez krew u ludzi i wielu innych kręgowców.

Aby transportować tlen, hemoglobina musi się z nim wiązać. Max Perutz, chemik i laureat Nagrody Nobla urodzony w Wiedniu w 1914 roku i zmarł w Cambridge w 2002 roku, nazwał zachowanie wiązania tlenu przez hemoglobinę „niemoralnym”.

Struktura hemoglobiny (źródło: Bielabio za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Wyobraź sobie dwie cząsteczki hemoglobiny, z których każda jest zdolna do wiązania czterech cząsteczek tlenu. Jedna ma już trzy cząsteczki tlenu, a druga żadna. Jeśli pojawi się inna cząsteczka tlenu, pytanie brzmi: czy dołączy do „bogatej”, która ma już trzy, czy do „biednej”, która żadnej nie ma? Prawdopodobieństwo wynosi 100 do 1, że celuje w bogatą cząsteczkę.

Teraz wyobraź sobie dwie inne cząsteczki hemoglobiny. Jedna ma 4 cząsteczki tlenu (jest nasycona), a druga ma tylko jedną. Która cząsteczka z większym prawdopodobieństwem dostarczy tlen tkankom bogatym czy biednym? Biedniejsi łatwiej dostarczą tlen niż bogaci.

Rozmieszczenie tlenu w cząsteczce hemoglobiny można postrzegać jako biblijną przypowieść: „… temu, kto ma, temu będzie dane, a temu, kto nie ma, zabiorą nawet to, co ma …” (Mt 13,12). Z fizjologicznego punktu widzenia to „niemoralne” zachowanie cząsteczki hemoglobiny ma ogromne znaczenie, ponieważ przyczynia się do dostarczania tlenu do tkanek.

Jednak tlenek węgla, niezależnie od liczby atomów tlenu przyłączonych do cząsteczki hemoglobiny, „zabija” je wszystkie. Oznacza to, że w obecności dużej ilości CO cały tlen związany z hemoglobiną jest zastępowany przez CO.

Charakterystyka strukturalna

Mówiąc o karboksyhemoglobinie, która jest niczym innym jak stanem hemoglobiny związanym z tlenkiem węgla, należy najpierw odnieść się ogólnie do hemoglobiny.

Hemoglobina to białko złożone z czterech podjednostek, z których każda jest utworzona przez łańcuch polipeptydowy znany jako globina i grupa o charakterze niebiałkowym (grupa prostetyczna) zwana grupą hemu.

Każda grupa hemu zawiera atom żelaza w stanie żelazawym (Fe ²⁺ ). Są to atomy zdolne do wiązania się z tlenem bez utleniania.

Tetramer hemoglobiny składa się z dwóch podjednostek alfa globiny, po 141 aminokwasów każda, i dwóch podjednostek beta globiny, po 146 aminokwasów każda.

Formy lub struktury hemoglobiny

Kiedy hemoglobina nie jest związana z żadnym atomem tlenu, struktura hemoglobiny jest sztywna lub napięta z powodu tworzenia się w niej mostków solnych.

Czwartorzędowa struktura beztlenowej (odtlenionej) hemoglobiny jest znana jako „T” lub struktura naprężona, a utleniona hemoglobina (oksyhemoglobina) jest znana jako „R” lub struktura zrelaksowana.

Przejście od struktury T do struktury R następuje poprzez przyłączenie tlenu do atomu żelaza żelazawego (Fe ²⁺ ) grupy hemu przyłączonej do każdego łańcucha globiny.

Zachowanie oparte na współpracy

Podjednostki tworzące strukturę hemoglobiny wykazują współdziałanie, które można wyjaśnić następującym przykładem.

Odtlenioną cząsteczkę hemoglobiny (w strukturze T) można sobie wyobrazić jako kłębek wełny z bardzo ukrytymi w niej miejscami wiązania tlenu (grupami hemowymi).

Kiedy ta napięta struktura wiąże się z cząsteczką tlenu, prędkość wiązania jest bardzo mała, ale to wiązanie wystarczy, aby nieco poluzować kulkę i zbliżyć kolejną grupę hemu do powierzchni, dzięki czemu prędkość, z jaką się wiąże następny tlen jest wyższy, powtarzając proces i zwiększając powinowactwo z każdym wiązaniem.

Efekty tlenku węgla

Aby zbadać wpływ tlenku węgla na transport gazów we krwi, należy najpierw opisać charakterystykę krzywej oksyhemoglobiny, która opisuje jej zależność od ciśnienia parcjalnego tlenu, który „ładuje się” cząsteczkami tlenu lub nie.

Krzywa oksyhemoglobiny ma kształt esicy lub litery „S”, która zmienia się w funkcji ciśnienia parcjalnego tlenu. Wykres krzywej wyłania się z analiz wykonanych na próbkach krwi użytych do jej skonstruowania.

Najbardziej stromy obszar krzywej uzyskuje się przy ciśnieniu niższym niż 60 mmHg, a przy ciśnieniu wyższym niż to, krzywa ma tendencję do spłaszczania się, jakby osiągając plateau.

W obecności pewnych substancji krzywa może wykazywać znaczne odchylenia. Te odchylenia pokazują zmiany, które zachodzą w powinowactwie hemoglobiny do tlenu w tym samym PO ₂ .

Aby określić ilościowo to zjawisko, wprowadzono pomiar powinowactwa hemoglobiny do tlenu, zwany wartością P ₅₀ , czyli wartością ciśnienia parcjalnego tlenu, przy którym hemoglobina jest nasycona w 50%; to znaczy, gdy połowa jego grup hemowych jest przyłączona do cząsteczki tlenu.

W normalnych warunkach, które należy rozumieć jako wartości pH 7,4, ciśnienie cząstkowe tlenu 40 mm Hg i w temperaturze 37 ° C, niski P ₅₀ o dorosłego wynosi 27 mm Hg, lub 3.6 kPa.

Jakie czynniki mogą wpływać na powinowactwo hemoglobiny do tlenu?

Powinowactwo hemoglobiny zawartej w erytrocytach do tlenu może się zmniejszyć w obecności 2,3 difosfoglicerynianu (2-3DPG), dwutlenku węgla (CO ₂ ), wysokich stężeń protonów lub pod wpływem podwyższonej temperatury; i to samo dotyczy tlenku węgla (CO).

Implikacje funkcjonalne

Tlenek węgla może zakłócać funkcję transportu tlenu we krwi tętniczej. Ta cząsteczka jest zdolna do wiązania się z hemoglobiną i tworzenia karboksyhemoglobiny. Dzieje się tak, ponieważ ma ona powinowactwo do hemoglobiny około 250 razy większe niż O ₂ , więc jest w stanie ją wyprzeć, nawet gdy jest z nią związana.

Organizm wytwarza stale tlenek węgla, chociaż w niewielkich ilościach. Ten bezbarwny, bezwonny gaz wiąże się z grupą hemu w taki sam sposób, jak O ₂ i zwykle około 1% hemoglobiny we krwi występuje w postaci karboksyhemoglobiny.

Ponieważ niecałkowite spalanie materii organicznej wytwarza CO, udział karboksyhemoglobiny u palaczy jest znacznie wyższy i osiąga wartości od 5 do 15% całkowitej hemoglobiny. Przewlekły wzrost stężenia karboksyhemoglobiny jest szkodliwy dla zdrowia.

Zwiększenie ilości wdychanego CO, które generuje ponad 40% karboksyhemoglobiny, zagraża życiu. Gdy miejsce wiązania żelaza (II) jest zajęte przez CO, O ₂ nie może się wiązać .

Wiązanie CO powoduje przejście hemoglobiny do struktury R, ​​tak że hemoglobina dodatkowo ogranicza zdolność dostarczania O ₂ w naczyniach włosowatych krwi.

Karboksyhemoglobina ma jasnoczerwony kolor. W ten sposób pacjenci zatrute CO stają się różowi, nawet w śpiączce i porażeniu oddechowym. Najlepszym sposobem ratowania życia tych pacjentów jest wdychanie czystego tlenu, nawet hiperbarycznego, aby spróbować wyprzeć wiązanie żelaza z CO.

Bibliografia

1. Fox, SI (2006). Human Physiology 9th Edition (str. 501-502). McGraw-Hill Press, Nowy Jork, USA.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA i Rodwell, VW (2014). Ilustrowana biochemia Harpera. McGraw-Hill.
3. Rawn, JD (1998). Biochemistry (1989). Burlington, Karolina Północna: Neil Patterson Publishers (c) N. Lalioti, CP Raptopoulou, A. Terzis, A. Panagiotopoulos, SP Perlepes, E. Manessi-Zoupa, J. Chem. Soc. Dalton Trans, 1327.
4. Robert M. Berne, Matthew N. Levy. (2001) Fizjologia. (Wydanie 3) Ediciones Harcourt, SA
5. Zachód, JB (1991). Fizjologiczne podstawy praktyki lekarskiej. Williams & Wilkins