Hemoglobiini | |
---|---|
] | |
Tunnisteet | |
Symboli | Hb |
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Hemoglobiini ( toisesta kreikkalaisesta sanasta αἷμα "veri" + lat. globus "pallo") ( Hb tai Hgb ) on monimutkainen rautaa sisältävä eläinproteiini , jolla on verenkiertoa ja joka kykenee sitoutumaan palautuvasti happea ja varmistamaan sen siirtymisen kudoksiin. Selkärankaisilla sitä löytyy punasoluista , useimmilla selkärangattomilla se on liuennut veriplasmaan ( erytrokruoriini ) ja voi esiintyä muissa kudoksissa [1] . Ihmisen hemoglobiinin molekyylipaino on noin 66,8 kDa . Hemoglobiinimolekyylissä voi olla jopa neljä happimolekyyliä [2] . Yksi gramma hemoglobiinia voi kuljettaa jopa 1,34 ml happea [3] .
Hemoglobiini ilmestyi yli 400 miljoonaa vuotta sitten ihmisten ja haiden viimeiseen yhteiseen esi-isään kahden mutaation seurauksena, jotka johtivat nelikomponenttisen hemoglobiinikompleksin muodostumiseen, jonka happiaffiniteetti riittää sitomaan happea ympäristössä, joka on kyllästetty sitä, mutta ei tarpeeksi säilyttämään sitä muissa kehon kudoksissa. [5] [6]
Vuonna 1825 Johann Friedrich Engelhart havaitsi, että raudan ja proteiinin suhde on sama useiden lajien hemoglobiineissa [7] [8] . Raudan tunnetusta atomipainosta hän laski hemoglobiinin molekyylipainon n × 16 000:ksi (n = rautaatomien lukumäärä hemoglobiinissa, joka tunnetaan nyt nimellä 4). Tämä "hätillinen johtopäätös" aiheutti tuolloin paljon naurunalaa tutkijoilta, jotka eivät voineet uskoa, että mikään molekyyli voisi olla niin suuri. Gilbert Smithson Adair vahvisti Engelhartin tulokset vuonna 1925 mittaamalla hemoglobiiniliuosten osmoottisen paineen [9] .
Vaikka veren on tiedetty kuljettavan happea ainakin vuodesta 1794 [10] [11] , Hünefeld kuvaili hemoglobiinin happea kuljettavan ominaisuuden vuonna 1840 [12] . Vuonna 1851 saksalainen fysiologi Otto Funke julkaisi sarjan artikkeleita, joissa hän kuvaili hemoglobiinikiteiden kasvua laimentamalla erytrosyyttejä peräkkäin liuottimella, kuten puhtaalla vedellä, alkoholilla tai eetterillä, mitä seurasi liuottimen hidas haihduttaminen tuloksena olevasta proteiinista. ratkaisu [13] [14] . Felix Hoppe-Sailer kuvasi useita vuosia myöhemmin hemoglobiinin palautuvan hapetuksen [15] .
Vuonna 1959 Max Ferdinand Perutz määritti hemoglobiinin molekyylirakenteen röntgenkristallografialla [16] [17] . Tämä työ johti siihen, että hän jakoi vuoden 1962 kemian Nobelin palkinnon John Kendrew'n kanssa heidän tutkimuksestaan pallomaisten proteiinien rakenteista [18] .
Hemoglobiinin roolin veressä selvitti ranskalainen fysiologi Claude Bernard . Nimi hemoglobiini tulee sanoista heme ja globiini , mikä kuvastaa sitä tosiasiaa, että jokainen hemoglobiinialayksikkö on pallomainen proteiini, johon on lisätty hemiryhmä. Jokainen hemiryhmä sisältää yhden rautaatomin, joka voi sitoa yhden happimolekyylin ionien aiheuttamilla dipolivoimilla. Yleisin hemoglobiinityyppi nisäkkäillä sisältää neljä tällaista alayksikköä.
Hemoglobiini koostuu proteiinialayksiköistä (globiinimolekyyleistä), ja nämä proteiinit puolestaan ovat laskostettuja ketjuja useista erilaisista aminohapoista, joita kutsutaan polypeptideiksi. Minkä tahansa solun luoman polypeptidin aminohapposekvenssin määräävät puolestaan DNA:n osat, joita kutsutaan geeneiksi. Kaikissa proteiineissa aminohapposekvenssi määrittää proteiinin kemialliset ominaisuudet ja toiminnan.
Hemoglobiinigeeniä on useampi kuin yksi: ihmisillä hemoglobiini A :ta (aikuisten hemoglobiinin pääasiallinen muoto) koodaavat HBA1- , HBA2- ja HBB -geenit [19] .Alfa 1- ja alfa2-hemoglobiinialayksiköitä koodaa HBA1. ja HBA2- geenit , jotka löytyvät kromosomista 16 ja ovat lähellä toisiaan. Hemoglobiinin beeta-alayksikköä koodaa HBB -geeni , joka löytyy kromosomista 11. Hemoglobiinien globiiniproteiinien aminohapposekvenssit vaihtelevat yleensä lajiittain. Nämä erot kasvavat lajien välisen evolutionaarisen etäisyyden myötä. Esimerkiksi ihmisillä, bonoboilla ja simpansseilla yleisimmät hemoglobiinisekvenssit ovat täysin identtisiä, jopa ilman yhtäkään aminohappoeroa alfa- tai beetaglobiinin proteiiniketjuissa [20] [21] [22] . Vaikka ihmisen ja gorillan hemoglobiini eroaa yhdellä aminohapolla alfa- ja beetaketjuissa, nämä erot kasvavat vähemmän läheisten lajien välillä.
Jopa lajien sisällä hemoglobiinissa on vaihtelua, vaikka yksi sekvenssi on yleensä "yleisin" kussakin lajissa. Hemoglobiiniproteiinigeenien mutaatiot lajissa johtavat hemoglobiinimuunnelmiin [23] [24] . Monet näistä hemoglobiinin mutanttimuodoista eivät aiheuta mitään tautia. Jotkut näistä hemoglobiinin mutanttimuodoista aiheuttavat kuitenkin ryhmän perinnöllisiä sairauksia, joita kutsutaan hemoglobinopatioiksi . Tunnetuin hemoglobinopatia on sirppisoluanemia, joka oli ensimmäinen ihmisen sairaus, jonka mekanismi ymmärrettiin molekyylitasolla. Talassemiaksi kutsuttuun (enimmäkseen) erilliseen sairauksiin liittyy riittämätön normaalien ja joskus epänormaalien hemoglobiinien tuotanto globiinigeenin säätelyn ongelmista ja mutaatioista johtuen. Kaikki nämä sairaudet aiheuttavat anemiaa [25] .
Hemoglobiinin aminohapposekvenssien vaihtelut, kuten muidenkin proteiinien tapauksessa, voivat olla mukautuvia. Esimerkiksi hemoglobiinin on havaittu mukautuvan eri tavalla korkeisiin korkeuksiin. Suurilla korkeuksilla elävät organismit kokevat alhaisemman hapen osapaineen kuin merenpinnan tasolla. Tämä on ongelma sellaisissa ympäristöissä asuville organismeille, koska hemoglobiinin, joka normaalisti sitoo happea korkeissa hapen osapaineissa, täytyy kyetä sitomaan happea, kun sitä on läsnä alhaisemmissa paineissa. Useat organismit ovat sopeutuneet tällaiseen ongelmaan. Esimerkiksi viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet hirvihiirillä geneettisiä muunnelmia, jotka auttavat selittämään, kuinka vuoristossa elävät hirvihiiret pystyvät selviytymään korkealla ilmassa. Nebraska-Lincolnin yliopiston tutkija on löytänyt mutaatioita neljästä eri geenistä, jotka voisivat selittää erot alankomailla ja vuoristossa elävien hirvihiirien välillä. Tutkittuaan sekä ylängöiltä että alamailta pyydettyjä villihiiriä havaittiin, että: näiden kahden rodun geenit ovat "käytännöllisesti katsoen identtiset - lukuun ottamatta niitä, jotka säätelevät heidän hemoglobiininsa kykyä kuljettaa happea". "Geneettisen eron ansiosta korkealla sijaitsevien hiiret voivat käyttää happeaan tehokkaammin", koska korkeammissa korkeuksissa, kuten vuoristossa, on saatavilla vähemmän happea [26] . Mammutin hemoglobiini erottui mutaatioista, jotka mahdollistivat hapen kuljettamisen alemmissa lämpötiloissa, mikä mahdollisti mammuttien siirtymisen korkeammille leveysasteille pleistoseenin aikana [27] . Mutaatioita on löydetty myös Andien hummingbirdistä. Kolibrit kuluttavat jo paljon energiaa ja siksi niillä on korkea hapen tarve, mutta Andien kolibrien on todettu viihtyvän korkeissakin korkeuksissa. Ei-synonyymit mutaatiot useiden korkealla elävien lajien hemoglobiinigeenissä ( Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas ja A. viridicuada ) ovat saaneet proteiinilla vähemmän affiniteettia inositoliheksafosfaattiin (IHP), joka on molekyyli. , joka löytyy linnuista ja jolla on sama rooli kuin 2,3-BPG:llä ihmisissä; tämä johtaa kykyyn sitoa happea alemmilla osapaineilla [28] .
Lintujen ainutlaatuiset verikeuhkot edistävät myös hapen tehokasta käyttöä alhaisissa O 2 - osapaineissa . Nämä kaksi mukautusta vahvistavat toisiaan ja selittävät lintujen huomattavat korkeat ominaisuudet.
Hemoglobiinin sopeutuminen ulottuu myös ihmisiin. Tiibetiläisillä naisilla, joilla on korkea happisaturaation genotyyppi ja jotka elävät 4000 metrin korkeudessa, on korkeampi jälkeläisten eloonjääminen [29] . Luonnonvalinta näyttää olevan pääasiallinen tähän geeniin vaikuttava voima, koska jälkeläisten kuolleisuus on huomattavasti alhaisempi naisilla, joilla on korkeampi hemoglobiinihappiaffiniteetti kuin niiden naisten jälkeläiskuolleisuus, joilla on alhainen hemoglobiinihappiaffiniteetti. Vaikka tarkka genotyyppi ja mekanismi, jolla tämä tapahtuu, eivät ole vielä selvillä, valinta vaikuttaa näiden naisten kykyyn sitoa happea alhaisissa osapaineissa, mikä yleensä antaa heille mahdollisuuden tukea paremmin tärkeitä aineenvaihduntaprosesseja.
Hemoglobiini (Hb) syntetisoidaan monimutkaisissa vaiheissa. Osa hemistä syntetisoituu useissa vaiheissa epäkypsien erytrosyyttien mitokondrioissa ja sytosolissa, kun taas osia globiiniproteiinista syntetisoidaan sytosolin ribosomeilla [30] . Hb:n tuotanto jatkuu solussa koko sen varhaisen kehityksen ajan proerytroblastista luuytimessä olevaan retikulosyyttiin. Tässä vaiheessa ydin katoaa nisäkkäiden punasoluista, mutta ei linnuista ja monista muista lajeista. Jopa nisäkkäiden tuman häviämisen jälkeen ribosomin jäännös-RNA tarjoaa lisää hemoglobiinisynteesiä, kunnes retikulosyytti menettää RNA:nsa pian verisuonistoon pääsyn jälkeen (tämä hemoglobiinin synteettinen RNA itse asiassa antaa retikulosyytille sen verkkomaisen ulkonäön ja nimen) [31] .
Hemoglobiini on monimutkainen hemoproteiiniluokan proteiini , eli hemi toimii proteettisena ryhmänä - rautaa sisältävä porfyriiniydin . Ihmisen hemoglobiini on tetrameeri, eli se koostuu 4 protomeerista. Aikuisella niitä edustavat α1- , α2- , β1- ja β2 - polypeptidiketjut . Alayksiköt ovat yhteydessä toisiinsa isologisen tetraedrin periaatteen mukaisesti . Pääasiallinen osuus alayksiköiden vuorovaikutuksessa on hydrofobisilla vuorovaikutuksilla. Sekä α- että β-säikeet kuuluvat α-kierteiseen rakenneluokkaan , koska ne sisältävät yksinomaan α-kierteitä . Jokainen juoste sisältää kahdeksan kierteistä osaa, jotka on merkitty A:sta H:hen (N-päästä C-päähän).
Hemi on protoporfyriini IX :n kompleksi, joka kuuluu porfyriiniyhdisteiden luokkaan , jossa on rauta(II) -atomi . Tämä kofaktori on ei-kovalenttisesti sitoutunut hemoglobiini- ja myoglobiinimolekyylien hydrofobiseen onteloon.
Rauta(II):lle on ominaista oktaedrinen koordinaatio, eli se sitoutuu kuuteen ligandiin. Niistä neljää edustavat porfyriinirenkaan typpiatomit , jotka sijaitsevat samassa tasossa. Kaksi muuta koordinaatiokohtaa sijaitsevat akselilla, joka on kohtisuorassa porfyriinin tasoon nähden. Yksi niistä on polypeptidiketjun 93. asemassa olevan histidiinitähteen typpi (kohta F). Hemoglobiinin sitoma happimolekyyli koordinoituu raudan kääntöpuolelta ja osoittautuu olevan rautaatomin ja toisen histidiinitähteen typen välissä, joka sijaitsee ketjun 64. asemassa (osio E).
Ihmisen hemoglobiinissa on yhteensä neljä happea sitovaa kohtaa (yksi hemi kutakin alayksikköä kohti), eli neljä molekyyliä voi sitoutua samanaikaisesti. Hemoglobiini keuhkoissa korkeassa hapen osapaineessa yhdistyy siihen muodostaen oksihemoglobiinia. Tässä tapauksessa happi yhdistyy hemiin ja liittyy hemiraudaan kuudennessa koordinaatiosidoksessa. Hiilimonoksidi liittyy samaan sidokseen ja alkaa "kilpailuun" hapen kanssa sidoksesta hemoglobiinin kanssa muodostaen karboksihemoglobiinia.
Hemoglobiinin sidos hiilimonoksidiin on vahvempi kuin happeen. Siksi hemoglobiinin osa, joka muodostaa kompleksin hiilimonoksidin kanssa, ei osallistu hapen kuljetukseen. Normaalisti ihminen tuottaa 1,2 % karboksihemoglobiinia. Sen tason nousu on ominaista hemolyyttisille prosesseille, minkä yhteydessä karboksihemoglobiinin taso on hemolyysin indikaattori .
Vaikka hemoglobiini kuljettaa hiilidioksidia, se ei kilpaile hapen kanssa rautaa sitovista asemista, vaan on sitoutunut hemiryhmiin kiinnittyneiden proteiiniketjujen aminoryhmiin.
Rautaioni voi olla joko kaksiarvoisessa tilassa Fe 2+ tai kolmiarvoisessa tilassa Fe 3+ , mutta ferrihemoglobiini (methemoglobiini) (Fe 3+ ) ei voi sitoa happea [32] . Sitoutuessaan happi hapettuu tilapäisesti ja palautuvasti (Fe 2+) muotoon ( Fe 3+) , kun taas happi muuttuu tilapäisesti superoksidi-ioniksi, joten raudan on oltava hapetustilassa +2 voidakseen sitoa happea. Jos Fe 3+ :aan sitoutunut superoksidi-ioni protonoituu, hemoglobiinin rauta pysyy hapettuneena eikä pysty sitomaan happea. Tällaisissa tapauksissa methemoglobiinireduktaasientsyymi pystyy lopulta aktivoimaan methemoglobiinin uudelleen palauttaen rautakeskuksen.
Aikuisilla ihmisillä yleisin hemoglobiinityyppi on tetrameeri (joka sisältää neljä proteiinialayksikköä), nimeltään hemoglobiini A , joka koostuu kahdesta ei-kovalenttisesti kytketystä α- ja kahdesta β-alayksiköstä, joista kumpikin koostuu 141 ja 146 aminohappotähteestä, vastaavasti. . Tätä merkitään α2 β2:lla. Alayksiköt ovat rakenteeltaan samanlaisia ja suunnilleen samankokoisia. Jokaisen alayksikön molekyylipaino on noin 16 000 daltonia [33] ja tetrameerin kokonaismolekyylipaino noin 64 000 daltonia (64 458 g/mol) [34] , joten 1 g/dl = 0,1551 mmol/l. Hemoglobiini A on laajimmin tutkittu hemoglobiinimolekyyli [35] .
Ihmisen pikkulapsilla hemoglobiinimolekyyli koostuu 2 α-ketjusta ja 2 γ-ketjusta. Lapsen kasvaessa y-ketjut korvataan vähitellen β-ketjuilla.
Neljä polypeptidiketjua on liitetty toisiinsa suolasilloilla, vetysidoksilla ja hydrofobisella vaikutuksella.
Yleensä hemoglobiini voi olla kyllästetty happimolekyylillä (oksihemoglobiini) tai tyydyttymätön happimolekyylillä (deoksihemoglobiini) [36] .
OxyhemoglobinOksihemoglobiinia muodostuu fysiologisen hengityksen aikana, kun happi sitoutuu punasolujen hemoglobiiniproteiinin hemikomponenttiin. Tämä prosessi tapahtuu keuhkojen kapillaareissa keuhkojen alveolien vieressä. Happi kulkee sitten verenkierron läpi soluihin, joissa sitä käytetään lopullisena elektronien vastaanottajana ATP:n tuotannossa oksidatiivisen fosforylaation kautta. Tämä ei kuitenkaan auta estämään veren pH:n laskua. Tuuletus tai hengitys voi muuttaa tämän tilanteen poistamalla hiilidioksidia, mikä aiheuttaa pH:n muutoksen [37] .
Hemoglobiinia on kahdessa muodossa: venytetyssä (jännitetty) muodossa (T) ja rennossa muodossa (R). Useat tekijät, kuten alhainen pH, korkea CO 2 ja korkea 2,3 BPG kudostasolla, suosivat kireää muotoa, jolla on alhainen happiaffiniteetti ja joka vapauttaa happea kudoksiin. Toisaalta korkea pH, alhainen CO 2 tai alhainen 2,3 BPG suosivat rentoa muotoa, joka pystyy paremmin sitomaan happea [38] . Järjestelmän osapaine vaikuttaa myös affiniteettiin O 2 :ta kohtaan , jossa korkeat hapen osapaineet (kuten keuhkorakkuloissa olevat) suosivat rentoa (korkea affiniteetti, R) tilaa. Toisaalta alhaiset osapaineet (kuten hengityskudoksissa esiintyvät) suosivat stressitilaa (matala affiniteetti, T) [39] . Lisäksi hapen sitoutuminen rauta(II)heemiin vetää raudan porfyriinirenkaan tasoon aiheuttaen pienen konformaatiosiirtymän. Siirtyminen stimuloi hapen sitoutumista hemoglobiinin kolmeen jäljellä olevaan hemiyksikköön (siten hapen sitoutuminen on yhteistoiminnallista).
Deoxygenated hemoglobinDeoksigenoitu hemoglobiini (deoksihemoglobiini) on hemoglobiinin muoto ilman sitoutunutta happea. Oksihemoglobiinin ja deoksihemoglobiinin absorptiospektrit ovat erilaisia. Oksihemoglobiinilla on huomattavasti pienempi absorptio 660 nm:ssä kuin deoksihemoglobiinilla, kun taas 940 nm:ssä sen absorptio on hieman suurempi. Tätä eroa käytetään potilaan veren happimäärän mittaamiseen käyttämällä pulssioksimetriksi kutsuttua laitetta. Tämä ero selittää myös syanoosin ilmenemisen, sinertävän violetin värin, joka kehittyy kudoksiin hypoksian aikana [40] .
Deoksigenoitu hemoglobiini on paramagneettinen; magneettikentät houkuttelevat sitä heikosti [41] [42] . Päinvastoin, hapella kyllästetty hemoglobiini osoittaa diamagnetismia, heikkoa repulsiota magneettikentästä [42] .
Ihmisen veren normaalia hemoglobiinipitoisuutta pidetään: miehillä - 130 - 160 g / l (alaraja - 120 , yläraja - 180 g / l ), naisilla - 120 - 160 g / l ; lapsilla normaali hemoglobiinitaso riippuu iästä ja on alttiina merkittäville vaihteluille. Joten lapsilla 1-3 päivää syntymän jälkeen normaali hemoglobiinitaso on maksimi ja 145-225 g / l , ja 3-6 kuukauden kuluttua se laskee vähimmäistasolle 95-135 g / l , sitten 1 vuodesta 18 vuoteen asteittainen veren normaali hemoglobiinitason nousu [43] .
Raskauden aikana naisen kehossa tapahtuu nesteen kertymistä ja kertymistä, mikä on syy hemodiluutioon - veren fysiologiseen laimenemiseen. Tämän seurauksena hemoglobiinipitoisuuden suhteellinen lasku havaitaan (raskauden aikana hemoglobiinitaso on normaalisti 110 - 155 g / l ). Lisäksi lapsen kohdunsisäisen kasvun yhteydessä tapahtuu nopeaa rauta- ja foolihappovarastojen kulumista. Jos naisella oli näiden aineiden puutos ennen raskautta, hemoglobiinin laskuun liittyviä ongelmia voi ilmetä jo raskauden alkuvaiheessa [44] .
Hemoglobiinin päätehtävät ovat hapenkuljetus ja puskuritoiminto. Ihmisillä, keuhkojen kapillaareissa , ylimääräisen hapen olosuhteissa jälkimmäinen yhdistyy hemoglobiiniin muodostaen oksihemoglobiinia . Verenkierron kautta erytrosyytit , jotka sisältävät hemoglobiinimolekyylejä sitoutuneen hapen kanssa, kulkeutuvat elimiin ja kudoksiin, joissa on vähän happea ; täällä hapetusprosessien esiintymiseen tarvittava happi vapautuu sidoksesta hemoglobiinin kanssa. Lisäksi hemoglobiini pystyy sitomaan pienen määrän (noin 1/3) hiilidioksidia (CO 2 ) kudoksissa muodostaen karbhemoglobiinia ja vapauttamaan sen keuhkoissa (2/3 hiilidioksidista kulkeutuu liuenneena tai veriplasman ja punasolujen sytoplasman suolojen muodossa) [45] .
Hiilimonoksidi (CO) sitoutuu veren hemoglobiiniin paljon vahvemmin ( 250 kertaa [46] ) kuin happi muodostaen karboksihemoglobiinia (HbCO). Hiilimonoksidi voidaan kuitenkin osittain syrjäyttää hemistä lisäämällä hapen osapainetta keuhkoissa. Jotkut prosessit (esimerkiksi myrkytys nitraateilla , nitriiteillä , aniliinilla , pyridiinillä ) johtavat hemoglobiinin rauta-ionin hapettumiseen hapetustilaan +3. Tuloksena on hemoglobiinin muoto, joka tunnetaan nimellä methemoglobiini (HbOH) ( metHb , sanoista " meta- " ja "hemoglobiini" eli heme ja globiini tai ferrihemoglobiini , katso methemoglobinemia ). Molemmissa tapauksissa hapen kuljetusprosessit estyvät.
Toisin kuin myoglobiinilla , hemoglobiinilla on kvaternäärinen rakenne, mikä antaa sille kyvyn säädellä hapen lisäystä ja poistamista sekä ominaista yhteistoimintaa : ensimmäisen happimolekyylin kiinnittymisen jälkeen seuraavien sitoutuminen helpottuu. Rakenne voi olla kahdessa stabiilissa tilassa (konformaatiossa): oksihemoglobiini (sisältää 4 happimolekyyliä; jännittynyt konformaatio) ja deoksihemoglobiini (ei sisällä happea; rento konformaatio).
Deoksihemoglobiinin rakenteen vakaa tila vaikeuttaa hapen lisäämistä siihen. Siksi reaktion käynnistämiseksi tarvitaan riittävä hapen osapaine , mikä on mahdollista keuhkojen alveoleissa. Muutokset yhdessä neljästä alayksiköstä vaikuttavat muihin, ja kun ensimmäinen happimolekyyli on kiinnittynyt, seuraavien happimolekyylien sitoutuminen helpottuu. Tämän seurauksena hemoglobiinin ja hapen sitoutumiskäyrä on sigmoidinen tai S :n muotoinen, toisin kuin normaali hyperbolinen käyrä, joka liittyy ei-yhteistyöhön sitoutumiseen.
Annettuaan happea kudoksille hemoglobiini kiinnittyy itseensä vetyioneja ja hiilidioksidia siirtäen ne keuhkoihin [47] .
Hemoglobiini on yksi tärkeimmistä proteiineista, joita malariaplasmodiat ruokkivat - malarian aiheuttajat , ja maapallon malaria- endeemisillä alueilla hemoglobiinin rakenteen perinnölliset poikkeavuudet ovat hyvin yleisiä, mikä vaikeuttaa malariaplasmodioiden ravintoa tästä. proteiinia ja tunkeutuu punasoluihin. Erityisesti sellaiset mutaatiot, joilla on evolutiivista ja adaptiivista merkitystä, sisältävät hemoglobiinin poikkeavuuden, joka johtaa sirppisoluanemiaan . Valitettavasti näihin poikkeavuuksiin (sekä hemoglobiinin rakenteen poikkeamiin, joilla ei ole selkeästi mukautuvaa arvoa) liittyy kuitenkin hemoglobiinin happea kuljettavan toiminnan rikkominen, punasolujen vastustuskyvyn heikkeneminen tuhoamiselle, anemia ja muita negatiivisia seurauksia. Hemoglobiinin rakenteen poikkeavuuksia kutsutaan hemoglobinopatioiksi .
Hemoglobiini on erittäin myrkyllistä, kun merkittävä määrä sitä punasoluista päätyy veriplasmaan (mitä tapahtuu massiivisen intravaskulaarisen hemolyysin , verenvuotosokin , hemolyyttisen anemian , yhteensopimattoman verensiirron ja muiden patologisten tilojen yhteydessä). Hemoglobiinin toksisuus, joka on punasolujen ulkopuolella, vapaassa tilassa veriplasmassa, ilmenee kudosten hypoksiana - kudosten hapensaannin heikkenemisestä, kehon ylikuormituksesta hemoglobiinia tuhoavilla tuotteilla - rauta, bilirubiini , porfyriinit keltaisuuden tai akuutin porfyrian kehittyessä, munuaisten tubulusten tukkeutumista suurilla hemoglobiinimolekyylillä ja munuaisten tubulusten nekroosin ja akuutin munuaisten vajaatoiminnan kehittymistä .
Vapaan hemoglobiinin korkean toksisuuden vuoksi kehossa on olemassa erityisiä järjestelmiä sen sitomiseksi ja neutraloimiseksi. Erityisesti yksi hemoglobiinin neutralointijärjestelmän komponenteista on erityinen plasmaproteiini haptoglobiini , joka sitoo spesifisesti hemoglobiinissa olevan vapaan globiinin ja globiinin. Haptoglobiinin ja globiinin (tai hemoglobiinin) kompleksi vangitaan sitten kudoksen retikuloendoteliaalijärjestelmän perna ja makrofagit ja tehdään vaarattomaksi.
Toinen osa hemoglobiinia neutraloivaa järjestelmää on hemopeksiini -proteiini , joka sitoo spesifisesti hemoglobiinissa olevan vapaan hemin ja hemin. Maksa ottaa sitten hemin (tai hemoglobiinin) ja hemopeksiinin kompleksin, hemi lohkeaa ja käytetään bilirubiinin ja muiden sappipigmenttien synteesiin tai vapautuu verenkiertoon yhdessä transferriinien kanssa käytettäväksi uudelleen luuytimessä. erytropoieesin prosessissa .
Kun punasolut saavuttavat käyttöikänsä lopussa ikääntymisen tai vikojen vuoksi, ne poistuvat verenkierrosta pernan tai maksan makrofagien fagosyyttisen aktiivisuuden vaikutuksesta tai hemolytoituvat verenkierrossa. Vapaa hemoglobiini poistuu sitten verenkierrosta hemoglobiinin kuljettajan CD163 avulla, joka ekspressoituu yksinomaan monosyyteissä tai makrofageissa. Näissä soluissa hemoglobiinimolekyyli hajoaa ja rauta käsitellään. Tämä prosessi tuottaa myös yhden hiilimonoksidimolekyylin jokaista tuhottua hemimolekyyliä kohden [48] . Hemin hajoaminen on ainoa luonnollinen hiilimonoksidin lähde ihmiskehossa, ja se on vastuussa normaalia ilmaa hengittävien ihmisten normaalista hiilimonoksidipitoisuudesta [49] .
Toinen tärkeä hemin hajoamisen lopputuote on bilirubiini. Tämän kemikaalin kohonneita pitoisuuksia löytyy verestä, jos punasolut tuhoutuvat normaalia nopeammin. Virheellisesti hajotettu hemoglobiiniproteiini tai liian nopeasti verisoluista vapautuva hemoglobiini voi tukkia pieniä verisuonia, erityisesti munuaisten ohuita suodattuvia verisuonia, mikä voi vaurioittaa munuaisia. Rauta poistetaan hemistä ja varastoidaan myöhempää käyttöä varten, varastoidaan kudoksiin hemosideriininä tai ferritiininä ja kuljetetaan plasmassa beetaglobuliinien toimesta transferriineinä. Kun porfyriinirengas hajoaa, sen fragmentit yleensä erittyvät keltaisena pigmenttinä nimeltä bilirubiini, joka erittyy suolistoon sapen muodossa. Suolistossa bilirubiini muuttuu urobilinogeeniksi. Urobilinogeeni erittyy elimistöstä ulosteen mukana pigmenttinä nimeltä sterkobiliini. Globuliini metaboloituu aminohapoiksi, jotka vapautuvat sitten verenkiertoon.
Hemoglobiinin puutos voi johtua ensinnäkin itse hemoglobiinin molekyylien määrän vähenemisestä (katso anemia ), ja toiseksi, koska kunkin molekyylin kyky sitoa happea on heikentynyt samalla hapen osapaineella.
Hypoksemia on veren hapen osapaineen lasku, ja se on erotettava hemoglobiinin puutteesta. Vaikka sekä hypoksemia että hemoglobiinin puute ovat hypoksian syitä . Jos kehon hapenpuutetta kutsutaan yleisesti hypoksiaksi, niin paikallisia hapen saantihäiriöitä kutsutaan iskemiaksi .
Muut alhaisen hemoglobiinin syyt ovat erilaisia: verenhukka, ravitsemuspuutos, luuydinsairaus, kemoterapia , munuaisten vajaatoiminta, epätyypillinen hemoglobiini.
Lisääntynyt hemoglobiinipitoisuus veressä liittyy punasolujen määrän tai koon lisääntymiseen, mikä havaitaan myös polycythemia verassa . Tämä lisääntyminen voi johtua seuraavista syistä: synnynnäinen sydänsairaus, keuhkofibroosi, liiallinen erytropoietiini .
Tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että tapahtuma, joka erotti myoglobiinin hemoglobiinista, tapahtui sen jälkeen, kun nahkiaiset erosivat leukaisista selkärankaisista [51] . Tämä myoglobiinin ja hemoglobiinin erottaminen mahdollisti näiden kahden molekyylin erilaisten toimintojen syntymisen ja kehittymisen: myoglobiinilla on enemmän merkitystä hapen varastoinnissa, kun taas hemoglobiinin tehtävänä on kuljettaa happea [52] . α- ja β-kaltaiset globiinigeenit koodaavat yksittäisiä proteiinialayksiköitä [53] . Näiden geenien esiasteet syntyivät päällekkäisyyden seurauksena, myös sen jälkeen, kun gnatosooman yhteinen esi-isä polveutui leuattomasta kalasta, noin 450-500 miljoonaa vuotta sitten [51] . Esi-isten rekonstruktiotutkimukset osoittavat, että kaksinkertaistamista edeltävät α- ja β-geenit olivat peräisin dimeerille, joka koostui identtisistä globiinialayksiköistä, jotka sitten kehittyivät tetrameeriseksi arkkitehtuuriksi päällekkäisyyden jälkeen [54] . α- ja β-geenien kehittyminen on luonut hemoglobiinille mahdollisuuden muodostua monista erillisistä alayksiköistä, joiden fysikaalisella koostumuksella on keskeinen rooli hemoglobiinin kyvyssä kuljettaa happea. Useiden alayksiköiden läsnäolo edistää hemoglobiinin kykyä sitoa happea ja olla allosteerisesti säädelty [52] [54] . Myöhemmin α-geeni myös kaksinkertaistui HBA1- ja HBA2-geenien muodostuessa [55] . Nämä kaksinkertaisuudet ja eroavaisuudet loivat laajan valikoiman α- ja β-kaltaisia globiinigeenejä, joita säädellään siten, että tietyt muodot syntyvät eri kehitysvaiheissa [52] .
Useimmat Channichthyidae-heimon jääkalat ovat menettäneet hemoglobiinigeeninsä kylmään veteen sopeutuessaan [56] .
Hemoglobiinia voidaan seurata ei-invasiivisesti, jotta voidaan luoda räätälöity tietojoukko, joka seuraa päivittäisten toimintojen hemokonsentraation ja hemodiluution vaikutuksia urheilullisen suorituskyvyn ja harjoittelun ymmärtämiseksi paremmin. Urheilijat ovat usein huolissaan kestävyydestä ja harjoituksen intensiteetistä. Sensori käyttää LEDejä, jotka lähettävät punaista ja infrapunavaloa kudoksen läpi valoilmaisimeen, joka lähettää sitten signaalin prosessorille, joka laskee hemoglobiiniproteiinin valon absorption [57] . Tämä anturi on samanlainen kuin pulssioksimetri, joka koostuu pienestä herkästä laitteesta, joka on kiinnitetty sormeen.
Eläin- ja kasvikunnan organismeissa on monia proteiineja, jotka kuljettavat ja sitovat happea. Organismeilla, mukaan lukien bakteerit, alkueläimet ja sienet, on hemoglobiinin kaltaisia proteiineja, joiden tunnettuihin ja ennustettuihin rooleihin kuuluu kaasumaisten ligandien palautuva sitoutuminen. Koska monet näistä proteiineista sisältävät globiineja ja hemiosan (rautaa levymäisessä porfyriinikuoressa), niitä kutsutaan usein hemoglobiineiksi, vaikka niiden yleinen tertiäärinen rakenne on hyvin erilainen kuin selkärankaisten hemoglobiinin. Erityisesti "myoglobiinin" ja hemoglobiinin erottaminen alemmilla eläimillä on usein mahdotonta, koska jotkut näistä organismeista eivät sisällä lihaksia. Tai heillä voi olla tunnistettavissa oleva erillinen verenkiertojärjestelmä, mutta ei sellaista, joka kuljettaa happea (esimerkiksi monet hyönteiset ja muut niveljalkaiset). Kaikissa näissä ryhmissä molekyylejä, jotka sisältävät hemi/globiinia (jopa monomeeriset globiinit), jotka liittyvät kaasun sitoutumiseen, kutsutaan oksihemoglobiineiksi. Hapen kuljettamisen ja hankinnan lisäksi ne voivat käsitellä myös NO:ta, CO 2 :ta, sulfidiyhdisteitä ja jopa O 2:n ottoa ympäristöissä, joiden pitäisi olla anaerobisia [58] . Ne voivat jopa puhdistaa klooratut materiaalit samalla tavalla kuin hemipitoiset P450-entsyymit ja peroksidaasit.
Hemoglobiinien rakenne vaihtelee eri lajeissa. Hemoglobiinia löytyy kaikista organismien valtakunnista, mutta ei kaikissa organismeissa. Primitiiviset lajit, kuten bakteerit, alkueläimet, levät ja kasvit, sisältävät usein yhden globiinin hemoglobiineja. Monet sukkulamadot, nilviäiset ja äyriäiset sisältävät erittäin suuria monielementtimolekyylejä, paljon suurempia kuin selkärankaisilla. Erityisesti sienistä ja jättimäisistä annelideista löytyvät kimeeriset hemoglobiinit voivat sisältää sekä globiinia että muun tyyppisiä proteiineja [59] .
Yksi silmiinpistävimmistä hemoglobiinin tapauksista ja käyttötavoista organismeissa on jättiläinen putkimato ( Riftia pachyptila, jota kutsutaan myös Vestimentiferaksi), joka voi olla 2,4 metriä pitkä ja elää valtameren tulivuoren aukoissa. Ruoansulatuskanavan sijasta nämä madot sisältävät bakteeripopulaation, joka muodostaa puolet kehon painosta. Bakteerit hapettavat H 2 S:ta tuuletusaukosta vedestä tulevan O 2 :n kanssa tuottaakseen keittoenergiaa H 2 O:sta ja CO 2 :sta . Matojen yläpää on tummanpunainen viuhkamainen rakenne ("plume"), joka menee veteen ja imee H 2 S:ta ja O 2 :ta bakteereille ja CO 2 :ta käytettäväksi synteettisenä raaka-aineena, kuten fotosynteettiset kasvit. Rakenteet ovat väriltään kirkkaan punaisia, koska ne sisältävät useita erittäin monimutkaisia hemoglobiineja, jotka sisältävät jopa 144 globiiniketjua, joista jokainen sisältää niihin liittyvät hemirakenteet. Nämä hemoglobiinit ovat merkittäviä siitä, että ne pystyvät kuljettamaan happea sulfidin läsnä ollessa ja jopa kuljettamaan sulfidia ilman, että se "myrkytyy" tai tukahduttaa niitä, kuten hemoglobiinit useimmissa muissa lajeissa [60] [61] .
Temaattiset sivustot | |
---|---|
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|
Bibliografisissa luetteloissa |
|
Veri | |
---|---|
hematopoieesi | |
Komponentit | |
Biokemia | |
Sairaudet | |
Katso myös: Hematologia , Onkohematologia |
perfuusioliuokset - ATC-koodi: B05 | Plasmakorvaus- ja||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
|