hemoglobina
Hemoglobina — Hemoglobina, Hb, Hgb – czerwony barwnik oddechowy występujący w erytrocytach kręgowców oraz hemolimfie niektórych grup bezkręgowców (pierścienic, nicieni, płazińców, mięczaków, stawonogów i szkarłupni), którego funkcją jest przenoszenie tlenu z narządów oddechowych do wszystkich tkanek organizmu. Hemoglobina jest hemoproteiną zbudowaną z części białkowej (globiny składającej się z czterech łańcuchów polipeptydowych) oraz części niebiałkowej (hemu – metaloporfiryny składającej się z części organicznej i atomu żelaza).
Budowa hemoglobiny
Hemoglobina jest hemoproteiną zbudowaną z części białkowej (globiny składającej się z czterech łańcuchów polipeptydowych) i części niebiałkowej (hemu – metaloporfiryny składającej się z części organicznej i atomu żelaza). Struktura przestrzenna hemoglobiny określona została na podstawie badań rentgenograficznych przez brytyjskiego biochemika i krystalografa Maxa Ferdinanda Perutza w 1959 r.
Część białkowa hemoglobiny, globina, składa się z czterech łańcuchów polipeptydowych (czterech podjednostek peptydowych), które u kręgowców różnią się między sobą składem (141 lub 146 reszt aminokwasowych) oraz sekwencją aminokwasów, w związku z czym wyróżnia się ich pięć głównych typów – α, β, γ, δ oraz ε. Każdy łańcuch polipeptydowy budujący cząsteczkę hemoglobiny składa się ponadto z ośmiu odcinków α-helikalnych i jest załamany siedmiokrotnie, tworząc cząsteczkę o kształcie kulistym (globularnym).
Część niebiałkową (grupę prostetyczną) hemoglobiny stanowi hem – metaloporfiryna zbudowana z części organicznej (protoporfiryny IX składającej się z czterech pierścieni pirolowych połączonych mostkami metinowymi) i położonego w centrum cząsteczki atomu żelaza związanego z czterema atomami azotu pierścieni pirolowych. Grupa hemowa związana jest niekowalencyjnie z atomem azotu histydyny podjednostki peptydowej hemoglobiny oraz posiada jedno wiązanie wykorzystywane do przyłączenia cząsteczki tlenu. Każda cząsteczka hemoglobiny posiada więc cztery grupy hemowe oraz jest zdolna do przyłączenia maksymalnie czterech cząsteczek tlenu.
Każda cząsteczka hemoglobiny jest heterotetramerem zbudowanym z dwóch różnych typów podjednostek białkowych (łańcuchów polipeptydowych); ze względu na typ łańcuchów wchodzących w skład jej cząsteczki wyróżnia się m.in. hemoglobinę A1 (HbA1) zbudowaną z dwóch łańcuchów α i dwóch łańcuchów β (2α2β) oraz hemoglobinę A2 (HbA2) zbudowaną z dwóch łańcuchów α i dwóch łańcuchów δ (2α2δ), które występują u ludzi dorosłych, a także hemoglobinę płodową (HbF) składającą się z dwóch łańcuchów α i dwóch łańcuchów γ (2α2γ) występującą u płodów, cechującą się dużo wyższym powinowactwem do tlenu niż hemoglobina A (HbA).
Funkcje hemoglobiny
Hemoglobina jest czerwonym barwnikiem oddechowym występującym w erytrocytach kręgowców (z wyj. ryb białokrwistych, Channichthyidae) oraz hemolimfie niektórych grup bezkręgowców (pierścienic, nicieni, płazińców, mięczaków, stawonogów oraz szkarłupni), którego główną funkcją jest wiązanie i przenoszenie tlenu z narządów oddechowych do wszystkich tkanek organizmu. Biosynteza hemoglobiny u kręgowców zachodzi w szpiku kostnym w komórkach macierzystych erytrocytów (proerytroblastach i erytroblastach). Rozkład hemoglobiny do barwników żółciowych (biliwerdyny i bilirubiny) przebiega w układzie fagocytarnym (siateczkowo-śródbłonkowym) śledziony i wątroby.
Hemoglobina cechuje się zdolnością do tworzenia odwracalnych połączeń z cząsteczkami tlenu, która zależna jest m.in. od ciśnienia cząstkowego tlenu i dwutlenku węgla, pH oraz temperatury. Reakcja wiązania cząsteczek tlenu z hemoglobiną, prowadząca do powstania łatwo dysocjującej oksyhemoglobiny (HbO₂), przebiega z największą wydajnością w sieci włosowatych naczyń krwionośnych narządów oddechowych (skrzeli, płuc), gdzie stężenie tlenu jest najwyższe. Wiązanie tlenu z hemoglobiną jest kooperatywne (związanie jednej cząsteczki tlenu ułatwia przyłączenie kolejnej) i przebiega bez zmiany stopnia utlenienia żelaza (tzw. utlenowanie). W naczyniach włosowatych tkanek organizmu (niskie stężenie tlenu, wysokie stężenie dwutlenku węgla, niskie pH) oksyhemoglobina uwalnia cząsteczki tlenu przechodząc ponownie w hemoglobinę (tzw. efekt Bohra).
Hemoglobina bierze również udział w przenoszeniu dwutlenku węgla (ok. 20-25%), dzięki czemu uczestniczy w utrzymywaniu równowagi kwasowo-zasadowej organizmu. Cząsteczka dwutlenku węgla łączy się kowalencyjnie z grupami aminowymi podjednostek hemoglobiny, tworząc łatwo dysocjującą karbaminohemoglobinę (HbCO₂), która łatwo uwalnia tlen w tkankach o wysokim metabolizmie. Hemoglobina odgrywa również rolę w przenoszeniu tlenku azotu (NO) regulującego ciśnienie krwi i napięcie mięśniówki naczyń krwionośnych, związanego z grupą tiolową cysteiny podjednostki peptydowej.
Funkcja hemoglobiny jako przenośnika tlenu może być zahamowana przez cząsteczki różnych związków chemicznych łączących się z miejscami wiążącymi cząsteczki tlenu, np. tlenku węgla (CO) tworzącego trwałe połączenie koordynacyjne z atomem żelaza hemoglobiny (karboksyhemoglobina, HbCO) bądź działanie substancji utleniających (np. żelazocyjanku) powodujących powstanie nieczynnej postaci hemoglobiny z żelazem na trzecim stopniu utlenienia – methemoglobiny (MetHb).
Choroby wywołane przez mutację genu hemoglobiny
Choroby spowodowane przez mutacje genów kodujących łańcuchy białkowe hemoglobiny (łańcuchów α i β globiny) obejmują hemoglobinopatie wynikające z nieprawidłowej struktury hemoglobiny (np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa) oraz talasemię (niedokrwistość tarczowatokrwinkową) wynikającą z niedostatecznej produkcji określonych łańcuchów polipeptydowych globiny (np. α-talasemia i β-talasemia).
