Hemoglobiny , powszechnie symbolizowane Hb czasami Hgb jest pigment oddechowego (rodzina cząsteczkowa metaloprotein tu zawierającego żelazo ) występuje głównie w krwi od kręgowca , w swych krwinkach czerwonych i w tkankach niektórych bezkręgowców . Jego funkcją jest transport tlenu O 2z układu oddechowego ( płuca , skrzela ) do reszty ciała . Ilość hemoglobiny to parametr mierzony podczas morfologii krwi .
Hemoglobina uwalnia do tkanek tlen niezbędny do tlenowego oddychania komórkowego , który poprzez metabolizm dostarcza energii niezbędnym do życia procesom biologicznym.
U człowieka hemoglobina jest białkiem hetero - tetramerycznym utworzonym z łańcuchów peptydowych, które są identyczne dwa na dwa. Hemoglobina A (HbA) stanowi około 95% cząsteczek hemoglobiny u dorosłych i składa się z dwóch łańcuchów α i dwóch łańcuchów β; istnieje również Stężenie hemoglobiny 2 (HbA 2 ) o wzorze α 2 δ 2i hemoglobinę F (HbF, płodowa) o wzorze α 2 γ 2. Każdy z czterech kanałów jest związany z grupę prostetyczną o nazwie hemu , składający się z kationem w żelaza skompleksowanego z porfiryny . Dlatego hemoglobina jest hemoproteiną .
U ssaków hemoglobina stanowi blisko 96% suchej masy krwinek czerwonych, a około 35% ich całkowitej zawartości, w tym woda. Każda cząsteczka hemoglobiny może wiązać do czterech cząsteczek tlenu O 2a hemoglobina we krwi może zawierać 1,34 ml O 2na gram białka, co pozwala mu przenosić 70 razy więcej tlenu niż ilość O 2rozpuszczony we krwi. Hemoglobina bierze również udział w transporcie gazów innych niż tlen. W szczególności zapewnia transport części dwutlenku węgla CO 2wyprodukowany przez oddychanie komórkowe, a także przenosi tlenku azotu NO, które odgrywają istotną rolę w komórkowych sygnałów pewnych fizjologicznych procesach , a który jest uwalniany razem z tlenem, po czym transportuje się na tiolowej grupy z apoproteiny .
większość hemoglobiny znajduje się w krwinkach czerwonych, które są wytwarzane przez szpik kostny. Jednak nie cała hemoglobina jest skoncentrowana w krwinkach czerwonych. Znajduje się więc na przykład w neuronach dopaminergicznych z grupy A9 istoty czarnej , w makrofagach , komórkach pęcherzyków płucnych oraz w nerkach , w komórkach mezangium . W tych tkankach hemoglobina pełni rolę przeciwutleniacza i regulatora metabolizmu żelaza .
Hemoglobina i różne pokrewne cząsteczki są również obecne w dużej liczbie bezkręgowców, grzybów i roślin . W tych organizmach hemoglobina służy do transportu tlenu O 2, ale może również działać jako transporter i regulator innych substancji chemicznych, takich jak dwutlenek węgla CO 2, tlenek azotu NO, siarkowodór HS i anion siarczkowy S 2– . Odmiana hemoglobiny, zwana leghemoglobiną , usuwa tlen z układów beztlenowych , na przykład z guzków Rhizobium w fabaceae , zanim je dezaktywuje.
Hemoglobina ma czwartorzędową strukturę charakterystyczną dla wielu białek z podjednostkami kulistymi . Większość jej pozostałości z aminokwasów zaangażowanych w alfa helis połączonych segmentów nie będących segmentami śrubowymi. Spiralne odcinki są stabilizowane przez wiązania wodorowe, które nadają białku charakterystyczną trójwymiarową strukturę, zwaną globinowym fałdowaniem, podobnie jak w innych globinach z hemową grupą prostetyczną , taką jak mioglobina . To charakterystyczne pofałdowanie posiada wnękę, w której szczelnie umieszczona jest cząsteczka hemu stanowiąca grupę prostetyczną białka. Dlatego hemoglobina zawiera jedną cząsteczkę hemu na podjednostkę.
Ogólna reprezentacja cząsteczki hemoglobiny, pokazująca cztery podjednostki, identyczne parami, każda z cząsteczką hemu umieszczoną we wnękach w podjednostkach.
U większości kręgowców cząsteczka hemoglobiny jest zbiorem czterech podjednostek kulistych w przybliżeniu czworościennym . Te podjednostki są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, jonowe i efekt hydrofobowy . U dorosłych ludzi najpowszechniejszym rodzajem hemoglobiny jest hemoglobina A, składająca się z dwóch podjednostek α i dwóch podjednostek β, z których każda składa się odpowiednio z 141 i 146 reszt aminokwasowych. Struktura ta jest symbolizowana przez α 2 β 2. Te podjednostki są strukturalnie bardzo podobne i mają w przybliżeniu ten sam rozmiar. Każdy ma masę cząsteczkową około 16 kDa lub 64 kDa ( 64 458 g · mol- 1 ) dla białka o pełnej długości. U dzieci główna hemoglobina nazywana jest hemoglobiną F (płodowa) o wzorze α 2 γ 2przy czym podczas wzrostu łańcuchy γ są stopniowo zastępowane przez łańcuchy β.
Hem jest złożona z kationów z żelaza ( II ) koordynowanej do czterech atomów od azotu z porfiryny , A tetrapirolowych cząsteczka jest płaska. Ten kation Fe 2+ jest również kowalencyjnie związany z resztą histydynową F8 globiny, do której hemu jest wstawiony; ta reszta, zwana proksymalną histydyną , znajduje się poniżej płaszczyzny hemu. Fe 2+ może również wiązać się odwracalnie poprzez koordynujące wiązanie kowalencyjne z cząsteczką tlenu O 2powyżej płaszczyzny hemu, naprzeciwko histydyny bliższym wypełniającej sześcio- ligand ośmiościenny geometrii koordynacyjny żelaza ( II ), kationu w hemoglobiny; w przypadku braku tlenu w deoksyhemoglobinie to szóste miejsce zajmuje bardzo słabo związana cząsteczka wody .
Żelazo żelaza w deoksyhemoglobina jest w wirowania, stan , który oznacza, że wszystkie jego pięć dni orbitale są zajęte, głównie przez pojedyncze elektrony, w związku z jonowego promieniem rzędu 92 pm , podczas gdy w oksyhemoglobiny, stopów żelaza jest w postaci stan niskiego spinu , tj. jego orbitale d są zajęte przez sześć sparowanych elektronów, które są ograniczone do trzech orbitali o najniższej energii, stąd promień jonowy tylko 75 µm . Z tego powodu jon Fe 2+ jest przesunięty o około 40 µm od płaszczyzny hemu w deoksyhemoglobinie, ale tylko o 10 µm w oksyhemoglobinie. Ta zmienność leży u podstaw przełączania między napiętą formą a zrelaksowaną formą hemoglobiny.
(en) Schematyczny diagram wiązania cząsteczki tlenu O 2na hemie , symbolizowany tutaj grubą linią. Jon ponadtlenkowy O 2• - w wyniku jest połączony po jednej stronie do kationu z żelaza ( III ) za pomocą współrzędnych wiązaniem kowalencyjnym , a z drugiej strony do histydyny dalszym. Fe ( II ), kationu z deoksyhemoglobina jest w wirowania, stanu i przesunięty względem płaszczyzny hemowej wobec histydyny bliższej, ale doprowadza się w tej płaszczyźnie przez przemieszczenie się do niskiego wirowania stanie przez wiązania L. Tlenem, który zmienia histydyna w pobliżu hemu i sprzyja przesunięciu reszty białka z formy naprężonej (T) do postaci zrelaksowanej (R).
Kation żelaza może znajdować się na stopniu utlenienia +2 lub +3: w tym drugim przypadku mamy do czynienia z methemoglobiną , która wiąże się z tlenem mniej odwracalnie niż hemoglobina, a także z mniejszym powinowactwem. Rzeczywiście, kiedy wiąże się z hemem żelazawym, cząsteczką tlenu O 2ma tendencję do redukcji do jonu ponadtlenkowego O 2• - podczas gdy kation Fe 2+ ma tendencję do utleniania się do Fe 3+ , co jest mechanizmem odwracalnym podczas uwalniania tlenu; przeciwnie, wiązanie tlenu z hemem żelazowym jest zasadniczo nieodwracalne i ma tendencję do blokowania białka w postaci R, co zapobiega uwalnianiu tlenu i hamuje jego działanie jako transportera tlenu. Cytochromu b 5 reduktazy lub methemoglobiny reduktazy jest enzym , który zapewnia redukcję methemoglobiny hemoglobinę przez redukcję kationów Fe 3+ do Fe 2+ , dzięki czemu enzym zasadniczy w utrzymaniu właściwości krwi.
Odtleniona hemoglobina (deoksyhemoglobina) ma tak zwaną konformację T, czyli napiętą , podczas gdy hemoglobina utleniona (oksyhemoglobina) ma tak zwaną konformację R, czyli zrelaksowaną . Forma T ma niskie powinowactwo do tlenu i dlatego ma tendencję do jego uwalniania, podczas gdy forma R ma wysokie powinowactwo do tlenu i ma tendencję do jego wiązania. Kilka czynników sprzyja jednej z tych konformacji. Tak więc formie T sprzyja niskie pH ( kwaśne ), wysokie stężenie CO 2oraz wysoki poziom 2,3-bisfosfoglicerynianu (2,3-BPG), który wspomaga uwalnianie tlenu podczas krążenia krwi w tkankach , podczas gdy postaci R sprzyja wysokie pH, niskie ciśnienie parcjalne CO 2oraz niski poziom 2,3-BPG, który wspomaga pobieranie tlenu, gdy krew krąży na poziomie pęcherzyków płucnych .
Schematyczne przedstawienie przełączania hemoglobiny między formami T (deoksy) i R (oksy). Ruchy hemu i proksymalnej histydyny są wyraźnie widoczne w podjednostkach α 1 i β 2 .
Szybkość nasycenia O 2hemoglobina jako funkcja ciśnienia parcjalnego O 2 ; czasami nazywana krzywą Barcrofta , jest sigmoidalna ze względu na kooperacyjny efekt towarzyszący wiązaniu tlenu do hemoglobiny.
Przełączanie między formą T a formą R hemoglobiny jest tak zwanym mechanizmem kooperacyjnym , to znaczy allosterycznym , ponieważ wiązanie cząsteczki tlenu z formą T wywołuje zmianę konformacyjną, która rozprzestrzenia się częściowo do sąsiednich podjednostek , których powinowactwo dla tlenu stopniowo wzrasta, gdy inne cząsteczki tlenu wiążą się z hemoglobiną, aż całe białko przyjmie konformację R; odwrotnie, uwolnienie cząsteczki tlenu z formy R wywołuje zmianę konformacyjną, która częściowo rozprzestrzenia się do sąsiednich podjednostek, których powinowactwo do tlenu stopniowo maleje, gdy hemoglobina uwalnia tlen, aż całe białko przyjmie konformację T. To jest powód, dla którego Krzywa wiązania tlenu z hemoglobiną w funkcji ciśnienia parcjalnego tlenu ma postać sigmoidalną , natomiast przy braku allosterii byłaby hiperboliczna .
Zwyczajowo wykreśla się stopień nasycenia hemoglobiny w tlenie O 2przedstawiony na osi y w funkcji ciśnienia cząstkowego z tlenu O 2, podana na odciętej . Na tej ilustracji krzywa jest esowata i ma tendencję do przesuwania się w lewo, gdy powinowactwo hemoglobiny do tlenu wzrasta, i w prawo, gdy maleje. Ciśnienie parcjalne tlenu, przy którym hemoglobina jest w 50% nasycona tlenem, nazywa się p 50 : im niższa jego wartość, tym wyższe powinowactwo hemoglobiny do tlenu. Orientacyjnie, p50 hemoglobiny u zdrowej osoby dorosłej wynosi zwykle 3,5 kPa , często zapisywane jako 26,6 mmHg , podczas gdy dla mioglobiny wynosi zwykle 130 Pa .
Kilka czynników zwiększa p 50 i dlatego przesuń tę krzywą w prawo:
Efekty te są odwracalne, a odwrócenie kierunku zmian tych czynników powoduje przesuwanie się krzywej w lewo.
Oprócz tlenu O 2, który wiąże się z hemoglobiną zgodnie z tzw. mechanizmem kooperacyjnym , białko to przenosi również inne ligandy , z których część jest inhibitorami kompetycyjnymi , np. tlenek węgla CO, a inne są ligandami allosterycznymi, np. dwutlenkiem węgla CO 2i tlenek azotu NO. CO 2odwracalnie wiąże się z grupami aminowymi w apoproteinie, tworząc karbaminohemoglobinę , która zapewnia około 10% transportu CO 2u ssaków reszta jest transportowana głównie w postaci jonów wodorowęglanowych HCO 3- . Tlenek azotu wiąże się odwracalnie z grupami tiolowymi apoproteiny, tworząc S- nitrozotiol . Transport tlenku azotu może pośrednio pośredniczyć w transporcie tlenu przez hemoglobinę, działając jako środek rozszerzający naczynia krwionośne w tkankach, w których ciśnienie parcjalne tlenu jest niskie.
Inhibitory przez współzawodnictwo z tlenemWiązanie tlenu z hemoglobiną jest skutecznie blokowane przez tlenek węgla CO, na przykład z dymu papierosowego , spalin lub niepełnego spalania przez kocioł . Tlenek węgla konkuruje z tlenem w miejscu wiązania tego ostatniego na hemie. Powinowactwo hemoglobiny do tlenku węgla wynosi 230 razy większe niż stężenia hemoglobiny do tlenu, tak, że małe ilości tlenku węgla wystarczająca by znacząco zmniejszać utlenianie hemoglobiny w hematosis , a zatem zdolność krwi do natleniania ciała. Niedotlenienie , które skutkuje z ciągłym kontakcie z 0,16% CO w powietrzu powoduje, zawroty głowy , mdłości , ból głowy i częstoskurcz w ciągu 20 minut i prowadzi do śmierci w ciągu dwóch godzin; 1,28% CO w powietrzu powoduje utratę przytomności już po dwóch do trzech oddechów i śmierć w mniej niż trzy minuty. W połączeniu z tlenkiem węgla hemoglobina jest białkiem zwanym karboksyhemoglobiną, którego bardzo jaskrawoczerwony kolor prawdopodobnie zabarwi różową skórę ofiar zatrucia tlenkiem węgla , które w przeciwnym razie miałyby bladą lub siną cerę.
Podobnie hemoglobina wykazuje, w miejscu wiązania tlenu, konkurencyjne powinowactwo do jonu cyjankowego CN - , tlenku siarki SO i jonu siarczkowego S 2– , tak jak w przypadku siarkowodoru H 2 S. Wiążą się one z kationem żelaza hemu bez zmiany jego stopnia utlenienia, ale mimo to hamują wiązanie tlenu z hemem, stąd ich wysoka toksyczność.
Allosteryczne ligandy hemoglobinyDwutlenek węgla CO 2łatwiej wiąże się z deoksyhemoglobiną, co ułatwia jej eliminację z organizmu. Nazywa się to efektem Haldane'a .
Ponadto CO 2rozpuszczony we krwi przekształca się w anion wodorowęglanowy HCO 3- przez anhydrazę węglanową , w zależności od reakcji:
CO 2+ H 2 O→ H 2 CO 3→ HCO 3- + H + .Wynika z tego, że krew bogata w CO 2jest również bardziej kwaśny , tzn. jego pH jest obniżane pod wpływem kwasu węglowego . Wiązanie protonów H + i cząsteczek CO 2hemoglobina wywołuje zmianę konformacyjną, która faworyzuje formę T, a tym samym uwalnianie tlenu. Protony wiążą się z różnymi miejscami w hemoglobinie, podczas gdy dwutlenek węgla wiąże się z grupami α- aminowymi , tworząc karbaminohemoglobinę . Zmniejszenie powinowactwa hemoglobiny do tlenu w obecności CO 2a kwaśne pH nazywa się efektem Bohra .
Osoby aklimatyzowane na dużych wysokościach mają podwyższony poziom 2,3-bisfosfoglicerynianu (2,3-BPG) we krwi . Ten ostatni jest efektorem heteroalosterycznym, który ma wpływ na zmniejszenie powinowactwa hemoglobiny do tlenu poprzez stabilizację formy T: pod ciśnieniem parcjalnym tlenu niższym niż na poziomie morza spadek powinowactwa hemoglobiny do tlenu skutkuje zwiększeniem ogólnego efektywność transportu tlenu przez hemoglobinę. Mówiąc bardziej ogólnie, wzrost poziomu 2,3-BPG obserwuje się, gdy ciśnienie parcjalne tlenu w tkankach obwodowych spada, na przykład w przypadku hipoksemii , przewlekłej choroby układu oddechowego , anemii , a nawet niewydolności serca . Odwrotnie , poziom 2,3-BPG obniża się w przypadku wstrząsu septycznego i hipofosfatemii (w) .
Biosynteza hemoglobiny obejmuje złożony zestaw etapów. Hemu jest z serii reakcji, które biorą swój początek w mitochondriach i nadal w cytozolu z erytrocytów niedojrzałe, podczas gdy apoproteina jest wytwarzany na rybosomach cytozolu. Produkcja hemoglobiny zachodzi we wczesnych stadiach erytropoezy , od fazy proerytroblastów do fazy retikulocytów w szpiku kostnym . To tutaj erytrocyty ssaków tracą swoje jądro , podczas gdy jądro pozostaje w erytrocytach u ptaków i wielu innych gatunków . Jednak biosynteza apoproteiny trwa po utracie jądra, ponieważ w komórce pozostaje informacyjny RNA , który może być poddawany translacji przez rybosomy cytozolu aż do aktywacji erytrocytów w aparacie sercowo-naczyniowym .
U kręgowców erytrocyty, które osiągnęły koniec swojego życia z powodu starzenia się lub pogorszenia, są usuwane z krwi przez fagocytozę przez makrofagi w śledzionie i wątrobie . W przypadku hemolizy we krwi hemoglobina wiąże się z haptoglobiną , natomiast wolny hem jest wiązany przez hemopeksynę , co ogranicza efekt oksydacyjny. Niecałkowicie degradacji lub hemoglobiny uwalniane w dużych ilościach z uszkodzonych komórek czerwonych krwinek może zatkać naczynia krwionośne , takie jak kapilar tych nerek , który może powodować chorobę nerek . Uwolniona hemoglobina jest usuwana z krwi przez białko CD163 , które jest wyrażane wyłącznie w monocytach i makrofagach. Hemoglobina jest rozkładana w tych komórkach, a żelazo hem jest zawracane, podczas gdy jedna cząsteczka tlenku węgla jest uwalniana na każdą zdegradowaną cząsteczkę hemu: rozkład hemu jest jednym z niewielu naturalnych procesów. Wytwarzanie tlenku węgla w organizmie człowieka i jest odpowiedzialne za obecność CO we krwi ludzi oddychających nawet najczystszym powietrzem. W tym procesie powstaje biliwerdyna , a następnie bilirubina , która ma kolor żółty. Nierozpuszczalny, jest uwalniany przez makrofagi do osocza krwi , gdzie wiąże się z albuminą surowicy , która transportuje ją do hepatocytów . Te ostatnie solubilizują go poprzez sprzęganie z kwasem glukuronowym i wydzielają w jelitach z żółcią . W jelitach bilirubina jest metabolizowana do urobilinogenu , który jest wydalany z kałem w postaci sterkobiliny oraz z moczem . Kiedy bilirubina nie może zostać wydalona, jej stężenie we krwi wzrasta i jest wydalana głównie z moczem, który ciemnieje, a kał zmienia kolor.
Żelazo wytwarzane w wyniku degradacji hemu jest przechowywany w ferritins tych tkankach i transportowane w osoczu krwi przez beta-globuliny , takie jak transferyn .
Cząsteczki hemoglobiny składają się z podjednostek typu globiny, których sekwencja różni się w zależności od gatunku . Istnieją również warianty hemoglobiny w ramach tego samego gatunku, chociaż jeden z tych wariantów przeważnie przeważa nad pozostałymi. U ludzi dominująca postać hemoglobiny nazywana jest hemoglobiną A; jest kodowany przez HBA1 , HBA2 i Hbb geny znajdują się na chromosomie 16 dwóch pierwszych i chromosomu 11 na ostatnim.
Ogólnie przyjmuje się, że różnica między hemoglobiną a mioglobiną jest następstwem oddzielenia gnathostomów ( kręgowców do szczęki ) lub minoga . Mioglobina była ukierunkowana na magazynowanie tlenu, podczas gdy hemoglobina była wyspecjalizowana w transporcie tlenu. Podjednostki białka są kodowane przez geny typu globiny α i β. Poprzednicy tych genów powstali podczas duplikacji, która miała miejsce po pojawieniu się gnathostomów, około 450 do 500 milionów lat temu. Pojawienie się genów α i β otworzyło drogę do polimeryzacji tych globin, a tym samym do powstania większego białka składającego się z odrębnych podjednostek . Fakt, że hemoglobina jest białkiem polimerowym, jest podstawą mechanizmu allosterycznego , który w szczególności leży u podstaw kooperatywnego charakteru wiązania tlenu z hemoglobiną. Gen α przeszedł następnie drugą duplikację, która prowadzi do powstania genów HBA1 i HBA2 . Te wielokrotne duplikacje i rozbieżności stworzyły cały zestaw genów związanych z globinami α i β, których regulacja prowadzi do ich ekspresji na różnych etapach rozwoju.
Dopasowanie sekwencji łańcuchów α, β i δ ludzkiej hemoglobiny (źródło UniProt ).
Te mutacje genów hemoglobiny może prowadzić do odmian hemoglobiny. Większość z tych wariantów jest funkcjonalna i nie ma wpływu na zdrowie. Z drugiej strony, niektóre mutacje hemoglobiny mogą powodować choroby genetyczne zwane hemoglobinopatiami . Najbardziej znanym z tych schorzeń jest anemia sierpowata , która była pierwszą chorobą człowieka, której mechanizm został wyjaśniony na poziomie molekularnym. W talasemie Kolejną grupę hemoglobinopatie obejmujących takie zmiany w regulacji genów globiny składnik hemoglobiny. Wszystkie te choroby powodują anemię .
Zmiana sekwencji aminokwasów hemoglobiny może mieć charakter adaptacyjny. Jest zatem możliwe było pokazać, który dostosowuje hemoglobiny spadkiem ciśnienia cząstkowego z tlenem obserwowane na dużych wysokościach. Hemoglobina musi wtedy być zdolna do wiązania się z tlenem pod niższym ciśnieniem, co może objawiać się zmianą sekwencji aminokwasów zaangażowanych w powinowactwo hemoglobiny do tlenu, co zaobserwowano na przykład u kolibrów z Andów. cordillera : tak więc u gatunków z rodzaju Oreotrochilus , u kolibra Castelneau , inka violifera, a nawet kolibra olbrzymiego , mutacje te zmniejszają powinowactwo hemoglobiny do kwasu fitynowego , który u tych ptaków odgrywa taką samą rolę jak 2,3- bisfosoglicerynian u ludzi; ten spadek powinowactwa ma wpływ na zwiększenie wydajności transportu tlenu, gdy ciśnienie cząstkowe tego ostatniego jest zmniejszone.
Adaptacja hemoglobiny do dużych wysokości dotyka również ludzi. W ten sposób zidentyfikowaliśmy grupę kobiet tybetańskich, których genotyp koduje hemoglobinę, której powinowactwo do tlenu wzrasta przy niskim ciśnieniu parcjalnym. Ma to wpływ na zmniejszenie śmiertelności niemowląt w tych ekstremalnych warunkach, co daje selektywną korzyść, sprzyjającą osobom będącym nosicielami tych mutacji hemoglobiny.
U dorosłych głównym wariantem hemoglobiny jest hemoglobina A lub HbA o wzorze α 2 β 2, co stanowi ponad 97% całkowitej hemoglobiny u zdrowej osoby dorosłej. Innym wariantem hemoglobiny dorosłej jest hemoglobina A 2 lub HbA 2 o wzorze α 2 δ 2, co stanowi od 1,5% do 3,1% całkowitej hemoglobiny zdrowej osoby dorosłej, ale jej odsetek wzrasta u pacjentów z sierpem sierpowatokrwinkowym . Oprócz tych zdrowych odmian dorosłych istnieje tuzin innych wariantów ludzkiej hemoglobiny, które można znaleźć w embrionie , płodzie lub pacjentach z jedną lub kilkoma postaciami hemoglobinopatii .
U ludzi znane są cztery typy hemoglobiny zarodkowej :
Embrionalna hemoglobina jest czasami symbolizowana przez Hbε, którego nie należy mylić z hemoglobiną E, oznaczoną HbE, która jest patologiczną odmianą HbA wykazującą szkodliwą mutację w podjednostkach β, oznaczoną jako β E („E” w tym przypadku odnosi się do pozostałości z glutaminianem zmodyfikowany przez mutację ).
Płodowej hemoglobiny HbF o wzorze α 2 γ 2zastępuje hemoglobinę embrionalną po 10 do 12 tygodniach rozwoju. Stanowi do 95% krwi noworodka i jest stopniowo zastępowana przez dorosłą hemoglobinę HbA od szóstego miesiąca po urodzeniu; jednak pozostaje obecny w śladowych ilościach u dorosłych, gdzie nie przekracza 1% wszystkich wykrywalnych wariantów hemoglobiny. Pozostaje u dzieci urodzonych w niektórych przypadkach talasemii , czasami do piątego roku życia, a rzadki stan zwany dziedzicznym uporczywością hemoglobiny płodowej (en) ( HPFH ) powoduje produkcję HbF zamiast HbA poza normalny okres. Ponadto produkcję HbF można reaktywować u dorosłych w warunkach terapeutycznych w leczeniu niedokrwistości sierpowatokrwinkowej .
Hemoglobina płodowa charakteryzuje się większym powinowactwem do tlenu niż hemoglobina dorosła, co pozwala płodowi na utlenienie się z krwi matki: w rzeczywistości p 50 HbF wynosi około 19 mmHg ( 2,6 kPa ), w porównaniu do 26,8 mmHg ( 3,6 kPa ) dla HbA. Ta różnica w powinowactwie do tlenu wynika z różnicy w powinowactwie do jednego z allosterycznych efektorów hemoglobiny: 2,3-bisfosfoglicerynianu (2,3-BPG), którego wiązanie z hemoglobiną wpływa na stabilizację formy T tego białka, co odpowiada deoksyhemoglobinie, która zmniejsza powinowactwo hemoglobiny do tlenu. W przypadku hemoglobiny płodowej The γ podjednostka posiada pozostałości z seryny w pozycji 143, w której podjednostka β HbA ma resztę histydyny : pozycja ta znajduje się w miejscu wiązania 2,3-BPG i zastąpienie histydyna, której łańcuch boczny przenosi dodatni ładunek elektryczny , przez elektrycznie obojętną serynę, osłabia oddziaływanie 2,3-BPG z hemoglobiną, ponieważ 2,3-BPG jest małą cząsteczką przenoszącą pięć ujemnych ładunków elektrycznych.
W talasemie cechują się niewystarczającą wytwarzania jednego z dwóch typów podjednostek hemoglobinę dorosłych. Rozróżnia się zatem talasemię α , która jest raczej rzadka, w której podjednostki α są wytwarzane w niewystarczającym stopniu, oraz talasemię β , najpowszechniejszą, w której to podjednostki β są wytwarzane w niewystarczającym stopniu. Pierwsza prowadzi do powstania tetramerów β-globiny zwanych hemoglobiną H , o wzorze β 4, które są dość niestabilne. Do a 0 homozygoty ogół nie przetrwać długi po urodzeniu spowodowana głęboką zmianę hemoglobiny płodowej HbF, daje w tych warunkach Barts hemoglobiny , o wzorze ogólnym γ 4.
Główne mutacje hemoglobiny to:
W roślinach i zwierzętach występuje wiele różnych białek, które wiążą się z tlenem w celu przechowywania lub transportu. Te bakterie , tym pierwotniakami i grzybami mieć wszystkie także hemoglobiny pokrewnych białek, które ze swojej znane lub przewidywane funkcji powiązać z ligandów gazowych odwracalny. Oprócz transportu i wykrywania tlenu, białka te mogą brać udział w usuwaniu tlenu z ośrodków, o których uważa się, że pozostają beztlenowe , jak ma to również miejsce w przypadku leghemoglobiny .
Ponieważ wiele takich białek składa się z globin i hemu , są one często określane jako „hemoglobina”, mimo że ich ogólna struktura bardzo różni się od hemoglobiny u kręgowców . W szczególności rozróżnienie między mioglobiną i hemoglobiną jest często niemożliwe u najprostszych zwierząt przy braku mięśni u tych ostatnich, podczas gdy układ krążenia większości owadów nie bierze udziału w dyfuzji tlenu do organizmu. Szereg stawonogów ( pająki , skorpiony , niektóre skorupiaki ) wykorzystuje się dziurki od klucza , który jest zawierającym miedź wolnego hemu, ale stosując kationy z miedzi bezpośrednio skoordynowane z reszt od histydyny , a białko nie jest homologiczna z hemoglobiną.
Struktura hemoglobin jest bardzo zróżnicowana w zależności od rozpatrywanego gatunku. W bakteriach, pierwotniakach, algach i roślinach występuje często monoblobina , podczas gdy wiele nicieni , mięczaków i skorupiaków ma bardzo duże białka zawierające znacznie większą liczbę podjednostek niż u kręgowców. W szczególności grzyby i pierścienice posiadają chimeryczne hemoglobiny zawierające zarówno globiny, jak i inne rodzaje białek. Zatem, olbrzymia rura robaka z tych hydrotermalnych zawiera wiele hemoglobiny, zawierający nie mniej niż 144 podjednostki globiny, każdy związany z grupą hemu, którego zadaniem jest wychwytywania tlenu O 2i siarkowodór H 2 Sniezbędny dla bakterii żyjących z nim w symbiozie , a także dwutlenku węgla CO 2niezbędny do anabolizmu robaka. Struktury te są niezwykłe, ponieważ mogą transportować tlen w obecności jonów siarczkowych i same transportować te jony bez ich zatrucia, podobnie jak hemoglobiny innych gatunków.
Wśród białek innych niż hemoglobina zdolnych do wiązania się z tlenem można zachować następujące cząsteczki:
W medycynie kilka terminów odnosi się do hemoglobiny:
Podobnie jak wiele białek, łańcuchy hemoglobiny wykazują różne mutacje, które najczęściej nie mają wpływu klinicznego. Zidentyfikowano ponad 500 nieprawidłowych hemoglobin. Niektóre mutacje (Hb Köln, Indianapolis itp.) Powodują niestabilność wytrącającego się tetrameru w ciele Heinza lub methemoglobinemię (hemoglobina M).
Czasami ta mutacja powoduje nienormalne powinowactwo do tlenu, to znaczy, tak jak Hb Hope, spadek powinowactwa z wysokim P50 dającym dobrze tolerowaną anemię i sinicę w spoczynku, wysiłek i wysokość są źle podtrzymywane., Lub tak jak Hb Chesapeake, Malmö lub Olympia, wzrost powinowactwa z obniżoną P50 i kompensacyjną czerwienicą prowadzącą do objawów klinicznych od pewnego wieku.
Inni mogą być odpowiedzialni za przewlekłą hemolizę, HbS (przez mutację glutaminy do waliny, która spowoduje polimeryzację Hb), HbC, lub pogorszyć w stanie heterozygotycznym inną hemoglobinopatię, HbO Arab, HbD Punjab lub Hb Lepore lub β-talasemię, HbE.
Wreszcie uszkodzenie genetyczne może dotyczyć nie pierwotnej struktury białka, ale ilościowego defektu w jego syntezie lub nienormalnie wysokiej trwałości hemoglobiny płodowej HbF.
Wady syntezy, czyli anomalia molekularna są opisane pod nazwami:
Pierwsze badania hemoglobiny zostały przewiezione do XIX th wieku w Niemczech . Odkryta w 1840 roku przez Hünefelda, hemoglobina została skrystalizowana w 1851 roku przez Otto Funke (en) i to Felix Hoppe-Seyler zademonstrował odwracalne wiązanie tlenu na tym białku w 1866 roku. Tetrameryczny charakter i masa cząsteczkowa hemoglobiny zostały ustalone przez Gilbert Smithson Adair (en) w 1925 r., Mierząc ciśnienie osmotyczne roztworów hemoglobiny, który również zidentyfikował podstawy wspólnego efektu wiązania tlenu z tym białkiem przez allosteria .
Trójwymiarową strukturę hemoglobiny została założona przez Max Perutz w 1959 roku przez krystalografii rentgenowskiej , co doprowadziło do jego udostępniania 1962 Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii z John Kendrew , który prowadził podobną pracę na mioglobiny .
W 2005 roku artysta Julian Voss-Andreae stworzył rzeźbę Heart of Steel (Hemoglobin) , wzorowaną na kręgosłupie białka. Rzeźba wykonana jest ze szkła i stali Corten . Zardzewiały wygląd dzieła jest zamierzony i wywołuje fundamentalną reakcję chemiczną wiązania tlenu z żelazem zawartym w hemoglobinie.
Artysta z Montrealu Nicolas Baier stworzył rzeźbę Luster (Hemoglobin) , polerowaną rzeźbę ze stali nierdzewnej, która pokazuje strukturę cząsteczki hemoglobiny. Rzeźba znajduje się w atrium centrum badawczego McGill University Health Center w Montrealu. Wielkość rzeźby to około 10 metrów na 10 metrów na 10 metrów.
„ Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 1962 r. Została przyznana wspólnie Maxowi Ferdinandowi Perutzowi i Johnowi Cowdery Kendrew„ za badania struktur białek kulistych ” . "