Hemoglobin

1. Hemoglobin MUDr. Jakub Mensa

2. Struktura hemoglobinu • tetramerní protein – 4 polypeptidové řetězce, na každém je jako prostetická skupina vázán cyklický tetrapyrol - hem

3. Polypeptidová část - globin • - skupina příbuzných genů kóduje celkem 6 podobných polypeptidů o cca 140 AMK

4. Polypeptidová část - globin • Kombinacemi 4 těchto polypeptidů vznikají tyto fyziologické typy hemoglobinu: • HbA – 2 alfa, 2 beta řetězce, 98% Hb dospělého člověka • HbA2 – 2 alfa, 2 delta, cca 2% Hb dospělého • HbF – 2 alfa, 2 gamma, fetální • Hb Gower1 – 2 zeta, 2 epsilon, embryonální • Exprese globinových genů se v ontogenezi mění (tzv. switching) a díky tomu jednotlivé typy hemoglobinu v příslušném období převažují. Má to fyziologický význam (viz. dále)

5. Hem • Na levém obrázku je samotný hem, na pravém obrázku jeho připojení ke globinu (AMK His dole) a navázaný O2

6. Funkce hemoglobinu - transport kyslíku • Kyslík se v plicích váže na šesté koordinační místo hemového železa

7. Funkce hemoglobinu – transport kyslíku • Při navázání molekuly O2 dojde ke změně konformace celé molekuly, mění se nekteré její vlastnosti: • Je usnadněna vazba dalších molekul kyslíku • Mění se acidobazické vlastnosti - oxyhemoglobin je silnější kyselina než deoxyhemoglobin • Mění se barva a absorpční vlastnosti – využití v měření saturace

8. Saturační křivka hemoglobinu • kooperativní vazebná kinetika • optimalizováno pro transportní funkci z plic do tkání

9. Saturační křivka hemoglobinu • V plicích (pO2 100 torr, 13,3 kPa) se Hb téměř zcela nasytíO2 • Pokles pO2 v plicích na 8 kPa sníží saturaci je asi o 10 % • Ve venózní krvi (pO2 40 torr, 5,3 kPa) saturace 75% - v klidu se využije jen 25 % kapacity, při námaze i 75 – 85%

10. Obsah kyslíku v arteriální krvi • 1 mol Hb váže 4 moly O2 , z toho za použití molární hmotnosti Hb a molárního objemu plynu za příslušných podmínek lze vypočítat, že 1g Hb váže cca 1,34 ml O2 (Huffneruvo číslo) • Vynásobením koncentrace Hb v krvi (g/l), hodnoty saturace Hb a konstanty 1,34 zjistíme, kolik kyslíku unese Hb obsažený v litru krve (normálně nějakých 200 ml) • Přičteme člen vyjadřující množstní fyzikálně rozpuštěného kyslíku – závisí na parciálním tlaku a rozpustnosti (velmi malé desetinné číslo – na transportu kyslíku se podílí minimálně)

11. Myoglobin vs. hemoglobin • myoglobin uvolní většinu kyslíku až při poklesu jeho parciálního tlaku na cca 20 torr, což je situace v pracujícím svalu – zásobní funkce

12. Posuny disociační křivky • Hodnota P50 je parciální tlak O2, při kterém je saturace Hb 50%, za normálních podmínek činí 3,6 kPa (27 torr) • Posun disociační křivky doprava znamená, že Hb je při stejném parciálním tlaku O2 nasycen méně, neboli P50 stoupá (k nasycení na 50% je třeba vyšší parciální tlak) • Posun doleva…si asi domyslíte • Faktory, které křivku posouvají: • - pH, tedy koncentrace H+ • - parciální tlak CO2 • - teplota • - koncentrace 2,3-bisfosfoglycerátu (produkt glykolýzy)

13. Posun doprava • Hb uvolňuje více kyslíku: • Acidóza • Hyperkapnie • Hypertermie • Vzestup 2,3 BPG

14. Posun doleva • Afinita ke kyslíku stoupá, hůře se z Hb uvolňuje: • Alkalóza • Hypokapnie • Hypotermie • Nedostatek 2,3 BPG

15. Další funkce Hb – transport H+ a CO2 • Oxid uhličitý je z tkání transportován ve třech formách: • fyzikálně rozpuštěný CO2 – 7% • hydrogenkarbonát (CO2 + H2O → HCO3- + H+ , protony z velké části pufruje Hb) – 70% • vázaný na terminální aminoskupiny Hb – karbaminohemoglobin, obdobně i na další plasmatické bílkoviny – celkem 23%

16. Další funkce Hb – transport H+ a CO2 • Pufrační schopnost Hb je dána vazbou protonů na histidinové zbytky globinu

17. Bohrův efekt • Vazba protonů na histidinové zbytky umožňuje vznik iontových vazeb, což usnadní uvolnění kyslíku z oxyhemoglobinu - to je podkladem již zmíněného posunu disociační křivky doprava

18. Haldaneův efekt • Deoxygenace krve zvyšuje její kapacitu pro přenos CO2, oxygenace podporuje uvolňování CO2. • Proč? Oxyhemoglobin je silnější kyselina a odštěpuje tedy více protonů, ty reagují s hydrogenkarbonátem a vzniklý CO2 difunduje do alveolů. Oxyhemoglobin má také menší schopnost vázat CO2 ve formě karbaminohemoglobinu.

19. 2,3-bisfosfoglycerát • vzniká z meziproduktu glykolýzy 1,3-BPG • stabilizuje deoxygenovonou formu Hb vytvořením příčných vazeb mezi beta řetězci globinu – tím posouvá saturační křivku doprava • podpora uvolňování kyslíku vystupňováním glykolýzy při delší hypoxii dává smysl, zvýšení 2,3-BPG v ery ale také snižuje schopnost Hb vázat kyslík při jeho nižším alveolárním parciálním tlaku, adaptivní význam 2,3-BPG při hypoxii proto není jednoznačný

20. Fetální hemoglobin • skládá se ze 2 alfa a 2 gamma řetězců • 2,3-BPG se na něj váže mnohem slaběji, což vysvětluje vyšší afinitu HbF ke kyslíku – posun křivky doleva • fetální erytrocyty díky tomu mohou přebírat kyslík od mateřských

21. Methemoglobin • Oxidace hemového železa na FeIII znemožňuje vazbu kyslíku • Zpětnou redukci katalyzuje methemoglobinreduktáza • Příčiny methemoglobinemie: • - chemikálie • - snížená aktivita methemoglobinreduktázy (kojenci) • - mutantní formy – dědičné M varianty Hb (stabilizují FeIII)

22. Methemoglobin • Methemoglobinizující látky: • - oxidy dusíku, deriváty anilinu a nitrobenzenu • - sulfonamidy, chlorochin, dapson, amylnitrit, 4-dimetylaminofenol (terapie otravy kyanidy – mají vyšší afinitu k MetHb než k cytochromům)

23. Methemoglobin • Příznaky: tachykardie, únava, švestková cyanóza, hnědá krev, dušnost, porucha vědomí, smrt • V ery se tvoří reaktivní formy kyslíku, poškozují strukturu, dochází k hemolýze, hemoglobinurii, tubulární nekróze • Terapie: redukční látky – toluidinová modř, metylénová modř, kyselina askorbová

24. Karbonylhemoglobin (karboxy-) • CO se váže na hemové železo 300x pevněji než kyslík, již v koncentraci 0,05% může zablokovat 50% Hb • Do 10% COHb je prakticky bez příznaků, běžné u kuřáků • Vazba ja sice pevná, ale reversibilní – poločas asi 4h • Při otravě podání kyslíku, ev.hyperbaricky • - poločas se výrazně zkrátí

25. Glykovaný hemoglobin • Hydroxyl Glc se váže na aminoskupiny lysylových zbytků a N-konců hemoglobinu • Vazba je ireverzibilní, podíl glykovaného Hb odráží průměrnou koncentraci Glc v předcházejících 6-8 týdnech

26. Hemoglobin S – srpkovitá anémie • AR, bodová mutace – záměna polárního Glu za nepolární Val - způsobuje polymeraci deoxygenovaného HbS • Erytrocyty se díky tomu zkroutí a jsou náchylné k lýze, blokují kapiláry

27. Thalasémie • Porucha syntézy globinových řetězců alfa nebo beta, druhý typ je v nadbytku – precipituje a způsobuje předčasnou destrukci ery • Alfa thalasémie - nedostatek alfa řetězců postihne i HbF, alely jsou v genomu 4 – 4 stupně závažnosti • Beta thalasémie – 2 alely, nedostatek/chybění HbA

28. Měření saturace Hb kyslíkem • Saturaci Hb kyslíkem souhrně vyjadřuje rovnice: Pulsní oxymetrie využívá rozdílné absorpce světla dvou vlnových délek – červeného a infračerveného, odliší pouze deoxygenovaný Hb od ostatního – tedy oxygenovaného, COHb a MetHb - při vyšší koncentraci COHb a MetHb ukazuje falešně vysoké hodnoty.