خون – درباره گلوبول قرمز – استرینگ پادکست

هموگلوبین

( هموگلوبین BrE کلمه haîma لاتین globus کره -in ) ، αἷμα _ _ _ _ ˈیونانی خون ” ، + + از ˈ” توپ ( ” ” ) / [1] [2] ، به اختصار Hb یا Hgb ، آهن حاوی اکسیژن دهنده متالوپروتئین در گلبول های قرمز خون (گلبول های قرمز) تقریباً همه مهره داران [3] استثنای خانواده ماهی Channichthyidae ) [4] به و همچنین بافت برخی از بی مهرگان . هموگلوبین موجود در خون ، اکسیژن را از اندام های تنفسی ( مانند ریه ها یا آبشش ها ) به بقیه بدن ( یعنی بافت ها) حمل می کند. در آنجا اکسیژن را آزاد می کند تا به تنفس هوازی تا انرژی برای عملکردهای یک موجود زنده در فرآیندی به نام متابولیسم . یک انسان سالم  تا 20  گرم هموگلوبین  میلی لیتر خون

در پستانداران ، کروموپروتئین حدود 96٪ از محتوای خشک گلبول های قرمز خون (از نظر وزن) و حدود 35٪ از محتوای کل (از جمله آب) را تشکیل می دهد. [5] هموگلوبین دارای ظرفیت اتصال اکسیژن 1.34  میلی لیتر O 2 در هر گرم است، [6] که ظرفیت کل اکسیژن خون را در مقایسه با اکسیژن محلول در خون هفتاد برابر افزایش می دهد. مولکول هموگلوبین پستانداران می تواند تا چهار مولکول اکسیژن را متصل کند (حمل کند). [7]

هموگلوبین در انتقال گازهای دیگر نقش دارد: مقداری از دی اکسید کربن (حدود 20 تا 25 درصد کل) [8] به عنوان کربامینو هموگلوبین ، که در آن CO 2 به پروتئین هِم متصل می شود . این مولکول همچنین حامل مولکول تنظیمی مهم اکسید نیتریک است که به یک تیول در پروتئین گلوبین متصل شده و همزمان با اکسیژن آزاد می کند. [9]

هموگلوبین در خارج از گلبول های قرمز و خطوط مولد آنها نیز یافت می شود. سایر سلول‌های حاوی هموگلوبین عبارتند از: نورون‌های دوپامینرژیک A9 در سیاه ، ماکروفاژها ، سلول‌های آلوئولی ، ریه‌ها، اپیتلیوم رنگدانه شبکیه، سلول‌های کبدی، سلول‌های مزانژیال در کلیه، سلول‌های آندومتر، سلول‌های دهانه رحم و سلول‌های اپیتلیال واژن. [10] در این بافت ها، هموگلوبین یک عملکرد غیر حامل اکسیژن به عنوان یک آنتی اکسیدان و تنظیم کننده متابولیسم آهن دارد . [11] گلوکز بیش از حد در خون فرد می تواند به هموگلوبین متصل شود و سطح هموگلوبین A1c را افزایش دهد. [12]

هموگلوبین و مولکول های هموگلوبین مانند در بسیاری از بی مهرگان، قارچ ها و گیاهان نیز یافت می شود. [13] در این موجودات، هموگلوبین ها ممکن است حامل اکسیژن باشند، یا ممکن است برای انتقال و تنظیم مولکول ها و یون های کوچک دیگر مانند دی اکسید کربن، اکسید نیتریک، سولفید هیدروژن و سولفید عمل کنند. گونه‌ای از مولکول به نام لگهموگلوبین برای حذف اکسیژن از بی‌هوازی ، مانند گره‌های تثبیت‌کننده نیتروژن حبوبات ، استفاده می‌شود تا مبادا اکسیژن سیستم را مسموم (غیرفعال) کند.

هموگلوبینمی یک وضعیت پزشکی است که در آن هموگلوبین بیش از حد در پلاسمای خون وجود دارد. این اثر همولیز داخل عروقی است که در آن هموگلوبین از گلبول های قرمز جدا می شود که نوعی کم خونی است.

تاریخچه تحقیق

در سال 1825، Johann Friedrich Engelhart کشف کرد که نسبت آهن به پروتئین در هموگلوبین های چندین گونه یکسان است. [15] [16] او از جرم اتمی شناخته شده آهن، جرم مولکولی هموگلوبین را به n × 16000 محاسبه کرد ( n = تعداد اتم های آهن در هر هموگلوبین، که اکنون 4 است)، اولین تعیین جرم مولکولی پروتئین. این “نتیجه گیری عجولانه” در آن زمان باعث تمسخر بسیاری از دانشمندان شد که نمی توانستند باور کنند که هر مولکولی می تواند به این بزرگی باشد. گیلبرت اسمیتسون آدایر نتایج انگلهارت را در سال 1925 با اندازه گیری فشار اسمزی محلول های هموگلوبین تایید کرد. [17]

اگرچه خون حداقل از سال 1794 به عنوان حامل اکسیژن شناخته شده بود، [18] [19] حمل اکسیژن هموگلوبین توسط هونفلد در سال 1840 شرح خاصیت داده شد . او رشد کریستال های هموگلوبین را با رقیق کردن متوالی گلبول های قرمز خون با حلالی مانند آب خالص، الکل یا اتر، و به دنبال آن تبخیر آهسته حلال از محلول پروتئین حاصل توصیف کرد. [21] [22] اکسیژن رسانی برگشت پذیر هموگلوبین چند سال بعد توسط Felix Hoppe-Seyler شد. [23]

با توسعه کریستالوگرافی اشعه ایکس ، تعیین توالی ساختارهای پروتئین ممکن شد. [24] در سال 1959، ماکس پروتز ساختار مولکولی هموگلوبین را تعیین کرد. [25] [26] 1962 جایزه نوبل شیمی با جان کندرو ، که توالی پروتئین کروی میوگلوبین . [24] [27]

نقش هموگلوبین در خون توسط فیزیولوژیست کلود برنارد . نام هموگلوبین از دو کلمه هِم و گلوبین است که نشان دهنده این واقعیت است که هر زیر واحد یک پروتئین کروی تعبیه شده هموگلوبین گروه هر گروه هِم حاوی یک اتم آهن است که می تواند یک مولکول اکسیژن را از طریق نیروهای دوقطبی ناشی از یون متصل کند. رایج ترین نوع هموگلوبین در پستانداران شامل چهار زیر واحد است.

ژنتیک

هموگلوبین از زیر واحدهای پروتئینی ( گلوبین ) تشکیل شده است و این پروتئین‌ها به نوبه خود زنجیره‌های تاخورده‌ای از تعداد زیادی اسید آمینه به نام پلی پپتید هستند. توالی اسید آمینه هر پلی پپتید ایجاد شده توسط یک سلول به نوبه خود توسط امتداد DNA به نام ژن تعیین می شود. در همه پروتئین ها، این توالی اسید آمینه است که خواص شیمیایی و عملکرد پروتئین را تعیین می کند.

بیش از یک ژن هموگلوبین وجود دارد: در انسان، هموگلوبین A (شکل اصلی هموگلوبین موجود در بزرگسالان) توسط ژن‌های HBA1 ، HBA2 و HBB . [28] زیرواحد هموگلوبین آلفا 1 و آلفا 2 به ترتیب توسط ژن‌های HBA1 و HBA2 می‌شوند که هر دو روی کروموزوم 16 قرار دارند و نزدیک به یکدیگر هستند. زیرواحد بتا هموگلوبین توسط HBB که روی کروموزوم 11 قرار دارد کدگذاری می شود. توالی اسیدهای آمینه پروتئین های گلوبین در هموگلوبین ها معمولاً بین گونه ها متفاوت است. این تفاوت ها با فاصله تکاملی بین گونه ها افزایش می یابد. برای مثال، متداول‌ترین توالی‌های هموگلوبین در انسان، بونوبوها و شامپانزه‌ها کاملاً یکسان هستند، بدون اینکه حتی یک اسید آمینه در زنجیره‌های پروتئین آلفا یا بتا گلوبین تفاوت داشته باشند. [29] [30] [31] در حالی که هموگلوبین انسان و گوریل در یک اسید آمینه در هر دو زنجیره آلفا و بتا متفاوت است، این تفاوت‌ها بین گونه‌های کمتر مرتبط بزرگتر می‌شود.

حتی در درون گونه ها، انواع هموگلوبین وجود دارد، اگرچه یک توالی معمولا در هر گونه “شایع ترین” است. جهش در ژن هموگلوبین پروتئین در یک گونه منجر به انواع هموگلوبین می شود. [32] [33] بسیاری از این اشکال جهش یافته هموگلوبین هیچ بیماری ایجاد نمی کنند. با این حال، برخی از این اشکال جهش یافته هموگلوبین، باعث ایجاد گروهی از بیماری های ارثی به نام هموگلوبینوپاتی . شناخته شده ترین هموگلوبینوپاتی بیماری سلول داسی شکل است که اولین بیماری انسانی بود که مکانیسم آن در سطح مولکولی شناخته شد. مجموعه ای (عمدتا) مجزا از بیماری ها به نام تالاسمی شامل تولید ناکافی هموگلوبین های طبیعی و گاهی غیرطبیعی، از طریق مشکلات و جهش در تنظیم ژن . همه این بیماری ها باعث کم خونی شوند. [34]

تغییرات در توالی اسیدهای آمینه هموگلوبین، مانند سایر پروتئین ها، ممکن است سازگار باشد. به عنوان مثال، هموگلوبین به روش های مختلف با ارتفاعات بالا سازگار است. ارگانیسم هایی که در ارتفاعات زندگی می کنند، فشار جزئی اکسیژن کمتری را در مقایسه با موجودات موجود در سطح دریا تجربه می کنند. این یک چالش برای ارگانیسم‌هایی است که در چنین محیط‌هایی زندگی می‌کنند، زیرا هموگلوبین، که به طور معمول اکسیژن را در فشارهای جزئی بالای اکسیژن متصل می‌کند، باید قادر به اتصال اکسیژن در فشار پایین‌تر باشد. موجودات مختلف با چنین چالشی سازگار شده اند. به عنوان مثال، مطالعات اخیر انواع ژنتیکی را در موش‌های آهو پیشنهاد کرده‌اند که به توضیح اینکه موش‌های آهویی که در کوهستان زندگی می‌کنند چگونه می‌توانند در هوای رقیق همراه با ارتفاعات بالا زنده بمانند، کمک می‌کند. محققی از دانشگاه نبراسکا-لینکلن جهش هایی را در چهار ژن مختلف پیدا کرد که می تواند تفاوت بین موش های آهو را که در دشت های دشت زندگی می کنند در مقابل کوه ها توضیح دهد. پس از بررسی موش‌های وحشی گرفته شده از مناطق مرتفع و پست، مشخص شد که: ژن‌های این دو نژاد “تقریباً یکسان هستند – به جز آنهایی که ظرفیت حمل اکسیژن هموگلوبین آنها را کنترل می کنند”. «تفاوت ژنتیکی موش‌های کوهستانی را قادر می‌سازد تا از اکسیژن خود به طور مؤثرتری استفاده کنند»، زیرا در ارتفاعات بالاتر، مانند ارتفاعات در کوه‌ها، میزان کمتری در دسترس است. [35] ماموت دارای جهش هایی بود که امکان تحویل اکسیژن در دماهای پایین تر را فراهم می کرد، بنابراین ماموت ها را قادر می ساخت تا در طول پلیستوسن . [36] همچنین در مرغ مگس خواری که در آند زندگی می کنند، یافت شد. مرغ مگس خوار در حال حاضر انرژی زیادی مصرف می کنند و بنابراین نیاز به اکسیژن بالایی دارند و با این حال مرغ های مگس خوار آند در ارتفاعات بالا رشد می کنند. جهش های غیر مترادف در ژن هموگلوبین گونه های متعددی که در ارتفاعات بالا زندگی می کنند ( Oreotrochilus، A. castelnaudii، C. violifer، P. gigas، و A. viridicuada ) باعث شده است که پروتئین میل ترکیبی کمتری با اینوزیتول هگزافسفات (IHP) ) مولکولی که در پرندگان یافت می شود و نقشی مشابه 2,3-BPG در انسان دارد. این منجر به توانایی اتصال اکسیژن در فشارهای جزئی کمتر می شود. [37]

منحصر به فرد پرندگان ریه های گردش خون همچنین استفاده کارآمد از اکسیژن را در فشارهای جزئی کم O 2 کند. این دو سازگاری یکدیگر را تقویت می کنند و عملکرد قابل توجه پرندگان در ارتفاعات را به حساب می آورند.

سازگاری هموگلوبین به انسان نیز گسترش می یابد. نرخ بقای فرزندان در میان زنان تبتی با ژنوتیپ های اشباع اکسیژن بالا در ارتفاع 4000 متری بیشتر است. [38] به نظر می‌رسد انتخاب طبیعی نیروی اصلی کار بر روی این ژن باشد زیرا نرخ مرگ و میر فرزندان در زنانی که میل هموگلوبین-اکسیژن بالاتری دارند در مقایسه با نرخ مرگ و میر فرزندان زنان با میل هموگلوبین-اکسیژن پایین به طور قابل‌توجهی کمتر است. در حالی که ژنوتیپ و مکانیسم دقیقی که توسط آن این اتفاق می‌افتد هنوز مشخص نیست، انتخاب بر روی توانایی این زنان برای اتصال اکسیژن در فشارهای جزئی کم اثر می‌گذارد، که به طور کلی به آنها اجازه می‌دهد تا فرآیندهای متابولیکی مهم را بهتر حفظ کنند.

سنتز

هموگلوبین (Hb) در یک سری مراحل پیچیده سنتز می شود. قسمت هم در یک سری مراحل در میتوکندری و سیتوزول گلبول‌های قرمز نابالغ سنتز می‌شود، در حالی که گلوبین بخش‌های پروتئین ریبوزوم‌های موجود در سیتوزول سنتز می‌شوند. [39] تولید Hb در سلول در طول رشد اولیه آن از پرواریتروبلاست تا رتیکولوسیت در مغز استخوان یابد. در این مرحله، هسته در گلبول‌های قرمز پستانداران از بین می‌رود، اما در پرندگان و بسیاری از گونه‌های دیگر اینگونه نیست. حتی پس از از دست دادن هسته در پستانداران، RNA ریبوزومی اجازه سنتز بیشتر Hb را می دهد تا زمانی که رتیکولوسیت بلافاصله پس از ورود به عروق (این RNA مصنوعی هموگلوبین در واقع ظاهر و نام شبکه ای را به رتیکولوسیت می دهد). [40]

ساختار هم

هموگلوبین دارای ساختار چهارتایی است که مشخصه بسیاری از پروتئین های کروی چند زیر واحدی است. [41] اکثر اسیدهای آمینه موجود در هموگلوبین آلفا و این مارپیچ ها توسط بخش های کوتاه غیر مارپیچ به هم متصل می شوند. پیوندهای هیدروژنی بخش‌های مارپیچی داخل این پروتئین را تثبیت می‌کنند و باعث ایجاد جاذبه‌هایی در داخل مولکول می‌شوند که سپس باعث می‌شود هر زنجیره پلی‌پپتیدی به شکل خاصی تا شود. [42] ساختار چهارتایی هموگلوبین از چهار زیرواحد آن در آرایش تقریباً چهار وجهی ناشی می شود. [41]

هموگلوبین مولکول مجموعه ای از چهار پروتئین کروی است زیرواحد غیر پروتئینی مرتبط است مصنوعی هِم . هر زنجیره پروتئینی به صورت مجموعه ای از آلفا-مارپیچ بخش های ساختاری گلوبین . چنین نامی به این دلیل داده شده است که این آرایش همان موتیف تاشو است که در سایر پروتئین های هم/گلوبین مانند میوگلوبین استفاده می شود. [43] [44] این الگوی تاشو حاوی یک جیب است که به شدت گروه هِم را می‌بندد.

آهن (Fe) یون که در یک هتروسیکلیک حلقه پورفیرین می شود. این حلقه پورفیرین از چهار پیرول مولکول متین ) با یون آهن متصل شده در مرکز متصل شده‌اند. [45] یون آهن، که محل اتصال اکسیژن است، با چهار نیتروژن در مرکز حلقه هماهنگ می شود که همه در یک صفحه قرار دارند. به پروتئین کروی متصل می ایمیدازول حلقه هیستیدین (که به عنوان هیستیدین پروگزیمال نیز شناخته می شود) در زیر حلقه پورفیرین موقعیت ششم می تواند به طور برگشت پذیر اکسیژن را توسط یک پیوند کووالانسی مختصات متصل کند ، [46] که گروه هشت وجهی شش لیگاند را تکمیل می کند. این پیوند برگشت پذیر با اکسیژن به همین دلیل است که هموگلوبین برای انتقال اکسیژن در بدن بسیار مفید است. [47] اکسیژن در هندسه “پایان خمیده” متصل می شود که در آن یک اتم اکسیژن به آهن متصل می شود و دیگری در یک زاویه بیرون زده است. هنگامی که اکسیژن محدود نمی شود، یک مولکول آب با پیوند بسیار ضعیف محل را پر می کند و یک انحراف ایجاد می کند. هشت وجهی .

اگرچه دی اکسید کربن توسط هموگلوبین حمل می شود، اما برای موقعیت های اتصال آهن با اکسیژن رقابت نمی کند، اما به گروه های آمین زنجیره های پروتئینی متصل به گروه های هم متصل می شود.

یون آهن ممکن است در حالت آهنی Fe 2+ یا در Fe 3+ باشد، اما فری هموگلوبین ( متهموگلوبین ) (Fe 3+ ) نمی تواند اکسیژن را متصل کند. [48] ​​در اتصال، اکسیژن به طور موقت و برگشت پذیر اکسید می شود (Fe 2 + ) به (Fe 3 + ) در حالی که اکسیژن به طور موقت به سوپراکسید ، بنابراین آهن باید در حالت اکسیداسیون +2 برای اتصال اکسیژن وجود داشته باشد. اگر یون سوپراکسید مرتبط با Fe 3+ پروتونه شود، آهن هموگلوبین اکسید شده باقی می ماند و قادر به اتصال اکسیژن نیست. در چنین مواردی، آنزیم متهموگلوبین ردوکتاز قادر خواهد بود در نهایت با کاهش مرکز آهن، متهموگلوبین را دوباره فعال کند.

در انسان بالغ، رایج‌ترین نوع هموگلوبین یک تترامر (که حاوی چهار پروتئین زیر واحد است) به نام هموگلوبین A است که از دو زیرواحد α و دو بتا به‌طور غیرکووالانسی متصل هستند و هر کدام به ترتیب از 141 و 146 باقیمانده اسید آمینه ساخته شده‌اند. این به عنوان α 2 β 2 . زیر واحدها از نظر ساختاری مشابه و تقریباً یک اندازه هستند. هر زیر واحد وزن مولکولی حدود 16000 دالتون دارد، [49] برای وزن مولکولی تترامر حدود 64000 دالتون (64458 گرم بر مول). [50] بنابراین، 1 گرم در دسی لیتر = 0.1551 میلی مول در لیتر. هموگلوبین A به شدت مورد مطالعه در بین مولکول های هموگلوبین است.

در نوزادان انسان، مولکول هموگلوبین از 2 زنجیره α و 2 زنجیره γ تشکیل شده است. زنجیره γ با رشد نوزاد به تدریج با زنجیره β جایگزین می شود. [51]

چهار زنجیره پلی پپتیدی به یکدیگر متصل می شوند پل های نمکی ، پیوندهای هیدروژنی و اثر آبگریز .

اشباع اکسیژن

به طور کلی، هموگلوبین را می توان با مولکول های اکسیژن اشباع کرد (اکسی هموگلوبین)، یا با مولکول های اکسیژن اشباع نشد (دئوکسی هموگلوبین). [52]

اکسی هموگلوبین

اکسی هموگلوبین در طی تنفس فیزیولوژیکی زمانی که اکسیژن به جزء هموگلوبین پروتئین در گلبول های قرمز متصل می شود، تشکیل می شود. این فرآیند در مویرگ های ریوی مجاور آلوئول های ریه اتفاق می افتد. سپس اکسیژن در جریان خون حرکت می کند تا در سلول ها رها شود و در آنجا به عنوان گیرنده الکترون پایانی در تولید ATP توسط فرآیند فسفوریلاسیون اکسیداتیو . با این حال، به مقابله با کاهش pH خون کمک نمی کند. تهویه یا تنفس ممکن است با حذف دی اکسید کربن و در نتیجه باعث افزایش pH شود. [53]

هموگلوبین به دو شکل وجود دارد، یک فرم فشرده (تنش) (T) و یک فرم آرام (R). عوامل مختلفی مانند pH پایین، CO 2 بالا و BPG 2،3 در سطح بافت ها، فرم تنگ را که میل ترکیبی اکسیژن پایینی دارد و اکسیژن را در بافت ها آزاد می کند، ترجیح می دهند. برعکس، pH بالا، CO 2 کم یا BPG 2،3 کم به نفع شکل آرام است که می تواند اکسیژن را بهتر به هم متصل کند. [54] فشار جزئی سیستم همچنین بر میل ترکیبی O 2 که در آن، در فشارهای جزئی بالای اکسیژن (مانند فشارهای موجود در آلوئول ها)، حالت آرام (میل ترکیبی بالا، R) مطلوب است. برعکس، در فشارهای جزئی کم (مانند فشارهای موجود در بافت های تنفسی)، حالت تنش (میل ترکیبی کم، T) مطلوب است. [55] علاوه بر این، اتصال اکسیژن به هِم (II) آهن، آهن را به صفحه حلقه پورفیرین می کشد و باعث تغییر ساختاری جزئی می شود. این تغییر، اکسیژن را تشویق می‌کند تا به سه واحد هِم باقی‌مانده در هموگلوبین متصل شود (بنابراین، اتصال اکسیژن با هم همکاری می‌کند).

هموگلوبین بدون اکسیژن

هموگلوبین بدون اکسیژن (دئوکسی هموگلوبین) شکل هموگلوبین بدون اکسیژن محدود است. طیف جذب اکسی هموگلوبین و دئوکسی هموگلوبین متفاوت است. 660 نانومتر طول موج نسبت به دئوکسی هموگلوبین دارد، در حالی که در 940 نانومتر جذب آن کمی بیشتر است. این تفاوت برای اندازه گیری میزان اکسیژن در خون بیمار توسط ابزاری به نام پالس اکسیمتر استفاده می شود. این تفاوت همچنین نشان دهنده سیانوز است، رنگ آبی تا ارغوانی که بافت ها در طول هیپوکسی ایجاد . [56]

هموگلوبین بدون اکسیژن پارامغناطیس . ضعیف جذب می میدان های مغناطیسی . [57] [58] در مقابل، هموگلوبین اکسیژن دار دیامغناطیس ، یک دافعه ضعیف از یک میدان مغناطیسی را نشان می دهد. [58]

تکامل هموگلوبین مهره داران

دانشمندان توافق دارند که رویدادی که میوگلوبین را از هموگلوبین جدا کرد، پس از لامپرها از مهره داران فک دار . [59] این جدایی میوگلوبین و هموگلوبین به عملکردهای مختلف دو مولکول اجازه ایجاد و توسعه می‌دهد: میوگلوبین بیشتر با ذخیره‌سازی اکسیژن ارتباط دارد در حالی که هموگلوبین وظیفه انتقال اکسیژن را بر عهده دارد. [60] ژن‌های گلوبین شبه α و β زیرواحدهای جداگانه پروتئین را رمزگذاری می‌کنند. [28] پیشینیان این ژن ها از طریق یک رویداد تکراری دیگر نیز پس از جد مشترک گناتوزوم مشتق از ماهی بی آرواره، تقریباً 450 تا 500 میلیون سال پیش به وجود آمدند. [59] مطالعات بازسازی اجدادی نشان می‌دهد که جد پیش‌تکثیر ژن‌های α و β یک دایمر ساخته شده از زیرواحدهای گلوبین یکسان است که پس از تکثیر به یک معماری تترامری تبدیل شده است. [61] توسعه ژن‌های α و β این پتانسیل را ایجاد کرد که هموگلوبین از زیر واحدهای متمایز متعدد تشکیل شده باشد، یک ترکیب فیزیکی مرکزی برای توانایی هموگلوبین برای انتقال اکسیژن. داشتن زیر واحدهای متعدد به توانایی هموگلوبین برای اتصال اکسیژن به صورت مشارکتی و همچنین تنظیم آلوستریک کمک می کند. [60] [61] متعاقباً، ژن α نیز تحت یک رویداد تکراری قرار گرفت تا HBA1 و HBA2 . [62] این تکرارها و واگرایی های بیشتر، طیف متنوعی از ژن های گلوبین شبه α و β را ایجاد کرده است که به گونه ای تنظیم می شوند که اشکال خاصی در مراحل مختلف رشد رخ می دهد. [60]

اکثر ماهی های یخی از خانواده Channichthyidae ژن هموگلوبین خود را به عنوان سازگاری با آب سرد از دست داده اند. [4]

وضعیت اکسیداسیون آهن در اکسی هموگلوبین

تعیین حالت اکسیداسیون هموگلوبین اکسیژن دار دشوار است زیرا اکسی هموگلوبین (Hb-O 2 )، با اندازه گیری تجربی، دیامغناطیسی است (بدون الکترون خالص جفت نشده)، با این حال پیکربندی الکترون های کم انرژی (حالت پایه) در هر دو اکسیژن و آهن، پارامغناطیس ( حداقل یک الکترون جفت نشده در کمپلکس). کم انرژی ترین شکل اکسیژن و کم انرژی ترین حالت های اکسیداسیون مربوطه آهن عبارتند از:

• اکسیژن سه گانه ، کم انرژی ترین گونه اکسیژن مولکولی، دارای دو الکترون جفت نشده در اوربیتال های مولکولی ضد پیوند π* است.
• آهن (II) تمایل دارد در یک پیکربندی 3d 6 با چهار الکترون جفت نشده وجود داشته باشد.
• آهن (III) (3d 5 ) دارای تعداد فرد الکترون است، بنابراین باید یک یا چند الکترون جفت نشده در هر حالت انرژی داشته باشد.

همه این ساختارها پارامغناطیس هستند (الکترون های جفت نشده دارند) نه دیامغناطیس. بنابراین، توزیع غیر شهودی (مثلاً انرژی بالاتر برای حداقل یک گونه) الکترون ها در ترکیب آهن و اکسیژن باید وجود داشته باشد تا دیا مغناطیس مشاهده شده و الکترون های جفت نشده را توضیح دهد.

دو احتمال منطقی برای تولید دیامغناطیس (بدون چرخش خالص) Hb-O 2 عبارتند از:

1. Fe 2+ متصل می اکسیژن منفرد . هم آهن با چرخش کم و هم اکسیژن منفرد دیامغناطیس هستند. با این حال، شکل تکی اکسیژن، شکل با انرژی بالاتر مولکول است.
2. Fe 3+ به O2 ( •- یون سوپراکسید ) متصل می شود و دو الکترون جفت نشده به صورت ضد فرومغناطیسی جفت می شوند و خواص دیامغناطیسی مشاهده شده را می دهند. در اینجا، آهن اکسید شده است (یک الکترون از دست داده است)، و اکسیژن کاهش یافته است (یک الکترون به دست آورده است).

مدل احتمالی دیگری که در آن Fe 4+ به پراکسید O 2 2- می شود، به خودی خود قابل رد است، زیرا آهن پارامغناطیس است (اگرچه یون پراکسید دیامغناطیس است). در اینجا آهن توسط دو الکترون اکسید شده و اکسیژن با دو الکترون کاهش یافته است.

داده های آزمایشی مستقیم:

• طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس نشان می دهد که آهن دارای حالت اکسیداسیون تقریباً 3.2 است.
• فرکانس‌های ارتعاشی مادون قرمز پیوند OO نشان‌دهنده یک اتصال طول پیوند با سوپراکسید است (ترتیب پیوند حدود 1.6، با سوپراکسید 1.5).
• ساختارهای نزدیک لبه جذب اشعه ایکس در لبه K آهنی. تغییر انرژی 5 eV بین دئوکسی هموگلوبین و اکسی هموگلوبین، مانند همه گونه‌های متهموگلوبین، قویاً یک بار محلی واقعی نزدیک‌تر به Fe 3+ از Fe 2+ . [63] [64] [65]

بنابراین، نزدیکترین حالت اکسیداسیون رسمی آهن در Hb-O 2 حالت +3 است، با اکسیژن در حالت 1- (به عنوان سوپراکسید . O 2 – ). دیامغناطیس در این پیکربندی از الکترون منفرد جفت نشده روی سوپراکسید ناشی می شود که به صورت آنتی فرومغناطیسی با الکترون منفرد جفت نشده روی آهن (در حالت اسپین کم d 5 ) همسو می شود، تا مطابق با اکسی هموگلوبین دیامغناطیسی حاصل از آزمایش، هیچ اسپین خالصی برای کل پیکربندی ایجاد نشود. . [66] [67]

انتخاب دوم از احتمالات منطقی بالا برای اینکه اکسی هموگلوبین دیا مغناطیسی با آزمایش درست تشخیص داده شود، تعجب آور نیست: اکسیژن منفرد (احتمال شماره 1) یک حالت غیرواقعی با انرژی بالا است. مدل 3 منجر به جداسازی نامطلوب بار می شود (و با داده های مغناطیسی موافق نیست)، اگرچه می تواند به عنوان یک تشدید فرم تغییر آهن به حالت اکسیداسیون بالاتر در Hb-O 2 اندازه اتم را کاهش می دهد و به آن اجازه می دهد تا وارد صفحه حلقه پورفیرین شود و باقیمانده هیستیدین هماهنگ شده را بکشد و تغییرات آلوستریک دیده شده در گلوبولین ها را آغاز کند.

فرضیه های اولیه شیمیدانان بیو معدنی ادعا می کردند که احتمال شماره 1 (در بالا) صحیح است و آهن باید در حالت اکسیداسیون II وجود داشته باشد. این نتیجه گیری محتمل به نظر می رسید، زیرا حالت اکسیداسیون آهن III به عنوان متهموگلوبین ، زمانی که نیست با سوپراکسید همراه . O 2 – برای “نگه داشتن” الکترون اکسیداسیون، شناخته شده است که هموگلوبین را قادر به اتصال O 2 همانطور که در هوا رخ می دهد ناتوان می کند. بنابراین فرض بر این بود که آهن به عنوان Fe (II) باقی می ماند که گاز اکسیژن در ریه ها متصل شد. شیمی آهن در این مدل کلاسیک قبلی بسیار زیبا بود، اما وجود مولکول اکسیژن منفرد دیامغناطیس، پرانرژی بالا، هرگز توضیح داده نشد. به طور کلاسیک استدلال می شد که اتصال یک مولکول اکسیژن، آهن با چرخش بالا (II) را در یک میدان هشت وجهی لیگاندهای میدان قوی قرار می دهد. این تغییر میدان انرژی شکافتن میدان کریستالی را و باعث می‌شود که الکترون‌های آهن در پیکربندی اسپین پایین جفت شوند، که در Fe(II) دیامغناطیسی خواهد بود. در واقع تصور می شود که این جفت اجباری کم چرخش در آهن هنگام اتصال اکسیژن اتفاق می افتد، اما برای توضیح تغییر اندازه آهن کافی نیست. استخراج یک الکترون اضافی از آهن توسط اکسیژن برای توضیح اندازه کوچکتر آهن و افزایش وضعیت اکسیداسیون مشاهده شده و پیوند ضعیف تر اکسیژن لازم است.

انتساب یک حالت اکسیداسیون عدد کامل یک فرمالیسم است، زیرا پیوندهای کووالانسی نیازی به داشتن نظم پیوند کامل شامل انتقال الکترون کامل ندارند. بنابراین، هر سه مدل برای Hb-O 2 ممکن است تا حدودی (از طریق رزونانس) به پیکربندی الکترونیکی واقعی Hb-O2 کمک کنند. با این حال، مدل آهن در Hb-O 2 که Fe(III) است، درست تر از ایده کلاسیک است که آهن (II) باقی می ماند.

تعاونی

هنگامی که اکسیژن به کمپلکس آهن متصل می شود، باعث می شود اتم آهن به سمت مرکز صفحه پورفیرین حلقه در همان زمان، ایمیدازول باقیمانده هیستیدین که در قطب دیگر آهن در تعامل است به سمت حلقه پورفیرین کشیده می شود. این فعل و انفعال صفحه حلقه را به سمت خارج از تترامر وادار می کند و همچنین باعث ایجاد فشاری در مارپیچ پروتئینی حاوی هیستیدین می شود که به اتم آهن نزدیک تر می شود. این سویه به سه مونومر باقی‌مانده در تترامر منتقل می‌شود، جایی که تغییر ساختاری مشابهی را در سایر مکان‌های هم ایجاد می‌کند، به طوری که اتصال اکسیژن به این مکان‌ها آسان‌تر می‌شود.

همانطور که اکسیژن به یک مونومر هموگلوبین متصل می شود، ترکیب تترامر از حالت T (تنش) به حالت R (آرام) تغییر می کند. این تغییر، اتصال اکسیژن به سه گروه مونومر باقی مانده را تقویت می کند، بنابراین مولکول هموگلوبین را با اکسیژن اشباع می کند. [68]

بنابراین، در شکل تترامری هموگلوبین طبیعی بالغ، اتصال اکسیژن یک فرآیند مشارکتی است . میل اتصال هموگلوبین به اکسیژن با اشباع اکسیژن مولکول افزایش می‌یابد، با اولین مولکول‌های اکسیژن متصل شده بر شکل محل‌های اتصال برای مکان‌های بعدی، به نحوی که برای اتصال مطلوب است. این اتصال مثبت مثبت از طریق ساختاری فضایی مجتمع پروتئین هموگلوبین همانطور که در بالا مورد بحث قرار گرفت به دست می آید. به عنوان مثال، هنگامی که یک پروتئین زیر واحد در هموگلوبین اکسیژن می شود، یک تغییر ساختاری یا ساختاری در کل مجموعه آغاز می شود و باعث می شود که سایر زیر واحدها تمایل بیشتری به اکسیژن به دست آورند. در نتیجه، منحنی اتصال اکسیژن هموگلوبین سیگموئیدی یا S شکل است، برخلاف هیپربولیک مرتبط با اتصال غیرهمکاری.

مکانیسم پویا همکاری در هموگلوبین و ارتباط آن با رزونانس مورد بحث قرار گرفته است. [69]

اتصال برای لیگاندهای غیر از اکسیژن

اکسیژن لیگاند ، که به صورت مشارکتی به هموگلوبین متصل می شود، لیگاندهای هموگلوبین همچنین شامل بازدارنده های رقابتی مانند مونوکسید کربن (CO) و لیگاندهای آلوستریک مانند دی اکسید کربن (CO 2 ) و اکسید نیتریک (NO) هستند. دی اکسید کربن به گروه‌های آمینه پروتئین‌های گلوبین متصل می‌شود تا کربامینو هموگلوبین . تصور می شود که این مکانیسم حدود 10 درصد از انتقال دی اکسید کربن در پستانداران را تشکیل می دهد. اکسید نیتریک همچنین می تواند توسط هموگلوبین منتقل شود. خاصی تیول در پروتئین گلوبین متصل می‌شود تا یک S-nitrosothiol تشکیل دهد که به اکسید نیتریک آزاد و دوباره تیول تجزیه می‌شود، زیرا هموگلوبین اکسیژن را از محل هِم خود آزاد می‌کند. این انتقال اکسید نیتریک به بافت‌های محیطی برای کمک به انتقال اکسیژن در بافت‌ها، با آزاد کردن گشادکننده عروق به بافت‌هایی که سطح اکسیژن در آن‌ها پایین است، فرض شده است. [70]

رقابتی

اتصال اکسیژن توسط مولکول هایی مانند مونوکسید کربن (به عنوان مثال، از سیگار کشیدن ، گازهای خروجی اگزوز و احتراق ناقص در کوره ها) تحت تأثیر قرار می گیرد. CO با اکسیژن در محل اتصال هِم رقابت می کند. میل اتصال هموگلوبین به CO 250 برابر بیشتر از میل ترکیبی آن برای اکسیژن است، [71] [72] به این معنی که مقادیر کمی از CO به طور چشمگیری توانایی هموگلوبین را برای رساندن اکسیژن به بافت هدف کاهش می دهد. [73] از آنجایی که مونوکسید کربن یک گاز بی رنگ، بی بو و بی مزه است و یک تهدید بالقوه کشنده است، آشکارسازهای مونوکسید کربن به صورت تجاری برای هشدار نسبت به سطوح خطرناک در منازل در دسترس هستند. هنگامی که هموگلوبین با CO ترکیب می شود، یک ترکیب قرمز بسیار روشن به نام کربوکسی که ممکن است باعث شود پوست مسمومیت با CO در هنگام مرگ، به جای سفید یا آبی، صورتی به نظر برسد. هنگامی که هوای دمیده شده حاوی سطوح CO2 کمتر از 0.02٪ باشد، سردرد و حالت تهوع رخ می دهد. اگر غلظت CO به 0.1٪ افزایش یابد، بیهوشی به دنبال خواهد داشت. در افراد سیگاری شدید، تا 20 درصد از محل های فعال اکسیژن می تواند توسط CO مسدود شود.

به روشی مشابه، هموگلوبین میل اتصال رقابتی به سیانید (CN- ) ، مونوکسید گوگرد (SO) و سولفید ( S2- ) از جمله سولفید هیدروژن (H2S دارد . همه اینها بدون تغییر حالت اکسیداسیون به آهن موجود در هِم متصل می شوند، اما با این وجود اتصال اکسیژن را مهار می کنند و باعث ایجاد سمیت شدید می شوند.

اتم آهن در گروه هِم ابتدا باید در آهن (Fe 2+ ) باشد تا از اتصال و انتقال اکسیژن و گازهای دیگر پشتیبانی کند (همانطور که در بالا توضیح داده شد، در طول مدت زمان اتصال اکسیژن به طور موقت به آهن تبدیل می شود). اکسیداسیون اولیه به حالت آهن (Fe 3+ ) بدون اکسیژن، هموگلوبین را به “hem i globin” یا methemoglobin که نمی تواند اکسیژن را متصل کند. هموگلوبین موجود در گلبول های قرمز طبیعی توسط یک سیستم کاهش محافظت می شود تا این اتفاق نیفتد. اکسید نیتریک قادر است بخش کوچکی از هموگلوبین را به متهموگلوبین در گلبول های قرمز تبدیل کند. واکنش دوم یک فعالیت باقی مانده از عملکرد باستانی اکسید نیتریک دی اکسیژناز گلوبین ها است.

آلوستریک

کربن دی محل اتصال متفاوتی روی هموگلوبین اشغال می کند. در بافت هایی که غلظت دی اکسید کربن بالاتر است، دی اکسید کربن به محل آلوستریک هموگلوبین متصل می شود و تخلیه اکسیژن از هموگلوبین را تسهیل می کند و در نهایت پس از آزاد شدن اکسیژن به بافت های تحت متابولیسم، آن را از بدن خارج می کند. این افزایش تمایل به دی اکسید کربن توسط خون وریدی به عنوان اثر بور . از طریق آنزیم کربنیک انیدراز ، دی اکسید کربن با آب واکنش داده و اسید کربنیک تولید تجزیه می شود بی کربنات و پروتون :

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → HCO 3 – + H +

از این رو، خون با سطح دی اکسید کربن بالا نیز از نظر pH ( اسیدی ). هموگلوبین می تواند پروتون ها و دی اکسید کربن را به هم متصل کند که باعث تغییر ساختاری در پروتئین و تسهیل آزادسازی اکسیژن می شود. پروتون ها در مکان های مختلفی روی پروتئین متصل می شوند، در حالی که دی اکسید کربن به گروه α-آمینه متصل می شود. [74] دی اکسید کربن به هموگلوبین متصل می شود و کربامینو . [75] این کاهش تمایل هموگلوبین به اکسیژن توسط اتصال دی اکسید کربن و اسید به عنوان اثر بور . اثر بور به جای حالت R به نفع حالت T است. O 2 منحنی اشباع راست کند). برعکس، هنگامی که سطح دی اکسید کربن در خون کاهش می یابد (یعنی در مویرگ های ریه)، دی اکسید کربن و پروتون ها از هموگلوبین آزاد می شوند و میل اکسیژن پروتئین را افزایش می دهند. کاهش ظرفیت اتصال کل هموگلوبین به اکسیژن (یعنی جابجایی منحنی به پایین، نه فقط به سمت راست) به دلیل کاهش pH، اثر ریشه . این در ماهی های استخوانی دیده می شود.

لازم است هموگلوبین اکسیژنی را که متصل می کند آزاد کند. در غیر این صورت، هیچ فایده ای در الزام آن وجود ندارد. منحنی سیگموئیدی هموگلوبین آن را در اتصال (گرفتن O 2 در ریه ها) و کارآمد در تخلیه (تخلیه O 2 در بافت ها) کارآمد می کند. [76]

در افرادی که به ارتفاعات عادت کرده اند، غلظت 2،3-بیس فسفوگلیسرات (2،3-BPG) در خون افزایش می یابد، که به این افراد اجازه می دهد تا در شرایط تنش اکسیژن . این پدیده که در آن مولکول Y بر اتصال مولکول X به مولکول انتقالی Z نامیده اثر آلوستریک هتروتروپیک هموگلوبین موجود در موجودات در ارتفاعات بالا نیز به گونه ای سازگار شده است که تمایل کمتری به 2،3-BPG دارد و بنابراین پروتئین بیشتر به سمت حالت R خود جابه جا می شود. در حالت R، هموگلوبین با سهولت بیشتری به اکسیژن متصل می‌شود، بنابراین به ارگانیسم‌ها اجازه می‌دهد تا فرآیندهای متابولیکی لازم را زمانی که اکسیژن در فشارهای جزئی کم وجود دارد، انجام دهند. [77]

حیواناتی غیر از انسان از مولکول های مختلفی برای اتصال به هموگلوبین و تغییر میل ترکیبی O 2 در شرایط نامساعد استفاده می کنند. ماهی ها از ATP و GTP استفاده می کنند. اینها به یک “جیب” فسفات روی مولکول هموگلوبین ماهی متصل می شوند، که حالت تنش را تثبیت می کند و بنابراین میل اکسیژن را کاهش می دهد. [78] GTP میل اکسیژن هموگلوبین را بسیار بیشتر از ATP کاهش می دهد، که تصور می شود به دلیل یک پیوند هیدروژنی تشکیل شده است که حالت تنش را بیشتر تثبیت می کند. [79] در شرایط هیپوکسیک، غلظت ATP و GTP در گلبول‌های قرمز ماهی کاهش می‌یابد تا میل اکسیژن افزایش یابد. [80]

یک نوع هموگلوبین به نام هموگلوبین جنینی (HbF, α 2 γ 2 در حال رشد یافت جنین می شود و با میل ترکیبی بیشتری نسبت به هموگلوبین بالغ به اکسیژن متصل می شود. این بدان معناست که منحنی اتصال اکسیژن برای هموگلوبین جنینی در مقایسه با هموگلوبین بزرگسالان به سمت چپ جابه‌جا می‌شود (یعنی درصد بیشتری از هموگلوبین دارای اکسیژن در تنش اکسیژن کمتری است). در نتیجه خون جنین در جفت قادر است از خون مادر اکسیژن بگیرد.

هموگلوبین همچنین حامل اکسید نیتریک (NO) در بخش گلوبین مولکول است. این امر اکسیژن رسانی در محیط را بهبود می بخشد و به کنترل تنفس کمک می کند. NO به طور برگشت پذیر به یک باقی مانده سیستئین خاص در گلوبین متصل می شود. اتصال به حالت (R یا T) هموگلوبین بستگی دارد. هموگلوبین S-nitrosylated حاصل بر فعالیت های مختلف مرتبط با NO مانند کنترل مقاومت عروقی، فشار خون و تنفس تأثیر می گذارد. NO در سیتوپلاسم گلبول های قرمز آزاد نمی شود بلکه توسط یک مبدل آنیونی به نام AE1 . [81]

انواع در انسان

انواع هموگلوبین بخشی از رشد طبیعی جنین و جنین است. آنها همچنین ممکن است اشکال جهش یافته پاتولوژیک هموگلوبین در یک جمعیت که به دلیل تغییرات ژنتیکی ایجاد می شوند. برخی از انواع شناخته شده هموگلوبین، مانند کم خونی داسی شکل ، مسئول بیماری ها هستند و هموگلوبینوپاتی . سایر گونه ها هیچ آسیب شناسی قابل تشخیصی ایجاد نمی کنند و بنابراین گونه های غیر پاتولوژیک در نظر گرفته می شوند. [32] [82]

در جنین :

• Gower 1 (ζ 2 ε 2 )
• Gower 2 (α 2 ε 2 ) ( PDB : 1A9W )
• هموگلوبین پورتلند I (ζ 2 γ 2 )
• هموگلوبین پورتلند II (ζ 2 β 2 ).

در جنین:

• هموگلوبین F ( : γ2 ( ) PDB ) 1FDH .

بعد از تولد:

• هموگلوبین A (هموگلوبین بزرگسالان) (α 2 β 2 ) ( PDB : 1BZ0 ) – رایج ترین با مقدار طبیعی بیش از 95٪
• هموگلوبین A 2 (α 2 δ 2 ) – سنتز زنجیره δ در اواخر سه ماهه سوم شروع می شود و در بزرگسالان محدوده طبیعی 1.5-3.5٪ دارد.
• هموگلوبین F (هموگلوبین جنینی) (α 2 γ 2 ) – در بزرگسالان هموگلوبین F به جمعیت محدودی از گلبول های قرمز به نام سلول های F محدود می شود. با این حال، سطح Hb F را می توان در افراد مبتلا به بیماری سلول داسی شکل و بتا تالاسمی داد.

انواع مختلفی که باعث بیماری می شوند:

• هموگلوبین D-Punjab – (α 2 β D 2 ) – شکلی از هموگلوبین.
• هموگلوبین H (β 4 ) – یک نوع هموگلوبین که توسط یک تترامر از زنجیره های β تشکیل می شود که ممکن است در انواع تالاسمی α وجود داشته باشد.
• هموگلوبین بارت (γ4 ) – یک نوع هموگلوبین، که توسط تترامر زنجیره γ تشکیل شده است، که ممکن است در انواع تالاسمی α وجود داشته باشد.
• هموگلوبین S (α 2 β S 2 ) – یک نوع هموگلوبین که در افراد مبتلا به بیماری سلول داسی شکل یافت می شود. تنوعی در ژن زنجیره β وجود دارد که باعث تغییر در خواص هموگلوبین می شود که منجر به داسی شدن گلبول های قرمز خون می شود.
• هموگلوبین C (α 2 β C 2 ) – یک نوع دیگر به دلیل تغییر در ژن زنجیره β. این نوع باعث کم خونی همولیتیک .
• هموگلوبین E (α 2 β E 2 ) – یک نوع دیگر به دلیل تنوع در ژن زنجیره β. این نوع باعث کم خونی همولیتیک مزمن خفیف می شود.
• هموگلوبین AS – یک فرم هتروزیگوت که باعث ایجاد صفت سلول داسی شکل با یک ژن بالغ و یک ژن بیماری سلول داسی می شود
• بیماری هموگلوبین SC – یک فرم هتروزیگوت ترکیبی با یک ژن داسی و دیگری کد کننده هموگلوبین C.
• هموگلوبین هاپکینز-2 – شکلی از هموگلوبین که گاهی در ترکیب با هموگلوبین S برای تولید بیماری سلول داسی شکل دیده می شود.

تخریب در حیوانات مهره داران

هنگامی که گلبول های قرمز خون به دلیل پیری یا نقص به پایان عمر خود می رسند، با فعالیت فاگوسیتیک ماکروفاژها در طحال یا کبد از گردش خون خارج می شوند یا در داخل گردش خون همولیز می شوند. هموگلوبین آزاد از گردش خون پاک می CD163 شود که منحصراً روی مونوسیت ها یا ماکروفاژها بیان می شود. در داخل این سلول ها، مولکول هموگلوبین شکسته می شود و آهن بازیافت می شود. این فرآیند همچنین به ازای هر مولکول هِم تجزیه شده، یک مولکول مونوکسید کربن تولید می کند. [83] تخریب هم تنها منبع طبیعی مونوکسید کربن در بدن انسان است و مسئول سطوح طبیعی مونوکسید کربن خون در افرادی است که هوای عادی را تنفس می کنند. [84]

محصول نهایی اصلی دیگر تجزیه هم، بیلی روبین . اگر گلبول های قرمز خون با سرعت بیشتری نسبت به معمول از بین بروند، سطح این ماده شیمیایی در خون افزایش می یابد. پروتئین هموگلوبین یا هموگلوبین که به طور نامناسب تجزیه شده و به سرعت از سلول های خونی آزاد شده است، می تواند رگ های خونی کوچک، به ویژه رگ های ظریف فیلتر کننده خون کلیه ها و باعث آسیب کلیه شود. آهن از هم جدا می شود و برای استفاده بعدی نجات می یابد، به عنوان هموسیدرین یا فریتین در بافت ها ذخیره می شود و توسط بتا گلوبولین ها به عنوان ترانسفرین در پلاسما منتقل می شود. هنگامی که حلقه پورفیرین شکسته می شود، قطعات معمولاً به صورت رنگدانه زرد رنگی به نام بیلی روبین ترشح می شوند که به صورت صفرا در روده ها ترشح می شود. روده ها بیلی روبین را به اوروبیلینوژن متابولیزه می کنند. اوروبیلینوژن در مدفوع، در رنگدانه ای به نام استرکوبیلین از بدن خارج می شود. گلوبولین به اسیدهای آمینه متابولیزه می شود و سپس در گردش خون آزاد می شود.

بیماری های مرتبط با هموگلوبین

کمبود هموگلوبین می تواند ناشی از کاهش مقدار مولکول های هموگلوبین باشد، مانند کم خونی ، یا به دلیل کاهش توانایی هر مولکول برای اتصال به اکسیژن در فشار جزئی یکسان اکسیژن. هموگلوبینوپاتی ها (نقایص ژنتیکی که منجر به ساختار غیر طبیعی مولکول هموگلوبین می شود) [85] ممکن است هر دو را ایجاد کنند. در هر صورت کمبود هموگلوبین ظرفیت حمل اکسیژن خون را . متمایز می هیپوکسمی ، که به عنوان کاهش فشار جزئی اکسیژن در خون تعریف می شود، [86] [87] [88] [89] اگرچه هر دو علت هیپوکسی (تامین ناکافی اکسیژن به بافت ها) هستند.

سایر علل شایع هموگلوبین پایین عبارتند از از دست دادن خون، کمبود تغذیه، مشکلات مغز استخوان، شیمی درمانی، نارسایی کلیه، یا هموگلوبین غیر طبیعی (مانند بیماری سلول داسی شکل).

توانایی هر مولکول هموگلوبین برای حمل اکسیژن معمولاً با تغییر pH خون یا CO 2 باعث تغییر منحنی تفکیک اکسیژن – هموگلوبین می شود . با این حال، می تواند از نظر پاتولوژیک نیز تغییر کند، به عنوان مثال، مسمومیت با مونوکسید کربن .

کاهش هموگلوبین، با یا بدون کاهش مطلق گلبول های قرمز خون، منجر به علائم کم خونی می شود. کم خونی علل مختلفی دارد، اگرچه کمبود آهن و کم خونی ناشی از آن از شایع ترین علل در دنیای غرب است. از آنجایی که فقدان آهن باعث کاهش سنتز هم می شود، گلبول های قرمز خون در کم خونی فقر آهن هیپوکرومیک (بدون رنگدانه هموگلوبین قرمز) و میکروسیتی (کوچکتر از حد طبیعی) هستند. سایر کم خونی ها نادرتر هستند. در همولیز (تجزیه سریع گلبول های قرمز)، زردی با متابولیت هموگلوبین بیلی روبین ایجاد می شود و هموگلوبین در گردش می تواند باعث نارسایی کلیه شود .

برخی جهش ها در زنجیره گلوبین با هموگلوبینوپاتی ها مانند بیماری سلول داسی شکل و تالاسمی است. سایر جهش ها، همانطور که در ابتدای مقاله ذکر شد، خوش خیم هستند و صرفاً به عنوان انواع هموگلوبین .

گروهی از اختلالات ژنتیکی وجود دارد که به پورفیری هستند که با خطا در مسیرهای متابولیکی سنتز هم مشخص می شوند. شاه جورج سوم پادشاه بریتانیا احتمالاً مشهورترین مبتلا به پورفیری بود.

تا حدودی هموگلوبین A به آرامی با گلوکز در انتهای والین (آمینواسید آلفا) هر زنجیره β ترکیب می شود. مولکول به دست آمده اغلب به عنوان Hb A 1c ، یک هموگلوبین گلیکوزیله . اتصال گلوکز به اسیدهای آمینه در هموگلوبین به طور خود به خود (بدون کمک آنزیم) در بسیاری از پروتئین ها انجام می شود و مشخص نیست که هدف مفیدی داشته باشد. با این حال، با افزایش غلظت گلوکز در خون، درصد Hb A که به Hb A 1c افزایش می یابد. در بیماران دیابتی که گلوکز آنها معمولا بالا است، درصد Hb A 1c نیز بالا است. به دلیل سرعت کم ترکیب Hb A با گلوکز، درصد Hb A 1c نشان دهنده میانگین وزنی سطح گلوکز خون در طول عمر گلبول های قرمز است که تقریباً 120 روز است. [90] بنابراین سطوح هموگلوبین گلیکوزیله به منظور نظارت بر کنترل طولانی مدت بیماری مزمن دیابت نوع 2 (T2DM) اندازه گیری می شود. کنترل ضعیف T2DM منجر به سطوح بالای هموگلوبین گلیکوزه شده در گلبول های قرمز خون می شود. محدوده مرجع طبیعی تقریباً 4.0-5.9٪ است. اگرچه بدست آوردن آن دشوار است، اما مقادیر کمتر از 7 درصد برای افراد مبتلا به دیابت T2 توصیه می شود. سطوح بیشتر از 9 درصد با کنترل ضعیف هموگلوبین گلیکوزیله و سطوح بیشتر از 12 درصد با کنترل بسیار ضعیف مرتبط است. دیابتی هایی که سطح هموگلوبین گلیکوزیله خود را نزدیک به 7٪ نگه می دارند، شانس بسیار بیشتری برای اجتناب از عوارضی که ممکن است همراه دیابت باشد (نسبت به کسانی که سطح آنها 8٪ یا بالاتر است) دارند. [91] علاوه بر این، افزایش گلیکوزیله هموگلوبین میل آن را برای اکسیژن افزایش می دهد، بنابراین از آزاد شدن آن در بافت جلوگیری می کند و در موارد شدید باعث ایجاد سطح هیپوکسی می شود. [92]

افزایش سطح هموگلوبین با افزایش تعداد یا اندازه گلبول های قرمز خون همراه است که پلی سیتمی . این افزایش ممکن است ناشی از بیماری مادرزادی قلبی ، کور ، فیبروز ریوی بیش از حد اریتروپویتین ، یا پلی سیتمی ورا باشد. [93] سطوح بالای هموگلوبین همچنین ممکن است در اثر قرار گرفتن در ارتفاعات بالا، سیگار کشیدن، کم آبی بدن (به طور مصنوعی با تمرکز Hb)، بیماری پیشرفته ریه و برخی تومورها ایجاد شود. [51]

مطالعه اخیر انجام شده در پوندیچری هند، اهمیت آن را در بیماری عروق کرونر نشان می دهد. [94]

کاربردهای تشخیصی

اندازه گیری غلظت هموگلوبین یکی از رایج ترین آزمایشات خونی است که معمولاً به عنوان بخشی از شمارش کامل خون انجام می شود . به عنوان مثال، معمولاً قبل یا بعد از اهدای خون آزمایش می شود . نتایج بر حسب g / L ، g/ dL یا mol /L گزارش شده است. 1 گرم در دسی لیتر برابر با 0.6206 میلی مول در لیتر است، اگرچه واحدهای دوم به دلیل عدم اطمینان در مورد وضعیت پلیمری مولکول، اغلب استفاده نمی شوند. [95] این ضریب تبدیل، با استفاده از وزن مولکولی واحد گلوبین 16000 دا ، برای غلظت هموگلوبین در خون رایج‌تر است. برای MCHC (میانگین غلظت هموگلوبین سلولی) ضریب تبدیل 0.155 که از وزن تترامر 64500 Da استفاده می کند، رایج تر است. [96] سطوح نرمال عبارتند از:

• مردان: 13.8 تا 18.0 گرم در دسی لیتر (138 تا 180 گرم در لیتر، یا 8.56 تا 11.17 میلی مول در لیتر)
• زنان: 12.1 تا 15.1 گرم در دسی لیتر (121 تا 151 گرم در لیتر، یا 7.51 تا 9.37 میلی مول در لیتر)
• کودکان: 11 تا 16 گرم در دسی لیتر (110 تا 160 گرم در لیتر، یا 6.83 تا 9.93 میلی مول در لیتر)
• زنان باردار: 11 تا 14 گرم در دسی لیتر (110 تا 140 گرم در لیتر، یا 6.83 تا 8.69 میلی مول در لیتر) (مقدار معمول 9.5 تا 15 در دوران بارداری) [97] [98]

مقادیر طبیعی هموگلوبین در سه ماهه اول و سوم زنان باردار باید حداقل 11 گرم در دسی لیتر و در سه ماهه دوم حداقل 5/10 گرم در دسی لیتر باشد. [99]

کم آبی یا هیپرهیدراتاسیون می تواند تا حد زیادی بر سطح هموگلوبین اندازه گیری شده تأثیر بگذارد. آلبومین می تواند وضعیت هیدراتاسیون را نشان دهد.

اگر غلظت آن کمتر از حد طبیعی باشد، به آن کم خونی می گویند. کم خونی ها بر اساس اندازه گلبول های قرمز، سلول های حاوی هموگلوبین در مهره داران طبقه بندی می شوند. اگر گلبول های قرمز کوچک باشند، کم خونی «میکروسیتیک»، اگر بزرگ باشند «ماکروسیتیک» و در غیر این صورت «نورموسیتیک» نامیده می شود.

هماتوکریت ، نسبت حجم خون اشغال شده توسط گلبول های قرمز، معمولاً حدود سه برابر غلظت هموگلوبین اندازه گیری شده در گرم در دسی لیتر است. به عنوان مثال، اگر هموگلوبین 17 گرم در دسی لیتر اندازه گیری شود، با هماتوکریت 51 درصد مقایسه می شود. [100]

روش های آزمایش هموگلوبین آزمایشگاهی نیاز به نمونه خون (شریانی، وریدی یا مویرگی) و آنالیز بر روی آنالایزر هماتولوژی و CO-oximeter دارند. علاوه بر این، یک روش جدید آزمایش هموگلوبین غیرتهاجمی (SpHb) به نام پالس CO-Oximetry نیز با دقت قابل مقایسه با روش‌های تهاجمی موجود است. [101]

غلظت اکسی و دی اکسی هموگلوبین را می توان به طور مداوم، منطقه ای و غیرتهاجمی با استفاده از NIRS کرد. [102] [103] [104] [105] [106] NIRS را می توان هم روی سر و هم روی عضلات استفاده کرد. این تکنیک اغلب برای تحقیقات در مورد تمرینات ورزشی نخبگان، ارگونومی، توانبخشی، نظارت بر بیمار، تحقیقات نوزادان، نظارت بر عملکرد مغز، رابط مغز و کامپیوتر ، اورولوژی (انقباض مثانه)، نورولوژی (کوپلینگ عصبی عروقی) و موارد دیگر استفاده می شود.

توده هموگلوبین را می توان با استفاده از روش تنفس مجدد غیر رادیواکتیو، مونوکسید کربن (CO) که بیش از 100 سال است مورد استفاده قرار می گیرد، در انسان اندازه گیری کرد. با این روش، حجم کمی از گاز CO خالص استنشاق شده و برای چند دقیقه دوباره تنفس می شود. در طی تنفس مجدد، CO به هموگلوبین موجود در گلبول های قرمز خون متصل می شود. بر اساس افزایش CO خون پس از دوره تنفس مجدد، توده هموگلوبین را می توان از طریق اصل رقت تعیین کرد. اگرچه گاز CO در حجم زیاد برای انسان سمی است، اما حجم CO مورد استفاده برای ارزیابی حجم خون مطابق با چیزی است که هنگام کشیدن سیگار استنشاق می شود. در حالی که محققان معمولاً از مدارهای تنفس مجدد سفارشی استفاده می کنند، عملکرد Detalo از Detalo Health این روش را خودکار کرده و اندازه گیری را در دسترس گروه بزرگتری از کاربران قرار داده است. [107]

کنترل طولانی مدت قند خون را می توان با غلظت Hb A 1c . اندازه گیری مستقیم آن به نمونه های زیادی نیاز دارد زیرا سطح قند خون در طول روز بسیار متفاوت است. Hb A 1c محصول واکنش برگشت ناپذیر هموگلوبین A با گلوکز است. گلوکز بالاتر غلظت باعث افزایش Hb A 1c می شود. از آنجایی که واکنش آهسته است، نسبت Hb A 1c نشان دهنده سطح گلوکز خون است که به طور متوسط ​​در نیمه عمر گلبول های قرمز خون، معمولاً 120 روز است. Hb A 1c 6.0٪ یا کمتر، کنترل طولانی مدت گلوکز خوبی را نشان می دهد، در حالی که مقادیر بالای 7.0٪ افزایش می یابد. این آزمایش به ویژه برای بیماران دیابتی مفید است. [108]

دستگاه تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) از سیگنال دی اکسی هموگلوبین استفاده می کند که به میدان های مغناطیسی حساس است زیرا پارامغناطیس است. اندازه گیری ترکیبی با NIRS همبستگی خوبی با سیگنال اکسی و دی اکسی هموگلوبین در مقایسه با سیگنال BOLD نشان می دهد. [109]

کاربردهای ردیابی ورزشی و خود ردیابی

هموگلوبین را می توان به صورت غیر تهاجمی ردیابی کرد تا یک مجموعه داده فردی برای ردیابی اثرات غلظت همودیلوشن و همودیلوشن فعالیت های روزانه برای درک بهتر عملکرد ورزشی و تمرین ایجاد کند. ورزشکاران اغلب نگران استقامت و شدت ورزش هستند. این سنسور از دیودهای ساطع کننده نور استفاده می کند که نور قرمز و مادون قرمز را از طریق بافت به یک آشکارساز نور ساطع می کنند، که سپس سیگنالی را به پردازنده ارسال می کند تا جذب نور توسط پروتئین هموگلوبین را محاسبه کند. [110] این سنسور شبیه یک پالس اکسیمتر است که از یک دستگاه حسگر کوچک تشکیل شده است که به انگشت می چسبد.

آنالوگ ها در موجودات غیر مهره دار

انواع پروتئین های انتقال دهنده و اتصال دهنده اکسیژن در موجودات در سراسر قلمرو جانوری و گیاهی وجود دارد. ارگانیسم‌هایی از جمله باکتری‌ها ، تک یاخته‌ها و قارچ‌ها همگی پروتئین‌های هموگلوبین مانندی دارند که نقش‌های شناخته شده و پیش‌بینی‌شده آن‌ها شامل اتصال برگشت‌پذیر لیگاندهای . از آنجایی که بسیاری از این پروتئین ها حاوی گلوبین و بخش هم پورفیرین ) هستند، اغلب آنها را هموگلوبین می نامند، حتی اگر ساختار کلی آنها با هموگلوبین مهره داران بسیار متفاوت باشد. به ویژه، تمایز “میوگلوبین” و هموگلوبین در حیوانات پایین تر اغلب غیرممکن است، زیرا برخی از این موجودات حاوی ماهیچه نیستند. یا ممکن است یک سیستم گردش خون اما سیستمی که با انتقال اکسیژن سروکار داشته باشد (به عنوان مثال، بسیاری از حشرات و سایر بندپایان ) وجود ندارد. در تمام این گروه‌ها، مولکول‌های حاوی هم/گلوبین (حتی گلوبین‌های مونومر) که با اتصال گاز سروکار دارند، اکسی هموگلوبین نامیده می‌شوند. آنها علاوه بر حمل و نقل و حس کردن اکسیژن، ممکن است با NO، CO نیز سر و کار داشته باشند 2 ترکیبات سولفیدی و حتی حذف O 2 در محیط هایی که باید بی هوازی باشند. [111] آنها حتی ممکن است با سم زدایی مواد کلر به روشی مشابه با آنزیم های P450 و پراکسیدازهای حاوی هم مقابله کنند.

ساختار هموگلوبین ها در گونه ها متفاوت است. هموگلوبین در همه پادشاهی موجودات وجود دارد، اما نه در همه موجودات. گونه های اولیه مانند باکتری ها، تک یاخته ها، جلبک ها و گیاهان اغلب دارای هموگلوبین های تک گلوبین هستند. بسیاری از نماتد کرم های نرم تنان و سخت پوستان حاوی مولکول های چند زیر واحدی بسیار بزرگ هستند که بسیار بزرگتر از مهره داران هستند. به طور خاص، هموگلوبین های کایمریک موجود در قارچ ها غول پیکر آنلیدهای ممکن است حاوی گلوبین و سایر انواع پروتئین باشد. [13]

یکی از بارزترین رخدادها و کاربردهای هموگلوبین در موجودات، در کرم لوله‌ای غول‌پیکر ( Riftia pachyptila ، که Vestimentifera نیز نامیده می‌شود)، است که می‌تواند به طول 2.4 متر برسد و دریچه‌های آتشفشانی می‌کند. به جای دستگاه گوارش ، این کرم ها حاوی جمعیتی از باکتری ها هستند که نیمی از وزن ارگانیسم را تشکیل می دهند. باکتری ها H 2 S را از دریچه با O 2 از آب اکسید می کنند تا انرژی برای تولید غذا از H 2 O و CO 2 کنند. انتهای بالایی کرم ها ساختاری شبیه بادبزنی به رنگ قرمز تیره است (“پله”)، که به داخل آب امتداد می یابد و H2S را O2 را برای باکتری ها و CO2 و برای استفاده به عنوان مواد خام مصنوعی مشابه گیاهان فتوسنتزی جذب می کند. . این ساختارها به دلیل محتوای چندین هموگلوبین فوق‌العاده پیچیده که دارای 144 زنجیره گلوبین هستند، قرمز روشن هستند که هر کدام شامل ساختارهای هِم مرتبط است. این هموگلوبین ها به دلیل توانایی حمل اکسیژن در حضور سولفید و حتی حمل سولفید، بدون اینکه به طور کامل توسط آن “مسموم” یا مهار شوند، قابل توجه هستند، همانطور که هموگلوبین ها در اکثر گونه های دیگر هستند. [112] [113]

سایر پروتئین های اتصال دهنده اکسیژن

میوگلوبین

در بافت عضلانی بسیاری از مهره داران از جمله انسان یافت می شود و به بافت ماهیچه ای رنگ مشخص قرمز یا خاکستری تیره می دهد. از نظر ساختار و توالی بسیار شبیه هموگلوبین است، اما تترامر نیست. در عوض، آن یک مونومر است که فاقد پیوند مشارکتی است. برای ذخیره اکسیژن به جای انتقال آن استفاده می شود.

هموسیانین

دومین پروتئین رایج انتقال دهنده اکسیژن موجود در طبیعت، در خون بسیاری از بندپایان و نرم تنان یافت می شود. از گروه های مصنوعی مسی به جای گروه های هِم آهن استفاده می کند و در صورت اکسیژنه شدن به رنگ آبی است.

همیترین

برخی از بی مهرگان دریایی و تعدادی از گونه های آنلید از این پروتئین غیرهم حاوی آهن برای حمل اکسیژن در خون خود استفاده می کنند. هنگامی که اکسیژن دریافت می شود صورتی/بنفش به نظر می رسد، زمانی که نه شفاف است.

کلروکورین

که در بسیاری از آنلیدها یافت می شود، بسیار شبیه به اریتروکروورین است، اما گروه هِم به طور قابل توجهی از نظر ساختار متفاوت است. هنگامی که اکسیژن زدایی می شود سبز و هنگامی که اکسیژن دریافت می شود قرمز به نظر می رسد.

معمولی

همچنین به عنوان وانادیوم کروماژن ، آنها در خون شیرهای دریایی یافت می شوند . زمانی فرض بر این بود که آنها از فلز وانادیوم به عنوان یک گروه مصنوعی اتصال دهنده اکسیژن استفاده می کنند. با این حال، اگرچه آنها ترجیحاً حاوی وانادیوم هستند، اما ظاهراً اکسیژن کمی را به هم متصل می کنند، و بنابراین عملکرد دیگری دارند که مشخص نشده است (مصرف های دریایی حاوی مقداری هموگلوبین نیز هستند). آنها ممکن است به عنوان سم عمل کنند.

اریتروکورین

در بسیاری از آنلیدها، از جمله کرم‌های خاکی ، یافت می‌شود، یک پروتئین خون شناور غول‌پیکر است که حاوی ده‌ها – احتمالاً صدها – زیرواحدهای پروتئین حاوی آهن و هم است که به هم متصل شده‌اند و در یک مجتمع پروتئینی با جرم مولکولی بیش از ۳.۵ میلیون دالتون هستند.

گلوبین سطحی

فقط در نرم تنان Pinna nobilis . پروتئین پورفیرین بر پایه منگنز قهوه ای.

لگهموگلوبین

در گیاهان حبوبات، مانند یونجه یا سویا، باکتری های تثبیت کننده نیتروژن در ریشه ها توسط این هِم آهن حاوی پروتئین اتصال دهنده اکسیژن از اکسیژن محافظت می شوند. آنزیم خاص محافظت شده نیتروژناز است که قادر به کاهش گاز نیتروژن در حضور اکسیژن آزاد نیست.

کوبوگلوبین

یک پورفیرین مصنوعی مبتنی بر کبالت. کوبوپروتئین در صورت اکسیژنه شدن بی رنگ به نظر می رسد، اما در رگ ها زرد می شود.

حضور در سلول های غیر اریتروییدی

برخی از سلول های غیر اریتروئیدی (یعنی سلول هایی غیر از خط گلبول های قرمز خون) حاوی هموگلوبین هستند. در مغز، این‌ها شامل دوپامینرژیک نورون‌های سیاه ، آستروسیت‌ها در قشر مغز و هیپوکامپ بالغ الیگودندروسیت‌های . [11] پیشنهاد شده است که هموگلوبین مغز در این سلول ها ممکن است “ذخیره اکسیژن را برای ایجاد یک مکانیسم هموستاتیک در شرایط بدون اکسیژن، که به ویژه برای نورون های A9 DA که دارای متابولیسم بالا با نیاز بالا به تولید انرژی هستند، مهم است.” . [11] همچنین اشاره شده است که ” دوپامینرژیک ممکن است در معرض خطر ویژه‌ای قرار داشته باشند، زیرا علاوه بر فعالیت میتوکندریایی بالا، آنها تحت استرس اکسیداتیو شدید ناشی از تولید پراکسید هیدروژن از طریق اتوکسیداسیون و/یا مونوآمین اکسیداز (MAO) هستند – دآمیناسیون با واسطه دوپامین و واکنش متعاقب آن آهن آهنی قابل دسترس برای تولید رادیکال های هیدروکسیل بسیار سمی. [11] این ممکن است خطر انحطاط این سلول ها را توضیح دهد بیماری پارکینسون . [11] آهن مشتق شده از هموگلوبین در این سلول ها علت تاریکی پس از مرگ این سلول ها نیست (منشا نام لاتین، substantia nigra )، بلکه به دلیل نوروملانین است.

در خارج از مغز، هموگلوبین دارای عملکردهای غیر حامل اکسیژن به عنوان یک آنتی اکسیدان و تنظیم کننده متابولیسم آهن در ماکروفاژها ، [114] سلول های آلوئولی ، [115] و سلول های مزانژیال در کلیه است. [116]

در تاریخ، هنر و موسیقی

از نظر تاریخی، ارتباط بین رنگ خون و زنگ در ارتباط سیاره مریخ با خدای جنگ رومی رخ می دهد، زیرا این سیاره نارنجی مایل به قرمز است که به یاد افراد باستانی خون می اندازد. اگرچه رنگ سیاره به دلیل ترکیبات آهن در ترکیب با اکسیژن در خاک مریخ است، اما این یک تصور غلط رایج است که آهن موجود در هموگلوبین و اکسیدهای آن به خون رنگ قرمز می دهد. این رنگ در واقع به دلیل قسمت هموگلوبین پورفیرین است که آهن به آن متصل است، نه خود آهن، [117] اگرچه حالت بستن و ردوکس آهن می تواند بر انتقال الکترونیکی پی به پی* یا n به پی* تأثیر بگذارد. پورفیرین و در نتیجه ویژگی های نوری آن.

هنرمند Julian Voss-Andreae سال مجسمه ای به نام Heart of Steel (هموگلوبین) را بر اساس ستون فقرات پروتئین ساخت. این مجسمه از شیشه و فولاد است. زنگ زدن عمدی اثر هنری اولیه براق، واکنش شیمیایی اساسی هموگلوبین در اتصال اکسیژن به آهن را منعکس می کند. [118] [119]

هنرمند مونترال، نیکلاس بایر Luster (هموگلوبین) ، مجسمه‌ای از جنس فولاد ضد زنگ که ساختار مولکول هموگلوبین را نشان می‌دهد، این در دهلیز بهداشت دانشگاه مک گیل در مونترال نمایش داده می شود. ابعاد این مجسمه 10 متر × 10 متر × 10 متر است. [120] [121]