لتكون قادرة على التحدث بطريقة مفهومة من الهيموغلوبين (Hb) ، فمن المفيد التعامل مع الميوغلوبين (Mb) الذي يشبه الهيموجلوبين ولكن أبسط بكثير. بين الهيموغلوبين والميوجلوبين هناك علاقات قرابة صارمة: كلاهما بروتينات مترافقة ومجموعةها الاصطناعية (جزء غير البروتين) هي مجموعة الهيم .
الميوغلوبين هو بروتين كروي يتكون من سلسلة واحدة من حوالي مائة وخمسين من الأحماض الأمينية (يعتمد على الكائن الحي) ووزنه الجزيئي حوالي 18 كيلو دالتون.
وكما قيل ، فقد وهب مجموعة الهيم التي يتم إدخالها في جزء من البروتين (أو محبة للدهون) من البروتين ، وتتكون من طيات ذات صلة بهياكل الحلزون ألفا من البروتينات الليفية.
يتكون المايوجلوبين بشكل رئيسي من شرائح الحلزونية α ، الموجودة في ثمانية ، وتتكون بشكل حصري تقريبا من المخلفات غير القطبية (الليوسين ، فالين ، ميثيونين ، فينيل ألانين) بينما تكون المخلفات القطبية غائبة عمليا (حمض الأسبارتيك ، حمض الغلوتاميك ، يسين وأرجينين) ؛ البقايا القطبية الوحيدة هي اثنين من الهيستدينات ، والتي تلعب دورا أساسيا في هجوم الأكسجين إلى مجموعة الهيم.
مجموعة الهيم هي مجموعة chromophore (تمتص في المرئية) وهي المجموعة الوظيفية للميوجلوبين.
انظر أيضا: الهيموجلوبين المنقى - الهيموجلوبين فى البول
القليل من الكيمياء
والصلة بين البروتوبرفيرين والحديد هي رابطة نموذجية لما يسمى بمركبات التنسيق وهي مركبات كيميائية تكون فيها ذرة مركزية (أو أيون) تشكل روابط مع أنواع كيميائية أخرى في عدد أكبر من رقم الأكسدة (الشحنة الكهربائية). في حالة الهيم ، هذه السندات قابلة للانعكاس والضعف.
عدد التنسيق (عدد روابط التنسيق) للحديد هو ستة: قد يكون هناك ستة جزيئات حول الحديد تتقاسم الإلكترونات الرابطة.
لتكوين مركب للتنسيق ، فإنه يأخذ مدارتين مع الاتجاه الصحيح: واحد قادر على "شراء" الإلكترونات والآخر قادر على التبرع بها
في الهيم ، يشكل الحديد أربع روابط مستوية مع ذرات النيتروجين الأربعة الموجودة في وسط الحلقة البروتينية - البورفيرينية ورابط خامس مع نيتروجين من الهيستدين القريب. الحديد لديه الرابط السادس للتنسيق الحر ويمكن أن يرتبط بالأكسجين.
عندما يكون الحديد في شكل أيونات حرة ، فإن مداراته من النوع d لها نفس الطاقة ؛ في الميوغلوبين ، يرتبط أيون الحديد بالبروبورفيرين والهيستدين: هذه الأنواع تقطع المُدَسّك د من الحديد ؛ سيكون حجم الاضطراب مختلفًا بالنسبة إلى المدارات d المختلفة اعتمادًا على اتجاهها المكاني ومدى الأنواع المقلقة. وبما أن الطاقة الكلية للمدارات يجب أن تكون ثابتة ، فإن الاضطراب يؤدي إلى انفصال حيوي بين المدارات المختلفة: الطاقة التي تحصل عليها بعض المدارات ، وهو ما يعادل الطاقة المفقودة من قبل الآخرين.
إذا لم يكن الفصل الذي يحدث بين المدارات كبيرًا جدًا ، فمن الأفضل ترتيب إلكتروني عالي الس :ين: تحاول الإلكترونات الرابطة ترتيب تدور موازٍ في عدة مستويات فرعية محتملة (أقصى تعدد) ؛ من ناحية أخرى ، إذا كان الاضطراب قويًا جدًا وهناك فصلًا كبيرًا بين المدارات ، فقد يكون من الأسهل ربط الإلكترونات الرابطة في المدارات منخفضة الطاقة (تدور منخفض).
عندما يرتبط الحديد بالأكسجين ، يأخذ الجزيء بترتيب منخفض الس spين ، بينما عندما يكون للحديد الرابط السادس للتنسيق الحر ، فإن الجزيئ يتخلص من دوران عالي.
وبفضل هذا الاختلاف في الدوران ، من خلال التحليل الطيفي للميوجلوبين ، نكون قادرين على فهم ما إذا كان الأكسجين مرتبطًا (MbO2) أم لا (Mb).
الميوغلوبين هو بروتين نموذجي للعضلات (ولكن لا يوجد في العضلات فقط).
يتم استخراج الميوغلوبين من حوت العنبر الذي يوجد فيه بكميات كبيرة ومن ثم تنقيته.
الحيتان لديها التنفس مثل البشر: يجب أن تمتص الرئتين الهواء من خلال عملية التنفس. يجب أن يجلب حوت العنبر أكبر قدر ممكن من الأكسجين إلى العضلات القادرة على تجميع الأكسجين عن طريق ربطه بالميوغلوبين الموجود فيها ؛ ثم يتم إطلاق الأكسجين ببطء عندما تنغمر الحوتيات لأن عملية الأيض تتطلب الأكسجين: كلما زادت كمية الأكسجين التي يستطيع حوت العنبر امتصاصها ، كلما ازدادت كمية الأكسجين المتاحة أثناء الغوص.
لجعل اللحم الأحمر أكثر أو أقل هو محتوى من بروتينات الدم (هو الهيم الذي يجعل اللحم الأحمر).
للهيموغلوبين العديد من التشابهات البنيوية مع الميوغلوبين وهو قادر على ربط الأكسجين الجزيئي بطريقة قابلة للانعكاس. ولكن ، في حين يقتصر الميوغلوبين على العضلات والأنسجة المحيطية بشكل عام ، يوجد الهيموجلوبين في كريات الدم الحمراء أو خلايا الدم الحمراء (فهي خلايا زائفة ، أي أنها ليست خلايا حقيقية) تشكل 40٪ من الدم.
الهيموغلوبين هو رباعي الأضلاع ، أي أنه يتكون من أربعة سلاسل متعددة الببتيد ، كل واحدة لها مجموعة الهيم ومعايرة اثنين من قبل اثنين (في كائن بشري هناك سلسلتين ألفا وسلاسل بيتا اثنين).
الوظيفة الرئيسية للهيموجلوبين هي نقل الأكسجين . وظيفة أخرى من الدم الذي تشارك فيه الهيموجلوبين هو نقل المواد إلى الأنسجة.
في الطريق من الرئتين (الغنية بالأكسجين) إلى الأنسجة ، يحمل الهيموغلوبين الأكسجين (في نفس الوقت تصل المواد الأخرى إلى الأنسجة) بينما في المسار العكسي ، يجلب معه النفايات المجمعة من الأنسجة ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون الناتج في عملية الأيض.
في تطور الإنسان توجد جينات يتم التعبير عنها فقط لفترة زمنية معينة ؛ لهذا السبب لدينا خضابينات مختلفة: الجنين ، الجنين ، للرجل البالغ.
السلاسل التي تشكل هذه الهيموغلوبين المختلفة لها هياكل مختلفة ولكن مع التشابه في الواقع فإن الوظيفة التي تؤديها هي نفسها تقريبا.
يوجد تفسير لوجود عدة سلاسل مختلفة على النحو التالي: خلال عملية تطور الكائنات الحية ، تطور الهيموجلوبين أيضًا ، وهو متخصص في نقل الأكسجين من المناطق الغنية بالمناطق التي تعاني من نقص. في بداية السلسلة التطورية ، نقل الهيموجلوبين الأكسجين إلى كائنات حية صغيرة. في سياق التطور ، وصلت الكائنات الحية إلى أبعاد أكبر ، لذلك تغير الهيموجلوبين ليصبح قادراً على نقل الأوكسجين في المناطق البعيدة عن النقطة التي كانت غنية بها ؛ للقيام بذلك ، تم تقنين هياكل جديدة من السلاسل التي تشكل الهيموغلوبين في سياق عملية التطور.
يقوم الميوغلوبين بربط الأكسجين حتى عند ضغوط متواضعة. في الأنسجة المحيطية هناك ضغط (PO2) من حوالي 30 ملم زئبقي: الميوغلوبين في هذا الضغط لا يطلق الأكسجين ، لذلك سيكون غير فعال مثل ناقلة الأوكسجين. من ناحية أخرى ، يمتلك الهيموجلوبين سلوكًا أكثر مرونة: فهو يربط الأكسجين عند الضغوط العالية ويطلقه عند انخفاض الضغط.
عندما يكون البروتين نشطًا وظيفيًا ، يمكنه تغيير شكله قليلاً ؛ على سبيل المثال ، الميوغلوبين المشبع بالأكسجين له شكل مختلف عن الميوغلوبين غير الأكسجيني ولا تؤثر هذه الطفرة على الجزيئات المجاورة.
يختلف الخطاب في حالة البروتينات المرتبطة به مثل الهيموجلوبين: عندما تكون الأكسجين متسلسلة ، فإنه يحفز على تغيير شكله ، لكن هذا التعديل ثلاثي الأبعاد ، وبالتالي تتأثر أيضًا سلاسل أخرى من الرباعي. حقيقة أن السلاسل مرتبطة بشكل متبادل ، تقود المرء إلى الاعتقاد بأن تعديل أحدهما يؤثر على الجيران الآخرين حتى وإن كان ذلك إلى حد مختلف ؛ عندما تكون سلسلة من الأوكسيجين ، تتخذ سلاسل أخرى من رباعي الأرجل "موقفا أقل عدائية" تجاه الأكسجين: الصعوبة التي تتناقص بها سلسلة الأوكسجين كلما اقتربت سلاسلها من الأكسجين بدورها. نفس الخطاب صالح لإزالة الأكسجين.
يأخذ التركيب الرباعي لليوكسي هيموجلوبين اسم الشكل T (tesa) بينما يسمى شكل oxyhemoglobin Form R (تم الإفراج عنه) ؛ في الحالة المتوترة هناك سلسلة من التفاعلات الكهروستاتيكية القوية بين الأحماض الأمينية والأحماض الأمينية الأساسية التي تؤدي إلى بنية صلبة من ديوكسي هيموجلوبين (وهذا هو السبب في "شكل متوتر") ، في حين أن الأكسجين مرتبط ، فإن حجم هذه التفاعلات (وهذا هو السبب في "شكل الإفراج"). علاوة على ذلك ، في غياب الأكسجين ، يتم تثبيت شحنة الهستيدين (انظر الهيكل) بواسطة الشحنة المعاكسة لحمض الأسبارتيك بينما في وجود الأكسجين ، هناك ميل على جزء من البروتين لفقد البروتون. كل هذا يعني أن الهيموغلوبين المؤكسج هو حمض أقوى من الهيموغلوبين غير المؤكسج: تأثير البور .
اعتمادا على الرقم الهيدروجيني ، فإن مجموعة الهيم تربط بسهولة أو أقل بسهولة بالأكسجين: في بيئة حمضية ، يقوم الهيموجلوبين بنشر الأكسجين بسهولة أكبر (الشكل المتوتر مستقر) بينما في البيئة الأساسية ، يكون الرابط مع الأكسجين أقوى.
كل هيموغلوبين يطلق 0.7 بروتون لكل مول من الأكسجين القادم (O2).
يسمح تأثير بور للهيموجلوبين بتحسين قدرته على نقل الأكسجين.
الهيموجلوبين الذي يجعل الرحلة من الرئتين إلى الأنسجة يجب أن يوازن نفسه طبقاً للضغط ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة.
دعونا نرى تأثير درجة الحرارة .
درجة الحرارة في الحويصلات الهوائية الرئوية تكون أقل من درجة الحرارة الخارجية بمقدار 1.5 درجة مئوية بينما تكون درجة الحرارة في العضلات حوالي 36.5-37 درجة مئوية. كلما زادت درجة الحرارة ، ينقص عامل التشبع (عند نفس الضغط): يحدث ذلك لأنه يزيد من الطاقة الحركية ويُفضل التفكك.
هناك عوامل أخرى يمكن أن تؤثر على قدرة الهيموجلوبين على الارتباط بالأكسجين ، وأحد هذه العوامل هو تركيز 2،3 bisphosphoglycerate .
2،3 bisphosphoglycerate هو وجود التمثيل الغذائي في كريات الدم الحمراء بتركيز 4-5 ملم (في أي جزء آخر من الجسم موجود في مثل هذا التركيز العالي).
في درجة الحموضة الفسيولوجية ، 2،3 bisphosplygerate هو deprotonate ولها خمس رسوم سلبية عليها ؛ وهي مربوطة بين سلسلتي بيتا من الهيموجلوبين لأن هذه السلاسل لها تركيز عالٍ من الشحنات الإيجابية. التفاعلات الكهروستاتيكية بين سلاسل بيتا و 2،3 bisphosphoglycerate تعطي صلابة معينة للنظام: يتم الحصول على بنية متوترة لديها القليل من الانجذاب للأكسجين. خلال الأوكسجين ، ثم ، يتم طرد 2،3 bisphosplygerate.
في كريات الدم الحمراء هناك جهاز خاص يحول 1،3 bisphosphoglycerate (التي تنتجها عملية الأيض) إلى 2،3 bisphosphoglycerate بحيث تصل إلى تركيز 4-5 ملم ، وبالتالي فإن الهيموغلوبين قادر على تبادل الأكسجين في الأنسجة.
إن الهيموجلوبين الذي يأتي إلى النسيج هو في الحالة المطلقة (المرتبطة بالأكسجين) ، ولكنه قريب من النسيج ، وهو كربوكسيل ويتحول إلى حالة متوترة: البروتين في هذه الحالة ، لديه ميل أقل للارتباط بالأكسجين ، بالمقارنة مع حالة الإفراج ، وبالتالي فإن الهيموغلوبين يطلق الأكسجين إلى الأنسجة ؛ علاوة على ذلك ، عن طريق التفاعل بين الماء وثاني أكسيد الكربون ، هناك إنتاج أيونات H + ، ثم مزيد من الأكسجين لتأثير بور.
ينتشر ثاني أكسيد الكربون في خلايا الدم الحمراء التي تمر عبر غشاء البلازما. بما أن كريات الدم الحمراء تشكل حوالي 40٪ من الدم ، يجب أن نتوقع أن 40٪ فقط من ثاني أكسيد الكربون الذي ينتشر من الأنسجة يدخل إليها ، في الواقع يدخل 90٪ من ثاني أكسيد الكربون إلى كريات الدم الحمراء لأنها تحتوي على إنزيم يحول ثاني أكسيد الكربون في حمض الكربونيك ، فإنه يؤدي إلى أن التركيز الثابت لثاني أكسيد الكربون في كريات الدم الحمراء منخفضة ، وبالتالي فإن سرعة الدخول عالية.
هناك ظاهرة أخرى تحدث عندما تصل كريات الدم الحمراء إلى نسيج ما يلي: بواسطة التدرج ، يخرج HCO3- (مشتق من ثاني أكسيد الكربون) من كرات الدم الحمراء ، وللتوازن بين ناتج الشحنة السالبة ، لدينا مدخل الكلوريد الذي يسبب زيادة في الضغط التناضحي: لتعويض هذا الاختلاف ، يتم إدخال الماء أيضًا مما يؤدي إلى تورم في كريات الدم الحمراء (تأثير هامبرغر). تحدث الظاهرة المعاكسة عندما تصل كريات الدم الحمراء إلى الحويصلات الهوائية الرئوية: هناك انكماش لخلايا الدم الحمراء (تأثير الهلدان). ومن ثم فإن كريات الدم الحمراء الوريدية (الموجهة إلى الرئتين) هي أكثر استدارة من تلك الشرايين.
