هموگلوبین

هموگلوبین (به انگلیسی: Hemoglobin) (که به اختصار Hb نامیده می‌شود) یک متالوپروتئین یا پروتئین فلزی، حاوی اکسیژن در سلول‌های قرمز خون است که در پستانداران و تقریباً سایر مهره‌داران یافت می‌شود.

ساختار فضایی یک هموگلوبین

برخی بی‌مهرگان نیز در حمل و نقل اکسیژن از هموگلوبین استفاده می‌کنند، مانند کرم‌های آنلیدی که هموگلوبین را در خون خود حل می کنند. علاوه بر این، Hb به عنوان حامل برای انتقال اکسیژن در مراحل آبی زندگی لاروی برخی حشرات نیز مشاهده شده است. تنها تعداد معدودی از مهره‌داران، مانند لارو مارماهی و برخی از گونه‌های یخ ماهیان قطب جنوب، فاقد هموگلوبین هستند. هموگلوبین کارآمدترین حامل اکسیژن به شمار می‌آید که تاکنون شناخته شده است.

پروتئین هموگلوبین

هموگلوبین به عنوان یک کمپلکس پروتئین - فلز، در شرایط مناسب با اتصالی سست و برگشت پذیر به اکسیژن متصل می‌شود و سپس گاز اکسیژن را تحت شرایط متفاوتی آزاد می‌کند. در مهره‌داران، Hb اکسیژن را از ریه‌ها یا آبشش‌ها به سایر بخش‌های بدن مانند عضلات منتقل می‌کند، در واقع عضلات از مکان‌هایی هستند که هموگلوبین، اکسیژن را در آن‌ها آزاد می کند. از نظر ساختاری، هموگلوبین یک پروتئین کروی است که در آن یک گروه آهن یا هِم (Heme) تعبیه شده است. هر گروه هِم دارای یک اتم آهن است و این گروه مسئول اتصال اکسیژن به هموگلوبین به شمار می‌آید. متداول‌ترین انواع هموگلوبین شامل چهار زیر واحد است.

جهش در ژن پروتئین هموگلوبین منجر به گروهی از بیماری‌های ارثی به نام «هموگلوبینوپاتی» (Hemoglobinopathies) می‌شود که رایج‌ترین گونه‌های این گروه از اختلالات، بیماری کم خونی «سلول داسی شکل» (Sickle-Cell Disease) و «تالاسمی» (Thalassaemia) به شمار می‌آیند.

از آنجا که مونوکسید کربن نسبت به اکسیژن میل ترکیبی بیشتری به Hb دارد، استعمال دخانیات که موجب تولید مونو اکسید کربن در ریه‌ها می‌شود، می‌تواند تأثیر زیادی بر حمل و نقل اکسیژن در خون داشته باشد و تا 20٪ از جایگاهای فعال اکسیژن روی هموگلوبین را مسدود می‌کند. این تنها یکی از تعداد بی‌شماری اثرات جدی و خطرناک مصرف دخانیات برای سلامتی محسوب می‌شود و نشانگر این است که مصرف این ترکیبات به تدریج سلول‌های بدن را مسموم کرده و از بین می‌برد.

هموگلوبین عاملی است که رنگ قرمز را در خون ایجاد می‌کند، در هنگامی Hb با اتصال به اکسیژن، مورد اکسیداسیون قرار می‌گیرد، رنگ قرمز روشن به خود می‌گیرد و زمانی که هموگلوبین اکسیژن خود را در کنار سلول‌های بدن آزاد می‌کند به رنگ قرمز تیره در می‌آید. رنگ قرمز هموگلوبین به دلیل وجود اتم‌های آهن در ساختار آن است.

از Hb برای تعیین روابط تکاملی در بین موجودات زنده استفاده شده است. زنجیره‌های آلفا هموگلوبین انسان و شامپانزه‌ها توالی یکسانی از اسیدهای آمینه را دارند، در حالی که انسان در یک اسید آمینه (از 141 اسید آمینه) با گوریل و در 25 اسید آمینه با خرگوش و 71 اسید آمینه با ماهی کپور متفاوت است.

ساختار هموگلوبین

مولکول هموگلوبین از چهار زیر واحد پروتئینی کروی تشکیل شده است. هر زیر واحد از یک زنجیره پروتئین محکم با یک گروه هِم غیرپروتئینی تشکیل شده است.

هر زنجیره پروتئینی جداگانه، مجموعه‌ای از بخش‌های ساختاری مارپیچ آلفا است که به هم وصل شده‌اند و یک مارپیچ میوگلوبین را ایجاد کرده‌اند، این ساختارها، میوگلوبین نامیده می‌شود زیرا ترتیب قرارگیری این پروتئین‌ها مشابه موتیف‌هایی است که در پروتئین‌های میوگلوبین مورد استفاده قرار می گیرد. این الگوی فولدینگ یا تاخوردگی حاوی یک پاکت است که محلی مناسب برای اتصال با گروه هِم به شمار می‌آید.

یک گروه هِم شامل یک اتم آهن است که در یک حلقه هتروسیکلیک نگهداری می‌شود، این حلقه‌های آلی هتروسیلیک «پورفیرین» (Porphyrin) نامیده می‌شود. اتم آهن محل اتصال اکسیژن در هموگلوبین محسوب می‌شود. اتم آهن به طور مساوی با هر چهار نیتروژن در مرکز حلقه پیوند خورده است که در یک صفحه قرار دارند. برای ایجاد موقعیت‌های پنجم و ششم‌، دو پیوند اضافی عمود بر صفحه از هر طرف با آهن ایجاد می‌شود، یکی برای اتصال به پروتئین و دیگری برای اتصال اکسیژن مورد استفاده قرار می‌گیرد. اتم آهن می‌تواند به صورت یون‌های Fe+2 یا Fe+3 باشد. شکلی از Hb که در آن یون Fe+3 وجود دارد، قادر به اتصال با اکسیژن نیست، به این شکل از Hb، «فری هموگلوبین» یا «متاموگلوبین» (Methaemoglobin) می‌گویند.

مولکول Hb انواع مختلفی دارد که ممکن است در شرایط گوناگون، هر یک از انواع آن موثر باشد. به عنوان مثال، یک نوع هموگلوبین وجود دارد که ممکن است در ارتفاعات زیاد کارایی بالاتری داشته باشد، این نوع هموگلوبین در حیواناتی مانند لاما دیده می‌شود. علاوه بر این برخی از انواع هموگلوبین‌ها هم وجود دارند که در ارتفاعات پایین موثرتر عمل می‌کنند، از جمله این هموگلوبین‌ها را می‌توان در گردش خون گوزن دم سفید مشاهده کرد. هموگلوبین جنینی با هموگلوبین مادر نیز متفاوت است.

در انسان بالغ، متداول‌ترین نوع Hb یک ساختار تترامر است (که شامل 4 زیر واحد پروتئینی) که به نام هموگلوبین A شناخته می‌شود. این نوع هموگلوبین از دو زیر واحد α و دو زیر واحد β به صورت غیر کووالانسی ساخته شده است. این ساختار تحت عنوان α2β2 شناخته می‌شود. زیر واحدها از نظر ساختاری مشابه و تقریباً در یک اندازه هستند. هر زیر واحد دارای وزن مولکولی حدود 16٫000 دالتون است، به این ترتیب در کل وزن مولکولی تترامر در حدود 64000 دالتون محاسبه می‌شود. در بین هموگلوبین‌ها، هموگلوبین A بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته و اطلاعات بیشتری از آن در دسترس است.

چهار زنجیره پلی پپتیدی توسط پل‌های نمکی، پیوندهای هیدروژنی و تعامل آبگریز به یکدیگر متصل می‌شوند. بین زنجیره‌های α و β دو نوع تماس وجود دارد: α1β1 و α1β2.

انواع هموگلوبین ها در انسان

در ۱۲ هفته اول بعد از بارداری هموگلوبین‌های زیر در جنین وجود دارند:

در دو ماه بعد از لقاح و تشکیل جنین یک نوع هموگلوبین به نام هموگلوبین (Portland) با ساختار δ2γ2 وجود دارد.
در هفته دهم تا دوازدهم جنینی دو نوع Hb با ترکیب ساختارهای ξ2ε2 و α2ε2 به ترتیب Grower1 و Grower2 نامیده می‌شود.
در جنین بعد از ۱۲ هفتگی هموگلوبین دیگری به نام هموگلوبین F با ترکیب ساختاری α2γ2 تشکیل می‌شود.
پس از این مرحله از هفته هجدهم بارداری تا هفته بیست و چهارم هموگلوبین A1 تشکیل می‌شود اما میزان هموگلوبین F در این دوران نسبت به هموگلوبین A بیشتر است.

بدن انسان در دوران بزرگسالی می‌تواند هموگلوبین‌های زیر را داشته باشد:

هموگلوبین A با ترکیب ساختاری α2β2 متداول‌ترین نوع هموگلوبین در بدن است.
هموگلوبین A2 با تترامر α2δ2 در بزرگسالان در حدود ۲٫۵ درصد از هموگلوبین‌های خون را به خود اختصاص داده است.
هموگلوبین F دارای ترکیب ساختاری α2γ2 است که در بزرگسالان در جمعیت‌های محدود از گلبول‌های قرمز که سلول‌های F نامیده می‌شوند، وجود دارد.

نحوه اتصال هموگلوبین با مولکول‌های مختلف

در فرم تترامری هموگلوبین طبیعی در بزرگسالان، اتصال اکسیژن یک «فرآیند تعاونی» (Cooperative Process) به شمار می‌آید. میل اتصال هموگلوبین به اکسیژن با اشباع این مولکول با اکسیژن افزایش می‌یابد. به همین دلیل، منحنی اتصال اکسیژن به هموگلوبین سیگموئیدی یا S شکل است، در حالی که منحنی برای اتصالات غیر تعاونی (Noncooperative) به شکل هایپربولیک طبیعی یا زنگوله‌ای است.

این اتصالات تعاونی مثبت از طریق تغییرات اثرات فضایی کمپلکس پروتئین هموگلوبین حاصل می‌شود: هنگامی که یک زیر واحد پروتئینی در هموگلوبین اکسیژن می‌گیرد، یک کانفورمیشن یا تغییر آرایش ساختاری را در کل مجموعه ایجاد می‌کند و باعث می‌شود که میل ترکیبی 3 زیر واحد دیگر پروتئینی به اکسیژن افزایش یابد.

یک مولکول هموگلوبین تنها می‌تواند چهار مولکول اکسیژن را منتقل کند. در مهره‌داران، هموگلوبین‌ها در گلبول‌های قرمز یا اریتروسیت‌ها یافت می‌شوند که هر یک از آن‌ها حاوی حدود 300 میلیون مولکول هموگلوبین هستند. هموگلوبین‌های موجود در گلبول‌های قرمز حدود 98٪ از اکسیژن موجود در خون انسان را منتقل می‌کنند.

اتصال اکسیژن به هموگلوبین تحت تأثیر حضور مولکول‌هایی مانند مونوکسید کربن (CO) قرار می‌گیرد. مونو اکسید کربن در دود حاصل از مصرف دخانیات و آلودگی‌های هوا ناشی از دود خودروها و کارخانه‌ها وارد جریان خون می‌شود. میل ترکیبی هموگلوبین به اکسیژن در حضور مونوکسید کربن کاهش می‌یابد زیرا هر دو گاز برای جایگاه‌های یکسان اتصال در هموگلوبین با یکدیگر رقابت می‌کنند، این در حالی است که میل ترکیبی هموگلوبین به مونو اکسید کربن نسبت به اکسیژن بیشتر است.