Hemoglobin

Myoglobin tek polipeptit zincirinden oluşurken hemoglobin ise bunun gibi bir araya gelerek özel dizayn edilmiş 4 adet polipeptit zincirinden oluşmaktadır. Aşağıdaki şekilde basit olarak miyoglobin ve hemoglobindeki polipeptit zincirlerinin yapısı basit olarak gösterilmiştir. Bu polipeptit zicirleri yapının GLOBİN kısmını oluşturmaktadırlar. Diğer yandan hem miyoglobin yapısında hem de hemoglobin yapısında bulunan diğer önemli yapı da HEME yapısıdır. HEME yapısına HEME proteini de denmektedir. HEME yapısı, miyoglobinde 1 adet bulunurken, hemoglobinde ise 4 adet bulunur. HEME yapısı aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi 4 adet pirol çekirdeğinin üzerine takılar alarak ( metil, vinil, propiyonat ) kapalı bir yapı oluşturmaları ve bu yapının merkezine de DEMİR atomunu almaları sonucu meydana gelir. HEME yapısı oksijeni bağlamada hayati öneme haizdir. Bunu sağlayan da merkezdeki demir atomudur. Fakat şunu da akıldan çıkarmamak gerekir : HEME yapısının bir globin zincirinde hangi amino asitlere ve kaçıncı sırada bağlanacağı da fonksiyon görmesi bakımından önem arzeder.

Heme, prostetik gruptur, halkalı bir tetrapirol’dur, tetrapirolü oluşturan piroller Alfa metilen köprüleri ile birbirlerine bağlanırlar ve tetrapiroller koyu kırmızı renklidirler. Heme proteinleri ve demir, oksijen depolama ve taşıma yeteneğini sağlar. Aşağıdaki şekilde bir Hemoglobin molekülünün ayrıntılı açılımı gösterilmiştir.

Demir atomunun bağlama yapabilmesi için +2 değerde olması gerektiğine de dikkat ediniz. Aşağıdaki şekilde de sözgelimi bir miyoglobin’in globin zincirinde HEME yapısının bağlanış şekli gösterilmiştir. Fakat miyoglobin zincirindeki amino asitlere bağlanış sırası ile hemoglobindeki amino asitlere bağlanışı birbirinden farklıdır. Hemoglobinde  HİSTİDİN kalıtları, oksijeni bağlayan bölgededir ve buradaki Histidin, nötral pH’lıdır ve kan pH’sının 7.4’de tutulmasında da önemli fonksiyon üstlenir ( EYLÜL 2000 BİYOKİMYA TUS SORUSU ).

Hemoglobin yapısına tekrar dönersek : Aşağıdaki şekil tüm bu anlattıklarımızı özet olarak vermektedir. Hemoglobindeki HEME yapısı temsili olarak gösterilmiştir. Ayrıca hemoglobin’in iki adet alfa ve iki adet beta ismi verilen globin zincirleri de bu tasvirde gösterilmişlerdir.Hemoglobin yapısını daha detaylı incelemeye başladığımızda özellikle beta 1 globin zinciri ile beta 2 globin zinciri arasında bir elektrostatik itmenin olduğu göze çarpar. Çünkü aşağıdaki şekilde de görüldüğü üzere beta 1 ve beta 2’nin birbirine bakan yüzeyleri bazik aminoasitlerle kaplanmıştır ( arginin, lizin, histidin ). Aynı yükteki bazik amino asitler birbirlerini iteceklerdir. Bu durum çok önemlidir çünkü pozitif yüke sahip beta globin zincirlerin bu uçlarına, yüksek irtifalarda artan ve glikoliz’in yan ürünü olan 2,3 – Bi fosfo gliserat ( 2,3-BFG, 2,3- DPG, 2,3-Di Fosfo Gliserat ) bağlanır. Eğer bu noktaya 2,3 BFG bağlanırsa, buraya oksijen giremeyecek ve bağlanamayacaktır

 

Öte yandan beta 1 – alfa 1 arasındaki ve beta 2 – alfa 2 arasındaki bağlar hidrofobiktir. Hidrofobik bağların etki alanı aşağıdaki şekilde kırmızı renkte taralı alan ile gösterilmiştir ve güçlü bir bağlanma sağlarlar. Son olarak bu 4 globin zincirinin bir arada kalmasına yardımcı olan diğer bağ çeşidi de zayıf olmasına rağmen iyonik bağlardır. İyonik bağların etki alanı da aşağıdaki şekilde açık mavi renkte taralı alanla gösterilmiştir. İşte bu şekilde kimi noktalardan itme kuvveti ile, kimi yerlerden ise çekme kuvveti ile hemoglobin yapısı dağılmadan bir arada tutulmaktadır.

Aşağıdaki şekilde ise oksi hemeoglobin yapısı ve deoksi hemoglobin yapısı gösterilmiştir. Oksihemoglobin yapısında bir hemoglobin’in  4 mol oksijen bağlaması gösterilmiştir. İlk oksijen hemoglobin’e oldukça güç bağlanabilirken, diğerleri gittikçe artan kolaylıkta bağlanırlar. Bu durum, hemoglobin’den oksijenlerin ayrılmasında da yaşanır. Yani, ilkler zordur. Hemoglobin 4 mol Oksijeni bağlarken ilkinde hafif zorlanır, ikinci daha kolay olur,üçüncü oksijeni çok kolay , son oksijen olan 4. Oksijeni ise en kolay bağlar. Bu sıra Oksijen bırakırken de aynıdır, yani : ilk oksijeni dokuya bırakırken zorlanır, ikincisini bırakırken daha kolay, üçüncü oksijeni bırakırken çok daha kolay ve üzerindeki son oksijeni bırakırken ise en kolay ve çabuk bunu bırakır. Yani Oksijenlerden ilki hem bağlanırken hem de koparken zorlu olur, gerisi giderek kolaylaşır. Buna KOOPERATİF bağlanma denir. Miyoglobin tek bir globin zincirine ve dolayısıyla da tek bir oksijen bağlama kapasitesine sahip olduğundan, kooperatif bağlanma özelliği miyoglobinde bulunmaz.

Apomiyoglobin, Heme proteini olmayan miyoglobindir. Üre, alfa sarmalları ortadan kaldırır. HEME ortasındaki Demir atomuna Oksijen bağlanabilmesi için ise  Fe ++  mutlaka +2 değerli  olmalıdır ( NİSAN 2007 BİYOKİMYA TUS SORUSU ). Heme proteini, His F8 ile E7 arasında yerleşmiştir ve nonpolar yapı özelliğindedirler. Burada oksijeni, Karbonmonoksidi, 2,3 BPG’ı bağlayan yapı : Proksimal Histidin’dir, Distal Histidin ise,  içeri girişi zorlaştıran muhafız görevi görür.

Hemoglobin 4 alt birimden ( globin, quaterner protein yapısı ), miyoglobin ise 1 globin’den ( Tersiyer protein yapısı ) oluşur. Her pirol’de Bir oksijen molekülü bağlayan yapı HİSTİDİN kalıtlarıdır. Yukarıdaki şekilde hemoglobinde F ve E sarmalına bağlanan moleküller başta oksijen olmak üzere gösterilmişlerdir.

Miyoglobin alfa sarmal’den yana zengindir. Sarmallar, A ile H arasında harf ile adlandırılırlar. Örneğin His F8 demek : F sarmalındaki 8. aminoasit sırasındaki Histidin’dir. Aşağıdaki şekilde ise çizgili kaslarda bulunan miyoglobin’in bulunduğu kaslar tasvir edilmiştir.

 

Miyoglobin, oksijeni çizgili kaslarda depolar ve bağlar fakat Oksijeni taşıyamaz , Miyoglobin Hemoglobinden daha çok oksijene affinite gösterir ve bu yüzden Miyoglobin-Oksijen eğrisi HİPERBOLİK iken, Hemoglobin-Oksijen doygunluk eğrisi SİGMOİDAL’dir. Yani Miyoglobin Oksijeni Hemoglobinden söker alır ( NİSAN ve EYLÜL 1995 BİYOKİMYA TUS SORUSU ). Aşağıdaki şekil iyi incelenmelidir. Grafiğin dikey sütunu hemoglobin ve miyoglobin’in oksijenle bağlanma hızını ve saturasyonunu yani oksijen’e olan aşkının gücünü göstermektedir.Sütun’a en yakın olanlar en çok aşık olanlardır. Dikkat edilirse buradaki en kuvvetli aşık miyoglobin eğrisidir. Bu nedenle bu eğri diğerlerinin aksine sigmoidal değil, hiperbolik’tir. Hemoglobin F ve Hemoglobin A yapılarının oksijenle olan aşkları ise sigmoidal bir eğri oluşturmaktadır. Dikkat edilirse burada HbA’ya kıyasla oksijeni, HbF daha kuvvetli bağlar. Bu durum zaten dikey sütuna yakınlığı ile de anlaşılmaktadır. Dikey sütuna yaklaşmayı artıranlar yani oksijenle bağlanma hızını artıranlar ve oksijen doygunluğunu artıran faktörler Alkaloz yani pH’nın yükselmesi, oksijen konsantrasyonu ve karbonmonoksittir. Çünkü eğer hemoglobin’in 1 globin zincirine karbonmonoksit bağlanırsa, diğer 3 zincir daha iştahla oksijeni bağlamaya çalışır. Aynı şey ilk oksijen bağlanması için de geçerlidir ( kooperatif etki ).

Yukarıdaki grafikdeki yatay sütun ise : Oksijenin parsiyel basıncını göstermektedir. Dikkat edilirse her birinin ( HbF, Miyoglobin, HbA ) oksijeni bırakma özelliği ve bıraktıkları oksijenin parsiyel basıncı farklıdır. Oksijen’den en kolay HbA ayrılır, ikinci kolaylıkta HbF oksijen’den ayrılır. Hb F oksijene aşırı şekilde affinite gösterir, ona sıkıca bağlanır, adeta onu dokulara bile bırakmaz. Onun bu oksijene kuvvetli affinitesini nedeni gama globin zincirinin aktif bölgesindeki SERİN amino asitidir. Hb F oluşumu için 2 ALFA globin zinciri ve 2 GAMA zinciri birleşmiştir ( EYLÜL 2011 KLİNİK TUS SORUSU ). Yani Hb F, HbA’ya göre oksijeni daha kuvvetli bağlar, oksijenden daha zor yarılır. Asidik yapı artar ise de oksijen bağlanması azaldığı gibi, hemoglobin’in oksijenden ayrılması da dahakolay olur. Asidoz durumları, CO2 ve 2,3 BPG artışı, ısı artışı gibi durumlar, hemoglobin’in oksijen’den ayrılmasını kolaylaştırırlar. Normal erişkin hemoglobini HbA’dır ( alfa2 beta2 ), fetal hemoglobin ( alfa2 ve gamma2 ) HbF’dir. Çok az oranda bulunan erişkin hemoglobini ise ( alfa2 delta2 ) HbA2’dir.

Şişman kara dul karbonmonoksit’in, yakışıklı HEME’ye öldürücü aşkı :

Aslında CO, HEME’ye, kara dul örümceğinin erkeğine aşık olduğu gibi aşıktır. KARBON MONOKSİD, HEME’ye,Oksijenden daha çok aşıktır. Aralarındaki aşk, ölümcüldür ama çok şükür ki, CO daha şişmandır ve dar kapıdan giremez. Gerek CO gerekse oksijen’in her ikisi de Hemoglobin ve Myoglobindeki HEME’nin  proksimal Histidin kalıtına bağlanırlar. Oksijene göre CO daha çabuk ve kuvvetli bağlanır. Fakat böyle olmasına rağmen proksimal hsitidin’i korumakla görevli Distal HİSTİDİN, HEME’ye CO geçişini daraltır, oysa Oksijen bu dar yerden dar açıyla rahatlıkla geçebilir, Fakat CO bu dar yerden geçemez, çünkü dar açı yapamaz, CO bağlanırken geniş açı yapar, bu nedenle HEME’ye Distal Histidin varlığında CO daha az, O2 daha çok bağlanır. Fakat  tüm bunlara rağmen Heme’ye CO bağlanma iştahı,  O2’e  kıyasla 2000 kat daha fazladır. Yani CO kara dul ise, HEME yakışıklı erkek örümcektir. HEME’yi kara dul örümceğinden koruyan distal histidin muhafızı’dır.

Hemoglobin’in Gergin- kapalı ( T ) ve gevşek-açık ( R ) durumları :

Hemoglobin her tetramer ( 4 pirol ) başına 4 molekül oksijen bağlar. Hemoglobin oksijeni bağlarken alfa ve beta altbirimleri T ( Taut = gergin, deoksi form ) pozisyonundan, R ( Relax = gevşek, oksi form ) pozisyonuna dönüşür. Aşağıda bu durum şematize edilmiştir. Taut pozisyon kapalı yani deoksi pozisyondur. Bu yapıda tuz köprüleri oluştuğu için, oksijen içeri girecek aralık bulamaz ve hemoglobin’in deoksi formu oluşur. Tuz köprüleri parçalanırsa bu bağların kopmasıyla ortama hidrojen atomları yani protonlar çıkar, pH düşer, asidik ortamda kopan bağların kalıntılarından oksijen molekülleri hemoglobin’in beta globinlerine bağlanıp, oksi hemoglobin yapı oluşur. Bu durumda hemoglobin en açık pozisyondadır ve buna da gevşek pozisyon veya relax pozisyon denir.

Hemoglobin, dokulara O2 bırakmasından sonra akciğerlere CO2 ve H+ taşır. Hb’nin amino ucuna bağlanan CO2, akciğerlerden dışarı verilen solukla atılmaktadır. Dokulara O2 taşıyan hemoglobin, protonu da tamponlamış olur. Hemoglobin tarafından 4 mol O2 ile 2 mol H+ yer değiştirilerek proton tamponlanmış olur.

Hemoglobinin BOHR ETKİSİ

Hemoglobin, yukarıdaki şekilde görüldüğü üzere, dokulara oksijeni bıraktıktan sonra reaksiyon tersine döner ve proton, hemoglobin ile tamponlanarak, ortamdaki bikarbonatın ( HCO3 ) önüne atılır ve spontan olarak Karbonik asit ( H2CO3 ) oluşur.Eritrosit içindeki Karbonik Anhidraz ( KA )  enzimi ile su ve CO2 oluşur. Hemoglobine bağlı CO2 ise akciğerlere taşınır ve soluk verme havası ile dışarı atılır. Eritrosit içindeki CO2’nin önemli bir kaynağı da başka dokuların mitokondrilerindeki TCA siklusundan gelen CO2’dir. Bu anlatılan olay’ın çoğu basamağı tersinirdir. Bu olaya Hemoglobinin BOHR ETKİSİ denir. Myoglobinde Bohr etkisi gözlenmez. Yukarıda  şekilde  4mol O2 ile yer değişen 2 mol H+ yani protonlar, daha önceki şekilde görüldüğü üzere : Oksijenin hemoglobine bağlanması esnasında yani T formundan R formuna geçiş esnasında tuz köprülerinin yıkılmasıyla oluşurlar. Oksijenin hemoglobinden ayrılmasıyla proton destekli tuz köprüleri yeniden oluşur. Önemli bir ayrıntı :Protonlar hemoglobinin beta altbirimine bağlanır. Yani proton derişimindeki bir artış yani  asidoz olursa, protonlar tuz köprülerini yeniden kurarlar ve bu da hem oksijenin hemoglobin tarafından bırakılmasını kolaylaştırır, hem de Hemoglobini tekrar T formuna sokarlar.

2,3- bifosfogliserat ( BPG ) :

Aslında T formunun oksijen bağlayamamasının bir nedeni de beta zincirine bağlanan 2,3- bifosfogliserat’tır ( BPG ). Glikolizde yan ürün olarak oluşan 2, 3 BPG bileşiği , T formunun ( DEOKSİ formunun ) korunmasında çok önemli bir role sahiptir. Asidik yapıdaki 2,3 BPG, HbA’ya  yapısındaki hafif bazik Histidin nedeniyle çok kuvvetli bağlanırken, HbF’e yapısındaki SERİN nedeniyle zayıf bağlandığı için, bunun tersi olarak HbF oksijeni çok kuvvetli bağlar. Dağcılarda artmış bulunan 2,3 BPG sentezini, rakım yükselmesi stimüle eder ( EYLÜL 2004, 2009 ve NİSAN 2009 BİYOKİMYA TUS SORULARI ).

Aşağıdaki şekilde 2,3 BPG oluşumu ve glikoliz basamakları gösterilmiştir.

2, 3 BPG var ise oksijen bağlanamaz. Çünkü oksijenin bağlanacağı bölgeye BPG bağlanmıştır. Yani hemoglobinin beta zincirine bağlanan BPG, HİSTİDİN ve LİZİN ile tuz köprüleri yaparak oksijeni kovar ( NİSAN 2006 BİYOKİMYA TUS SORUSU ). Fakat BPG, hemoglobin molekülündeki değişiklik ( Histidin yerine Serin’in olduğu HbF ) nedeni ile Fetal Hb’e daha az bağlanır. Bu nedenle Hb F , Hb A’dan daha çok oksijen bağlamaya affinite gösterir, oksijeni daha iştahlı bağlar. Yukarıdaki şekilde de gösterildiği gibi :Uzun süre yüksek irtifaya maruz kalınırsa, BPG, Hb ve eritrosit konsantrasyonları artar ( Rapoport – Luebering  Şantı ). BPG artınca Hb, dokulara daha çabuk oksijeni bırakır.

Methemoglobin ( Hb M ) :

Methemoglobin oksijen bağlayamaz. Hemoglobin M’de ( Methemoglobin ) Histidin F8 yerine TİROZİN  ( Tyr ) vardır. Tirozin ise fenolat ile kompleks yaparak Fe++ ( Ferri ) iyonu kararlı olarak Fe +++ ( Ferro ) haline gelir ve oksijen bağlayamaz. Tekrar Fe+++ ’ ün  Fe++  haline gelebilmesi için METHEMOGLOBİN REDÜKTAZ yeterli düzeyde olmalıdır, fakat methemoglobinemide de bu enzim azalmıştır. Methemoglobinde T/ R oranı artmıştır. BOHR etkisi görülemez. Aşağıdaki şekilde methemoglobinemi durumu normal hemoglobinle mukayese edilerek resmedilmiştir. Hemoglobinin R formundan T formuna geçişinin en büyük sorumlusu ise Fe++’nin hareketidir. Erişkinin major  hemoglobini HbA ( alfa 2 bata 2 )’dır. Gebelik boyunca HbF ( alfa2 gamma 2 ) görülür, HbA2 ( alfa 2 delta 2 ) ise  minör erişkin hemoglobindir.

Heinz Body :

Hemoglobinin 4  globin molekülü ( tetramer ) birlikte soluble olmasına rağmen tek başına bir globülin molekülü soluble değildir. Bu soluble olmayan globülin presipitatları  eritrosit  içinde birikirlerse HEİNZ BODY  denilen inklüzyonlar oluşur. Aşağıdaki şekilde heinz body inklüzyon cisimleri gösterilmiştir. Heinz Body İnklüzyon cisimcikleri, hemoglobindeki disülfit bağlarının okside olmasıyla torsiyone olurlar, insoluble hale gelirler, daha ziyade hemolitik anemilerde görülür. Aslında Heinz Body de hemoglobinin globin yapısının bir bozukluğudur. Aşağıdaki şekilde Asidoz ve 2, 3 BPG  artışı durumlarında ve tam zıttı durumlarda SİGMOİDAL HEMOGLOBİN – PROTON – OKSİJEN EĞRİSİ gösterilmiştir.

Hemoglobin düşük pH’da daha düşük oksijen affinitesine ( % O2 saturasyonuna ) sahiptir. Yukarıdaki şekilde kalın S ( Sigmoidal ) şeklinde siyah eğri, düşük pH’da kırmızı alana paralel olarak düşerken, Alkali pH’larda mavi alana çıkar. Hemoglobinin Oksijene olan affinitesini Azaltanlar: pH ve pO2 azalışı, pCO2, ısı, serumda trigliserid artışı olurken,  Oksijen affinitesini azaltan bir başka neden de 2,3-BPG’ın  artmasıdır, yani eğrinin sağ tarafa kırmızı tarafa doğru kaymasıdır. Böylece oksijen dokulara hemen bırakılır. Bu durum yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Hemoglobinin Oksijen affinitesini artırıp, eğriyi sola kaydırıp, mavi alana geçirenler ise : Başta 2, 3 BPG ve pCO2 azalışı, pO2, pH ve  HbF artışı olur ( EYLÜL 1997, 2005, 2011 ve NİSAN 1990, 1999, 2008 BİYOKİMYA TUS SORULARI ). Hemoglobin aynı zamanda REVERSİBL olarak NO ( Nitrik Oksit ) bağlar. Hemoglobin’in molekül kütlesi 65 kDa ağırlığındadır.