ביוכימיה- חיים

Front 1

המוגלובין

Back 1

המוגלובין הוא חלבון כדורי הנמצא בריכוזים גבוהים בתאי דם אדומים. ההמוגלובין קושר חמצן בריאות ונושא את החמצן בדם אל הרקמות. בנוסף, ההמוגלובין קושר גם CO2 מהרקמות ומוביל אותו אל הריאות שם הוא משתחרר

Front 2

מבנה ההמוגלובין

Back 2

ההמוגלובין מופיע במספר צורות מולקולאריות
המוגלובין A1
המוגלובין A2
המוגלובין F

Front 3

המוגלובין A1

Back 3

זוהי הצורה הנפוצה ביותר אצל מבוגרים והיא כוללת-
א. שתי שרשראות אלפא הכוללות 141 חומצות אמינו.
ב. שתי שרשראות בטא הכוללות 146 חומצות אמינו.
הקשרים בין השרשראות אינם קשרים קוולנטיים אלא קשרים חלשים ולא קבועים.
• שרשראות בטא מתחילות להיווצר בכמויות גדולות רק סביב הלידה, כלומר יש מעין ."Switch On"

Front 4

המוגלובין A2

Back 4

צורה נוספת המופיעה באחוזים בודדים בלבד אצל מבוגרים וכוללת-
א. שתי שרשראות אלפא
ב. שתי שרשראות דלתא
• שרשראות דלתא, מתחילות גם הן להיווצר קרוב ללידה ונוצרות בכמויות מאוד נמוכות לאורך החיים לאחר הלידה.

Front 5

המוגלובין F

Back 5

זהו ההמוגלובין העוברי הכולל:
א. שתי שרשראות אלפא.
ב. שתי שרשראות גמא.
(*יש עוד כמה צורות מולקולאריות פיזיולוגיות שמופיעות בשלבים המאוד ראשוניים של ההתפתחות העוברית. )
בתוך כל אחת מהשרשראות המרכיבות את ההמוגלובין יש קבוצה פרוסטטית המשמשת כ- Coenzyme. קבוצה זו נקראת Heme (או Haem).
• שרשראות מסוג גמא, הנמצאות בהמוגלובין העוברי, מסונתזות בכמויות גבוהות בחיים העובריים ולאחר הלידה יש Switch Off. לאורך החיים לאחר הלידה נוצרות כמויות נמוכות מאוד של שרשראות גמא.
• אפסילון, סוג נוסף של המוגלובין, נוצר רק בשליש הראשון של ההריון ואח"כ נעלם.

Front 6

מיוגלובין

Back 6

גם המיוגלובין היא מולקולה הנושאת חמצן. לעומת ההמוגלובין, המיוגלובין אינו נמצא בכדוריות הדם האדומות אלא בשריר.

Front 7

מבנה המיוגלובין

Back 7

המיוגלובין מורכב משרשרת גלובין אחת בלבד. (לעומת המוגלובין הבנוי מ- 4 שרשראות).
גם בשרשרת היחידה של המיוגלובין יש קבוצת Heme (או Haem) הדרושה לפעילות המיוגלובין.
המיוגלובין היא מולקולה מאוד קומפקטית ודחוסה ויש מעט מאוד "חלל ריק" בתוך המולקולה. כ- 75% מרצף חומצות האמינו נמצא בצורה של Alpha Helix. פנים המולקולה כולל בעיקר שיירים לא פולאריים. אולם, השיירים הפולארים היחידים בתוך המיוגלובין הם 2 Histidines המהווים חלק חשוב בקבוצת ה- Heme המאפשרת למולקולה לקשור חמצן.

Front 8

קבוצת ה- Heme

Back 8

ה- Heme היא קבוצה הכוללת טבעת- Porphyrin Ring שבאמצעה יש אטום ברזל הנמצא במצב חמצון +2. אטום ברזל זה יכול ליצור 6 קשרים:
א. 4 קשרים בצורה אופקית עם החנקנים (במישור של הטבעת).
ב. 2 קשרים בצורה אנכית:
i. קשר אחד קשור לשייר Histidine שנמצא בשרשרת הגלובין.
ii. קשר שני הוא זה שנקשר לחמצן. החמצן קשור מצידו השני ל- Histidine נוסף בשרשרת הגלובין שנקרא ה- Histidine הדיסטאלי. *בצורה הלא מחומצנת הקשר לחמצן מתנתק.

קבוצת ה- Heme דומה מאוד למולקולות אחרות, כמו הכלורופיל בתאים צמחיים. שתי הקבוצות כוללות Porphyrin Ring אולם בכלורופיל יש אטום מגנזיום במקום אטום הברזל.

Front 9

Porphyria

Back 9

יש משפחה של מחלות גנטיות הנקראות מחלות פורפיריות. מחלות אלו הן תוצאה של פגיעה בביוסינתזה של ה- Porphyrin Ring הנמצאת בקבוצת ה- Heme. בכל מחלה יש פגיעה בחלק ספציפי בשרשרת ההיווצרות של ה- Porphyrin Ring.

Front 10

שיווי המשקל של קשירת החמצן

Back 10

הקשר בין חמצן למיוגלובין מוגדר ע"י נוסחא שמבטאת מצב של שיווי משקל:

מכיוון שהחמצן נמצא במצב גזי, יותר נוח לבטא את ריכוז החמצן כלחץ הגז. לחץ החמצן מבוטא ביחידות Torr: (p50= קבוע שיווי המשקל)
ערך p50 הוא ערך שמגדיר את האפיניות לחמצן והוא מבטא את ריכוז החמצן עבורו 50% מהאתרים לקשירת חמצן תפוסים ע"י חמצן.

Front 11

קשירת חמצן למיוגלובין ולהמוגלובין

Back 11

ניתן לראות כי מיוגלובין מדגים צורה היפרבולית, המבטאת את העובדה שהמיוגלובין קושר חמצן באופן הפיך. במילים אחרות, הצורה המחומצנת והלא מחומצנת נמצאות בשיווי משקל שיכול להשתנות על סמך לחץ החמצן.
המיוגלובין היא מולקולה שתפקידה לקשור חמצן שההמוגלובין משחרר בשריר (במקום בו יש לחץ חמצן נמוך), המיוגלובין קושר את החמצן ומשחרר את החמצן בשריר בעקבות דרישה לחמצן, כלומר בהתאם לצורך.
לעומת זאת, ניתן לראות הבדל משמעותי בין יכולת קשירת החמצן של ההמוגלובין לזו של המיוגלובין.
עבור כל לחץ חמצן נתון, ערך הרוויה גבוה יותר עבור מיוגלובין לעומת ההמוגלובין. כלומר, האפיניות (זיקה) של מיוגלובין לחמצן גובהה יוצר מאשר האפיניות של ההמוגלובין-
עבור מיוגלובין, p50 הוא כ- 1 Torr.
עבור המוגלובין, p50 הוא כ- 26 Torr.

Front 12

מנגנון קשירת החמצן של ההמוגלובין

Back 12

קשירת מולקולות חמצן לקבוצת ה- Heme הראשונה (מבין הארבע הקיימות) משפרת ומאפשרת קשירה מהירה יותר של קבוצות ה- Heme הנוספות באותה מולקולות המוגלובין במנגנון שנקרא Heme- Heme Interactions. כלומר, יש Cooperativity. בנוסף, גם ההיפך הוא נכון- שחרור מולקולת חמצן מקבוצת Heme אחת, מעודדת את החמצנים האחרים הקשורים לקבוצות ה-Heme האחרות להשתחרר.

Front 13

המוגלובין כמולקולה אלוסטרית

Back 13

מולקולת ההמוגלובין היא מולקולה בעלת מבנה רבעוני. בצורתה הלא פעילה, כל אחת מתת היחידות נמצאת בקונפורמציית T, מצב בעל אפיניות נמוכה. בעקבות קשירת הסובסטראט והפיכת המולקולה לפעילה, כל תת היחידות של המולקולה הופכות להיות בקונפורמציית R, צורה בעלת אפיניות גבוהה.
לעומת המוגלובין, מיוגלובין היא אינה מולקולה אלוסטרית מכיוון שהיא בנויה משרשרת אחת בלבד:
נניח שנרצה לעבור מאחוז רוויה של 0.1 לאחוז רוויה של 0.9:
עבור מיוגלובין: צריך להביא לשינוי של פי 81 בלחץ החמצן.
עבור המוגלובין: צריך להביא לשינוי של פי 4.8 בלחץ החמצן בלבד, תודות ל-Cooperativity ולצורת העקומה הסיגמוידאלית.

Front 14

Hill Coefficient

Back 14

זהו מקדם המתאר את מספר האתרים במולקולה התפוסים ע"י חמצן. למעשה, מקדם היל מבטא את הקואופרטיביות.
בחלבונים שאינם מקיימים קואופרטיביות, כמו מיוגלובין, ערך מקדם היל שווה ל-1.
בחלבונים המקיימים קואופרטיביות, כמו המוגלובין, ערך מקדם היל גדול מ-1. כלומר, הקואופרטיביות של ההמוגלובין הופכת אותו למוביל חמצן טוב יותר.

Front 15

קואופרטיביות המוגלובין ומיוגלובין

Back 15

בריאות, היכן שיש חמצן בשפע, ההמוגלובין קושר את החמצן והופך רווי מאוד בחמצן. ההמוגלובין הרווי נושא את החמצן בדם אל רקמות הגוף השונות, כלומר אל סביבה דלה מאוד בחמצן. בסביבה זו, ההמוגלובין משחרר את החמצן.
ניתן לראות כי אם במקום המוגלובין הגוף היה "משתמש" במיוגלובין להובלת החמצן מהריאות אל הגוף, במעבר אל הסביבה הדלה בחמצן ברקמות הגוף, רק כ- 10% מהחמצן היה משוחרר מהאתרים הקושרים במיוגלובין אל הגוף.
לכן, ניתן לראות כי המבנה של ארבעת השרשראות של ההמוגלובין הוא זה שאחראי להבדלים המשמעותיים בין המוגלובין למיוגלובין ומאפשר את הקואופרטיביות של ההמוגלובין.
כלומר, ההשוואה בין המוגלובין למיוגלובין מייצגת את ההבדל בין אנזים מסוג Monomeric לאנזים מסוגMultimeric ,

Front 16

Bohr Effect

Back 16

מתאר את השפעת החומציות על קשירת חמצן. קשירת החמצן ע"י מיוגלובין, כמעט ואינה מושפעת מחומציות. לעומת זאת, קשירת החמצן ע"י המוגלובין מושפעת מאוד מסביבה חומצית.
ניתן לראות, מהנוסחא, כי פרוטונים משתחררים במעבר מצורת ה- Deoxyhemoglobin לצורת ה- Oxyhemoglobin. המשמעות של נוסחא זו היא שהפרוטונים הם בעלי אפיניות גובהה יותר לצורת ה- Deoxyhemoglobin.
המשמעות הפיזיולוגית של Bohr Effect היא שכאשר איבר נמצא בפעולה, הרבה פרוטונים משתחררים והחומציות עולה, חמצן משתחרר. למשל, כאשר השריר מתכווץ, יש עלייה בחומציות, הפרוטונים מייצבים את צורת ה- Deoxyhemoglobin וחמצן משתחרר.