Hemoglobina

Hemoglobina i jej rola w transporcie tlenu

Mówiłem dużo o znaczeniu hemoglobiny

w czerwonych krwinkach i pomyślałem, że

przygotuję cały filmik o tym związku.

Ponieważ to dla nas istotne, a poza tym wyjaśni nam,

w jaki sposób hemoglobina czy erytrocyty, zależy

na jakim poziomie to rozpatrujemy, wiedzą, a właściwie

"wiedzą" w cudzysłowie.

To nie są przecież świadome jednostki, ale "wiedzą",

kiedy pobrać tlen i kiedy go wyrzucić.

To jest rysunek cząsteczki białka

- hemoglobiny.

Tworzą ją 4 łańcuchy aminokwasów.

To jeden z nich.

Tu są następne dwa.

Nie będziemy się w to zagłębiać, ale wyglądają

jak poskręcane wstążeczki.

Możecie je sobie wyobrazić jako grupy

aminokwasów, poskręcanych w ten sposób.

To, na pewnym poziomie, opisuje strukturę tego białka.

W każdej z tych grup czy łańcuchów znajduje się

grupa hemu, zaznaczona na zielono.

To od niej pochodzi nazwa hemoglobina.

mamy 4 grupy hemu i cztery globiny,

czyli 4 struktury białkowe,

Grupa hemu jest bardzo interesująca.

To struktura analogiczna do porfiryny.

Jeśli oglądaliście filmik o chlorofilu, to

pamiętacie pewnie strukturę porfiryny, w środku której,

w cząsteczce chlorofilu mamy jon magnezu.

A w środku struktur hemu w hemoglobinie mamy jony żelaza,

które wiążą tlen.

W cząsteczce hemoglobiny mamy 4 miejsca,

do których wiązany jest tlen.

Mamy je tutaj, pewnie tutaj, trochę z tyłu

tutaj i tu.

Dlaczego hemoglobina -- tlen łatwo wiąże się do hemu,

ale hemoglobina ma kilka właściwości, dzięki którym

nie tylko dobrze wiąże tlen, ale także sprawnie

go uwalnia, kiedy zachodzi taka potrzeba.

Jest to możliwie dzięki występowaniu wiązania kooperatywnego.

Kiedy do hemoglobiny przyłączy się jedna cząsteczka

tlenu -- jedna cząsteczka tlenu wiąże się

tutaj -- to kształt białka zmienia się w ten sposób, że

rośnie następne cząsteczki będą się wiązały znacznie łatwiej.

Jedna przyłączona cząsteczka sprawia,

że pozostałe przyłączą się łatwiej.

Mówicie pewnie - w porządku,

dzięki temu hemoglobina to dobry akceptor tlenu,

kiedy podróżuje w krwinkach przez naczynia włosowate w płucach,

a tlen dyfunduje do nich z pęcherzyków płucnych.

To wszystko sprawia, że hemoglobina świetnie wiąże tlen,

ale skąd "wie", kiedy go uwolnić?

To ciekawe pytanie.

Nie ma przecież oczu czy GPS-a, który powiedziałby,

że ktoś właśnie biega, produkuje dużo

dwutlenku węgla, który trafia do naczyń włosowatych,

i nasz biegacz potrzebuje dużo tlenu uwolnionego do naczyń włosowatych

otaczających mięsień czworogłowy uda.

Krwinka musi dostarczyć tlen.

Ale "nie zdaje sobie sprawy", że jest w mięśniu czworogłowym.

Skąd hemoglobina "wie", że ma uwolnić tlen właśnie tutaj?

"Wiedza" hemoglobiny jest wynikiem zjawiska inhibicji allosterycznej (allosteryczne spowalnianie reakcji).

To dosyć skomplikowane słowo, ale zasada

jest w miarę prosta.

Jeżeli coś jest allosteryczne -- to pojęcie jest często

używane w odniesieniu do enzymów -- to znaczy, że mówimy

o wiązaniu cząsteczek do różnych części.

"Allo" znaczy "inny", "obcy".

Wiążemy coś do innych części białka czy enzymu,

a enzymy to po prostu białka, i to wiązanie

wpływa na dotychczasowe właściwości

białka czy enzymu.

Hemoglobina jest inhibowana allosterycznie

przez dwutlenek węgla i przez protony.

Dwutlenek węgla wiąże się do innych części

hemoglobiny -- nie znam dokładnie

tych miejsc -- mogą też wiązać się protony.

Pamiętajcie, że wysoka kwasowość oznacza

duże stężenie protonów.

Jeżeli mamy kwaśne środowisko, to protony będą się wiązały do hemoglobiny.

Zaznaczę protony na różowo.

Protony to atomy wodoru pozbawione elektronów.

Protony mogą się wiązać do określonych miejsc białka

i to sprawia, że grupy hemowe nie mogą utrzymać wiązania z tlenem.

W obecności dużej ilości dwutlenku węgla

czy w kwaśnym środowisku, hemoglobina uwolni

związany tlen.

A przy okazji, będzie to doskonały moment

na uwolnienie tlenu.

Wróćmy do naszego biegacza.

Komórki jego mięśnia czworogłowego uda

są niezwykle aktywne.

I uwalniają bardzo dużo dwutlenku węgla

do naczyń włosowatych.

W tym miejscu naczynia włosowate odchodzą od tętnic i przechodzą w żyły

i potrzebują dużo tlenu. To świetny moment, żeby

hemoglobina uwolniła tlen.

To dobrze, że hemoglobina jest allosterycznie inhibowana

akurat przez dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla wiąże się do określonych miejsc na białku,

a hemoglobina uwalnia tlen tam, gdzie akurat

jest potrzebny.

Zaraz, zaraz, powiecie.

A co z kwaśnym środowiskiem?

Co ono ma do rzeczy?

Okazuje się, że większość dwutlenku węgla

rozpuszcza się w wodzie.

Rozpuszcza się.

Dostaje się do osocza, rozpuszcza się w nim

i tworzy słaby kwas węglowy.

Napiszę tutaj wzór.

Jeśli macie trochę dwutlenku węgla i zmieszacie go z wodą,

a większość naszej krwi, osocze -- to w dużej mierze woda.

Mamy więc trochę dwutlenku węgla i rozpuszczamy go

w wodzie. Dzieje się to w obecności enzymu, który

znajduje się w erytrocytach.

Ten enzym to anhydraza węglanowa.

Zajdzie reakcja chemiczna i dostaniemy

kwas węglowy.

Dostaniemy H2CO3.

Wszystko jest zbilansowane.

Mamy trzy atomy tlenu, dwa wodoru i jeden węgla.

Kwas węglowy jest kwaśny, ponieważ łatwo

oddaje protony.

Kwasy dysocjują w wodzie na jon zasadowy (taki, który może przyjąć protony)

oraz protony.

Kwas węglowy dysocjuje bardzo łatwo.

To kwas, ale zdysocjowany występuje

w stanie równowagi.

Jeżeli coś z tego jest dla Was niejasne albo

chcecie poznać więcej szczegółów na ten temat, to obejrzyjcie

filmiki z chemii o dysocjacji i ustalaniu się równowagi reakcji.

Od cząsteczki kwasu odłącza się jeden z atomów wodoru,

ale nie cały, tylko sam proton, a w cząsteczce pozostaje elektron.

Mamy wobec tego dodatnio naładowany proton wodoru,

a w cząsteczce pozostanie drugi atom wodoru.

To, co zostało z cząsteczki kwasu węglowego po odłączeniu protonu, to jon wodorowęglanowy.

Ale z cząsteczki odłączył się tylko proton, pozostał w niej elektron,

czyli mamy tu znak minus.

Cały ładunek (dodatniego protonu i anionu wodorowęglanowego) sumuje się tutaj

do nienaładowanej cząsteczki.

Jeżeli znajdujemy się w naczyniu włosowatym nogi,

zaraz je narysuję.

Jesteśmy w naczyniu włosowatym nogi.

Zaznaczę to jakimś neutralnym kolorem.

To jest naczynie włosowate w mojej nodze.

Zrobiłem zbliżenie części tego naczynia.

Naczynie wielokrotnie się rozgałęzia.

A tutaj mam parę komórek mięśniowych,

które wytwarzają mnóstwo dwutlenku węgla

i potrzebują tlenu.

Co się wówczas stanie?

Tędy płynie krew z czerwonymi krwinkami.

To bardzo ciekawe, bo średnica erytrocytów

jest 25% większa niż przekrój najmniejszych naczyń włosowatych.

Czyli krwinki muszą się przeciskać przez

małe naczynia. Wiele osób uważa, że to przeciskanie

intensyfikuję wymianę zawartości krwinek, czyli też

oddawanie tlenu.

Mamy tutaj krwinkę, która właśnie do nas płynie.

Przeciska się tutaj przez naczynie włosowate.

Zawiera w sobie trochę hemoglobiny -- właściwie wiemy, ile

to "trochę" może oznaczać -- każda krwinka niesie

270 milionów cząsteczek hemoglobiny.

Jeśli zsumowalibyśmy zawartość hemoglobiny w całym naszym ciele,

to będzie jej bardzo dużo, bo mamy w sumie

20-30 bilionów czerwonych krwinek.

Każda z tych 20-30 bilionów krwinek

zawiera 270 milionów cząsteczek hemoglobiny.

Mamy więc na prawdę dużo tego białka.

To było trochę -- czerwone krwinki

stanowią mniej więcej 25% wszystkich

komórek w naszym ciele.

A mamy ich wszystkich w sumie około 100 bilionów

albo trochę więcej.

Oczywiście sam nigdy ich nie liczyłem.

W każdym razie, mamy 270 milionów cząsteczek hemoglobiny

w każdej czerwonej krwince -- to wyjaśnia, czemu

w erytrocytach zanika jądro -- po to, żeby było miejsce

na całą hemoglobinę.

Hemoglobina przenosi tlen.

Tutaj mamy do czynienia

z tętnicą, prawda?

Prowadzi krew "od serca".

Krwinka wędruje w tym kierunku, później

uwalnia tlen i naczynie włosowate

staje się żyłą.

W dalszych wydarzeniach odegra rolę nagromadzony tu dwutlenek węgla.

Stężenie dwutlenku węgla jest bardzo wysokie

w komórce mięśniowej.

W końcu, dzięki różnicom stężeń --

zaznaczę to tym samym kolorem -- dwutlenek węgla trafia do osocza

i część gazu przechodzi przez błonę komórkową

erytrocytu do środka krwinki.

Wewnątrz czerwonych krwinek znajduje się anhydraza węglanowa.

Przy jej udziale dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie

i tworzy kwas węglowy, który dysocjuje

i uwalnia protony.

Te protony, jak już wiemy, mogą allosterycznie

inhibować, ograniczać pobieranie tlenu przez hemoglobinę.

Protony wiążą się do różnych części białka,

dwutlenek węgla, który utworzył kwasu węglowego,

też może allosterycznie inhibować wiązanie tlenu.

Też przyłącza się do różnych części hemoglobiny.

To prowadzi do zmiany kształtu hemoglobiny, w taki sposób,

że nie może już silnie wiązać tlenu

i zaczyna go uwalniać.

Mamy tu do czynienia z wiązaniem kooperatywnym, im więcej

cząsteczek tlenu jest związanych, tym łatwiej przyłączane są

następne. Odwrotna sytuacja zachodzi,

kiedy cząsteczki tlenu są uwalniane -- im więcej uwolnionych, tym trudniej

utrzymać pozostałe.

W końcu uwalniają się wszystkie cztery cząsteczki tlenu.

Według mnie, to jest świetny mechanizm,

ponieważ tlen jest uwalniany dokładnie tam,

gdzie go potrzeba.

To nie tak, że białko "wie", że właśnie opuściło tętnicę

i weszło do żyły.

Może właśnie przeszło przez jakieś naczynia włosowate

i trafi z powrotem do żyły.

Więc zaraz uwolni swój tlen, bo inaczej

będzie go uwalniać, gdzie popadnie, po całym organizmie.

Nie, ten mechanizm, dzięki allosterycznej inhibicji

przez dwutlenek węgla i kwaśne środowisko, umożliwia

uwalnianie tlenu dokładnie tam, gdzie jest on najbardziej potrzebny,

tam, gdzie jest najwięcej dwutlenku węgla, gdzie oddychanie komórkowe

zachodzi najintensywniej.

To na prawdę fascynujący mechanizm.

Żeby go lepiej zrozumieć,

mam tutaj wykres pokazujący, ile tlenu

może pobrać hemoglobina, jak bardzo może być nim wysycona.

Możecie go zobaczyć na lekcji w szkole, więc

dobrze jest go zrozumieć.

Mamy tu oś x, czyli oś poziomą, na której

zaznaczono ciśnienie parcjalne tlenu.

Jeśli oglądaliście wykłady z chemii o ciśnieniu

parcjalnym, wiecie, że oznacza ono,

jak często zderzysz się z cząsteczką tlenu.

Ciśnienie powstaje, kiedy gazy czy cząsteczki wpadają na Ciebie.

To nie muszą być gazy, po prostu cząsteczki

wpadające na Ciebie.

Ciśnienie parcjalne tlenu to częstość takich zderzeń,

wywoływanych przez cząsteczki tlenu

wpadające na Ciebie.

Możecie sobie wyobrazić, że jeśli przesuwamy się w prawo,

to otacza nas coraz więcej tlenu i zderzenia z jego cząsteczkami

będą coraz częstsze.

Ten parametr mówi nam, jak dużo jest tlenu,

gdy przesuwamy się w prawo na osi.

Pionowa oś mówi nam, jak bardzo wysycone tlenem

są cząsteczki hemoglobiny.

100% oznacza, że wszystkie grupy hemu w cząsteczce

hemoglobiny (czyli cztery) związały tlen.

Zero oznacza, że cząsteczki nie wiążą tlenu. W środowisku

z małą zawartością tlenu -- to pokazuje działanie wiązań

kooperatywnych -- załóżmy, że mamy do czynienia

ze środowiskiem z niewielką ilością tlenu.

Kiedy przyłączy się trochę tlenu, wiązanie kolejnych cząsteczek

jest już znacznie prostsze i może zachodzić częściej.

Kiedy tylko trochę -- to dlatego krzywa jest taka stroma.

Nie chcę zagłębiać się tutaj w całki i różniczki, ale

widzicie, że najpierw mamy płaski fragment,

a potem nachylenie rośnie.

Kiedy związany zostanie tlen, to sprawia, że łatwo

przyłączy się go więcej.

W którymś momencie, cząsteczkom tlenu jest coraz trudniej trafić

we właściwe, nie zajęte jeszcze cząsteczki hemoglobiny,

ale tu widzicie, że cały proces wiązania wyraźnie przyspiesza.

Jeżeli mamy kwaśne środowisko, w którym znajduje się

dużo dwutlenku węgla, który allosterycznie inhibuje

hemoglobinę, to nie będzie już tak łatwo.

W kwaśnym środowisku ta krzywa, niezależnie od

ciśnienia parcjalnego, czyli ilości dostępnego tlenu --

-- będziemy mieć znacznie mniej hemoglobiny związanej z tlenem.

Narysuję to innym kolorem.

Wtedy ta krzywa będzie wyglądać tak.

Krzywa wysycenia hemoglobiny będzie wyglądać tak.

To krzywa w środowisku kwaśnym.

Może znajduje się w nim także dwutlenek węgla.

Hemoglobina jest allosterycznie inhibowana,

więc w tym miejscu bardziej prawdopodobne jest uwalnianie tlenu.

No nie wiem,

nie wiem, czy było to dla Was interesujące, ale dla mnie

to niezwykłe, bo to najprostszy sposób,

żeby uwalniać tlen dokładnie tam, gdzie jest potrzebny.

Bez GPS-u, bez robotów, które mówiłyby "jesteś w mięśniu

czworogłowym, a ten facet właśnie biega.

Wyrzućcie tlen".

Wszystko to dzieje się naturalnie, ponieważ mamy bardziej kwaśne

środowisko, z większą ilością dwutlenku węgla.

Wiązanie tlenu jest inhibowane, spowalniane, i uwalniany jest tlen,

gotowy do wykorzystania podczas oddychania komórkowego.