Lhemoglobina (abreujada com a Hb o Hgb) és la proteïna que transporta l'oxigen i conté ferro. Es troba als glòbuls vermells dels vertebrats, i als teixits d'alguns invertebrats.
En mamífers, la proteïna constitueix aproximadament un 97% del contingut sec del glòbul vermell, i al voltant d'un 35% del contingut total (incloent-hi aigua). L'hemoglobina transporta oxigen des dels pulmons o brànquies fins a la resta del cos (i.e. els teixits) on allibera l'oxigen per a l'ús de les cèl·lules. També té més varietat de funcions transport de gas i modulació que varien d'espècie a espècie, i són bastant diversos en alguns invertebrats. Per exemple, l'hemoglobina transporta CO₂ de tornada des dels teixits fins als pulmons.
L'hemoglobina té una capacitat d'unió a l'oxigen d'entre 1.36 i 1.37 ml O₂ per gram d'hemoglobina, que augmenta la capacitat de plegament d'oxigen total en sang setanta vegades.
L'hemoglobina es troba als eritròcits incloent-hi les neurones d'A9 dopaminèrgic a la substància negra, macròfags, cèl·lules alveolars, i cèl·lules mesangials del ronyó. En aquests teixits, no té la funció de transportador d'oxigen, sinó que actua com a antioxidant i regulador del metabolisme del ferro.Biagioli M, Pinto M, Cesselli D, Zaninello M, Lazarevic D, Roncaglia P, Simone R, Vlachouli C, Plessy C, Bertin N, Beltrami A, Kobayashi K, Gallo V, Santoro C, Ferrer I, Rivella S, Beltrami CA, Carninci P, Raviola E, Gustincich S. (2009). Unexpected expression of {alpha}- and {beta}-globin in mesencephalic dopaminergic neurons and glial cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106:15454–15459.
Història de la investigació La proteïna transportadora d'oxigen hemoglobina va ser descoberta per Friedrich Ludwig Hünefeld el 1840. El 1851, Otto Funke publicava una sèrie d'articles en els quals descrivien creixement successiu de cristalls a l'hemoglobina que es diluïen als glòbuls vermells, amb un dissolvent com aigua pura, alcohol o èter, seguit per l'evaporació lenta del dissolvent des de la proteïna resultant de la solució.
L'oxigenació reversible d'hemoglobina era descrita uns anys més tard per Felix Hoppe-Seyler. El 1959 Max Perutz determinava l'estructura molecular de l'hemoglobina per cristal·lografia de raig X. Aquesta feina va ser el resultat de la seva participació amb John Kendrew el Premi Nobel de 1962 en Química.
La funció de l'hemoglobina a la sang va ser descobert pel fisiòleg Claude Bernard. El nom de l'hemoglobina ve de la unió d'hemo i globina, reflectint el fet que cada subunitat d'hemoglobina és una proteïna globular amb un grup hemo integrat. Cada grup d'hemo conté un àtom de ferro, que pot lligar una molècula d'oxigen a través d'enllaços iònics. El tipus més freqüent d'hemoglobina als mamífers conté quatre d'aquestes subunitats.
Genètica Les seqüències d'hemoglobina difereixen entre espècies. Fins i tot dins d'una mateixa espècie, existeixen diferents variants d'hemoglobina. Per exemple, mutacions als gens de la proteïna hemoglobina en una espècie, és el resultat de variants d'hemoglobina,A Syllabus of Human Hemoglobin Variants (1996) algunes d'aquestes formes mutants d'hemoglobina causen un grup de malalties hereditàries anomenades hemoglobinopaties. La més coneguda és malaltia de les cèl·lules falciformes, que va ser la primera malaltia humana que es va entendre el seu mecanisme a nivell molecular. Un conjunt separat de malalties anomenades talassèmies impliquen una subproducció d'hemoglobina normal i a vegades hemoglobines anormals, durant problemes i mutacions en la regulació del gen de la globina. Totes aquestes malalties produeixen anèmia.
Els estudis recents han suggerit variants genètiques en ratolins cérvol que explica com els ratolins cérvol que viuen a les muntanyes poden sobreviure en el poc aire que acompanya altituds altes. Una investigació de la Universitat de Lincoln a Nebraska va trobar mutacions a quatre gens diferents que poden explicar diferències entre ratolins cérvol que viuen en prats baixos i els que viuen a les muntanyes. Després d'examinar els ratolins salvatges capturats tant a altes com a baixes altituds, es trobava que els gens de les dues races són «virtualment idèntics exceptuant la capacitat de transportar oxigen de la seva hemoglobina». «La diferència genètica permet als ratolins de grans altituds fer un ús més eficaç del seu oxigen», ja que n'hi ha menys quantitat disponible, com els de les muntanyes.Reed, Leslie. "Adaptation found in mouse genes." Omaha World-Herald 11 Aug. 2009: EBSCO. Web. 30 Oct. 2009.
Síntesi L'hemoglobina (Hb) se sintetitza per una sèrie complexa de passos. La part hemo se sintetitza en una sèrie de passos als mitocondris i al citosol dels glòbuls vermells immadurs, mentre que les parts de la proteïna globina són sintetitzades per ribosomes al citosol. La producció de Hb continua a la cèl·lula durant el seu primer desenvolupament des del proeritroblast fins al reticulòcit a la medul·la òssia. En aquest punt, el nucli es perd als glòbuls vermells dels mamífers, però no en ocells i moltes altres espècies. Fins i tot després de la pèrdua del nucli als mamífers, el RNA ribosòmic residual permet la síntesi de Hb fins que el reticulòcit perdi el seu RNA després d'entrar a la vasculatura (aquesta hemoglobina sintetitzadora d'RNA dona al reticulòcit el nom i l'aparença de reticulat).
Estructura miniatura|grup Hemo b L'hemoglobina té les característiques de les dues estructures terciàries i quaternàries de les proteïnes. La majoria dels aminoàcids d'hemoglobina tenen forma d'hèlix alfa, connectades per segments no helicoidals curts.van Kessel et al. "2.4 Proteins - Natural Polyamides." Chemistry 12. Toronto: Nelson, 2003. 122. Print. Els ponts d'hidrogen estabilitzen les seccions helicoidals d'aquesta proteïna, provocant atraccions amb la molècula, plegant cada cadena polipeptídica d'una manera específica."Hemoglobin Tutorial." University of Massachusetts Amherst. N.p., n.d. Web. 23 Oct. 2009. <http://www.umass.edu/molvis/tutorials/hemoglobin/index.htm>. L'estructura quaternària d'hemoglobina ve donada per les seves quatre subunitats tetraèdricament.
En la majoria dels humans, la molècula d'hemoglobina és un conjunt de quatre subunitats de proteïna globulars. Cada subunitat es compon d'una cadena de proteïna lligada estretament a un grup d'hemo. Cada cadena de proteïna connecta un conjunt de segments estructurals d'hèlix d'alfa que estan units en un plegament de globina, anomenats així perquè és mateix plegament utilitzat en unes altres proteïnes d'hemoglobina com la mioglobina.name = "Steinberg_2001_95"> Aquest patró de plegament conté una cavitat que lliga fortament amb el grup hemo.
Un grup d'hemo consta d'un catió ferro (2+) (Fe2+) que s'aguanta en un anell heterocíclic, conegut com a porfirina. L'anell de porfirina consta de quatre molècules pirròliques cícliques connectades juntament amb l'ió ferro lligat al centre."Hemoglobin." School of Chemistry - Bristol University - UK. N.p., n.d. Web. 12 Oct. 2009. <http://www.chm.bris.ac.uk/motm/hemoglobin/hemoglobjm.htm>. L'ió ferro, és el lloc d'unió amb l'oxigen (i.e. transporta l'oxigen i CO₂ per la sang), es coordina amb els quatre nitrògens en el centre de l'anell, tots estan en un únic pla. El ferro es lliga fortament a la proteïna globular mitjançant l'anell d'imidazole del residu F8 d'histidina sota l'anell de porfirina. Una sisena posició pot revertir l'oxigen lligat coordinant-se amb un enllaç covalent,WikiPremed > Coordination Chemistry Retrieved on July 2, 2009 completant el grup d'octaèdric de sis lligands. La unió d'oxigen es fa amb una geometria «doblegada a l'extrem de sobre» on un àtom d'oxigen lliga Fe i altres sobresortint d'aquell angle. Quan no es lliga l'oxigen, una molècula d'aigua unida molt dèbilment omple el lloc, formant un octàedre distorsionat.
El ió ferro pot estar en l'estat Fe2+ o l'estat Fe3+, però ferrihemoglobina (methemoglobina) (Fe3+) no pot lligar oxigen. Lligant, l'oxigen temporalment s'oxida (Fe2+) a (Fe2+), així el ferro ha d'existir en l'estat d'oxidació +2 per poder lligar oxigen. L'enzim metahemoglobina reductasa reactiva hemoglobina trobada en estat inactiu (Fe3+) reduint el centre de ferro.
En humans adults, el tipus d'hemoglobina més comú és un tetràmer (que conté 4 subunitats de proteïnes) anomenada hemoglobina A, consta de dues subunitats α i dues subunitats β fita no enllaçades covalentment, formades per 141 i 146 residus d'aminoàcids, respectivament. Això s'expressa com α₂β₂. Les subunitats són estructuralment similars i tenen la mateixa mida. Cada subunitat té un pes molecular d'aproximadament 17 000 daltons, per un pes molecular total del tetràmer de vora 68 000 daltons (64 458 g/mol). 1 g/dL = 0,6206 mmol/L. L'hemoglobina A és la que s'estudia més intensament de les molècules d'hemoglobina.
La molècula d'hemoglobina està feta de 2 cadenes α i 2 cadenes γ. Les cadenes γ es canvien gradualment per cadenes β com quan creix un nen."Hemoglobin". MedicineNet. N.p., n.d. Web. 12 Oct. 2009.
Les quatre cadenes polipeptídiques estan unides per ponts salins, ponts d'hidrogen, i interaccions hidròfobes. Hi ha dues classes de connexions entre la cadena α i la β: α₁β₁ i α₁β₂.
Saturació/des-saturació d'oxigen En general, l'hemoglobina es pot saturar amb molècules d'oxigen (oxihemoglobina), o desaturar amb molècules d'oxigen (desoxihemoglobina)."Hemoglobin Home." Biology @ Davidson. N.p., n.d. Web. 12 Oct. 2009. <http://www.bio.davidson.edu/Courses/Molbio/MolStudents/spring2005/Heiner/hemoglobin.html>.
Oxihemoglobina L'oxihemoglobina es forma durant respiració, quan l'oxigen es lliga al component hemo de la proteïna hemoglobina dels glòbuls vermells. Aquest procés ocorre als capil·lars pulmonars adjacents als alvèols pulmonars. L'oxigen viatja a través del corrent sanguini per ser portat a les cèl·lules on s'utilitza en la glucòlisi aeròbica i per la producció d'ATP amb el procés de fosforilació oxidativa. No ajuda, tanmateix, a contrarestar una disminució del pH de la sang. La ventilació, o respiració, pot invertir aquesta condició per eliminació del diòxid de carboni, així provocant un canvi augmentant el pH.
Desoxihemoglobina La desoxihemoglobina és la forma d'hemoglobina sense oxigen unit. Els espectres d'absorció d'oxihemoglobina i desoxihemoglobina són diferents. L'oxihemoglobina té una absorció significativament més baixa 660nm de longitud d'ona, mentre que la desoxihemoglobina, la seva absorció és una mica més alta, 940 nm. Això explica el color vermell d'hemoglobina i el color blau de la desoxihemoglobina. Aquesta diferència s'utilitza per mesurar la quantitat d'oxigen a la sang dels pacients, amb un instrument anomenat pulsoxímetre.
L'estat d'oxidació del ferro a oxihemoglobina Assignar l'oxigenació d'hemoglobina a un estat oxidat és difícil perquè l'oxihemoglobina (Hb-O₂), per mesures experimentals, és diamagnètic (cap parella d'electrons desaparellats), tot i així les baixes energies de les configuracions d'electrons tant en oxigen com en ferro són paramagnètics (suggerint com a mínim un electró desaparellat al complex). Les formes d'oxigen d'energia baixes i els dos estats d'oxidació de ferro, són aquests:
Triplet d'oxigen, l'espècie d'oxigen molecular d'energia més baixa, té dos electrons desaparellats als orbitals moleculars d'anticossos π*. Ferro(II) tendeix a existir en una configuració d'espín↑ on els parells d'electrons desaparellats existeixen als Eg orbitals d'anticossos. Ferro(III) té un nombre senar d'electrons, i ha de tenir un o més d'una parella d'electrons desaparellats, en qualsevol estat d'energia. Totes aquestes estructures són paramagnètiques (tenen electrons desaparellats), no diamagnètics. Així, una distribució no intuïtiva d'electrons en la combinació del ferro i oxigen existeix, per explicar el diamagnetisme observat i cap electró desaparellat.