TOATE REFERATELE - ADAUGA REFERAT

HEMOGLOBINA - Chimie

HEMOGLOBINA

 

 

Hemoglobina este o proteină cu fier care intră în componenţa globulelor roşii ale sângelui, dându-i acestuia culoarea sa roşie, şi transportă oxigenul, dioxidul de carbon şi oxidul nitric. Hemoglobina este prezentă în corpul tuturor animalelor, cu excepţia celor mai puţin complexe. Ea transportă oxigenul de la plămâni sau de la branhii, acolo unde sângele este oxigenat, către toate celulele corpului. Când este saturată cu oxigen, hemoglobina este numită oxihemoglobină. După eliberarea oxigenului către ţesuturi, hemoglobina îşi inversează funcţia şi se încarcă cu dioxid de carbon, produsul rezidual rezultat în urma respiraţiei celulare, pentru a-l transporta către plămâni, unde va fi expirat. Când este saturată cu dioxid de carbon, hemoglobina este cunoscută drept carboxihemoglobină.

În 1996 cercetătorii au descoperit că, în contact cu oxigenul şi dioxidul de carbon, hemoglobina formează şi eliberează un al treilea gaz – oxidul nitric. Acesta joacă un rol important în reglarea presiunii sângelui prin relaxarea pereţilor vaselor de sânge, mărindu-le astfel debitul. Hemoglobina controlează dilatarea şi contracţia vaselor de sânge, şi implicit presiunea sângelui, prin reglarea cantităţii de oxid nitric la care sunt expuse acestea.

Hemoglobina este conţinută în întregime în globulele roşii, deţinând până la 35% din greutatea acestora. Pentru a se combina corespunzător cu oxigenul, globulele roşii trebuie să conţină cantitatea adecvată de hemoglobină. Aceasta, la rândul ei depinde de prezenţa fierului pentru a se forma. Lipsa de fier din corp împiedică producerea hemoglobinei şi duce la anemie.                                                                          
Hemoglobina transportă o cantitate de oxigen de 20 de ori mai mare decât volumul propriu. Unele substanţe chimice, cum ar fi monoxidul de carbon reacţionează atât de bine cu hemoglobina încât aceasta nu se mai poate combina cu oxigenul şi este provocată asfixierea.                   
După o viaţă de circa 120 de zile, globulele roşii ale sângelui sunt distruse în splină sau pe parcursul circulaţiei iar hemoglobina este descompusă în constituenţii săi, inclusiv fierul, care intră în alcătuirea noilor celule sangvine produse în măduva oaselor.
Când se produce o lezare a vaselor de sânge (în cazul unor julituri) globulele roşii sunt eliberate şi pătrund în ţesut unde sunt descompuse. Hemoglobina este transformată în pigmenţi, a căror culoare duce la apariţia zgârieturilor.
 Alterarea structurii hemoglobinei poate duce la boli care ameninţă viaţa.

 

                                                                                
 Structura unui Ãaminoacid
Structura primară a
unei proteine  ð
(formarea  lanţului peptidic)

Molecula Hemoglobinei

 

Molecula hemoglobinei din globulele roşii ale sângelui transportă oxigenul de la plămâni către celulele din întregul corp. La sfârşitul anilor `30 biochimistul britanic de origine austriacă Max F. Perutz a început să examineze structura complexă a  moleculei acestei proteine folosind o tehnică cunoscută drept cristalografie cu raze X. Până în 1960 el a reuşit să determine structura tridimensională a proteinei. Pentru acest merit, în 1962 a fost distins cu Premiul Nobel în chimie. Perutz îşi descrie studiul într-un articol apărut în 1964 în revista Scientific American.                                                                                                                                                                                       

 

   

Molecula Hemoglobinei

 

Cei 10 000 de atomi sunt grupaţi în patru lanţuri, fiecare reprezentând o spirală cu câteva spire. Molecula are o anumită formă când transportă oxigen şi una puţin diferită când nu îndeplineşte acest rol.

 

Aşezarea celor patru lanţuri din structura hemoglobinei este foarte asemănătoare cu cea a catenei unice a mioglobinei, o proteină care poate transporta oxigen, găsită în muşchi. Corelarea între structura celor două proteine permite determinarea destul de precisă, numai prin metode fizice, a locului unde se află fiecare aminoacid din compoziţia hemoglobinei relativ cu aşezarea spirelor moleculei sale. Dacă două proteine arată la fel ele ar trebui să aibă compoziţii asemănătoare. Asta înseamnă că în mioglobina şi himoglobina prezente în toate animalele vertebrate cele 20 de tipuri diferite de aminoacizi esenţiali ar trebui să fie prezente în acelaşi raport şi să fie aranjate într-o ordine asemănătoare.

Numai prin metode fizice nu se poate totuşi determina poziţia exactă a fiecăruia dintre cele 20 de tipuri de aminoacizi. Această informaţie a fost furnizată de cercetătorii din Statele Unite şi din Germania care au determinat secvenţa celor 140 de aminoacizi de-a lungul fiecărui lanţ. Combinarea rezultatelor celor două studii asigură o imagine precisă a  numeroaselor feţe ale moleculei hemoglobinei.
Prin comportamentul său hemoglobina se aseamănă mai degrabă cu un plămân molecular decât cu un rezervor de oxigen. Două dintre cele patru lanţuri se deplasează înainte şi înapoi în aşa fel încât distanţa dintre ele se micşorează când molecule de oxigen sunt ataşate de cea a hemoglobinei şi se măreşte când oxigenul este eliberat. Dovezi că activităţile chimice ale hemoglobinei şi ale altor proteine sunt însoţite de modificări structurale mai fuseseră descoperite, dar era pentru prima oară când natura acestor modificări era demonstrată în mod direct. Schimbarea formei te duce cu gândul la o moleculă care respiră, dar în mod paradoxal ea se măreşte când eliberează oxigenul şi nu când îl înmagazinează.

 

Funcţionarea hemoglobinei

 

            Hemoglobina este principala componentă a globulelor roşii ale sângelui, care transportă oxigenul de la plămâni prin artere către ţesuturi şi ajută la aducerea dioxidului de carbon prin vene înapoi la plămâni. O singură globulă roşie conţine circa 280 de milioane de molecule de hemoglobină. Fiecare moleculă are  de 64 500 de ori  greutatea unui atom de hidrogen şi este alcătuită din circa 10 000 de atomi de hidrogen, carbon, nitrogen, oxigen şi sulf, plus patru atomi de fier, care sunt mai importanţi decât toţi ceilalţi. Fiecare atom de fier se află în centrul grupului de atomi care formează pigmentul denumit hem, cel care îi dă sângelui culoarea sa roşie şi abilitatea de a reacţiona cu oxigenul. Fiecare grup hem este înconjurat într-unul dintre cele patru lanţuri de aminoacizi care alcătuiesc laolaltă partea proteică a moleculei, care este numită globină. Cele patru lanţuri de globină sunt formate din două perechi identice. Membri unei perechi sunt cunoscuţi ca lanţuri alfa iar ceilalţi sunt cunoscuţi ca lanţuri beta. Cele patru la un loc au în total 574 de aminoacizi.

În absenţa unui transportator de oxigen un litru de sânge arterial la temperatura corpului ar putea dizolva şi transporta mai puţin de trei mililitri de oxigen. Prezenţa himoglobinei măreşte această cantitate de 70 de ori. Fără hemoglobină animalele mari nu ar obţine oxigen suficient pentru a putea trăi. Asemănător, hemoglobina e responsabilă cu înmagazinarea a peste 90% din dioxidul de carbon transportat de sângele venos.

Fiecare dintre cei patru atomi de fier din molecula hemoglobinei poate prelua o moleculă (doi atomi) de oxigen. Reacţia este reversibilă: oxigenul este înmagazinat acolo unde se găseşte din belşug, adică în plămâni, şi este eliberat unde lipseşte, în ţesuturi. Reacţia este însoţită de o schimbare a culorii: hemoglobina care conţine oxigen, cunoscută ca oxihemoglobină, face ca sângele arterial să fie roşu aprins; cea redusă, fără oxigen, îi dă sângelui venos culoare purpurie. Termenul „redusă” este folosit incorect deoarece sensul său propriu îi spune unui chimist că la un atom sau la un grup de atomi au fost adăugaţi electroni. De fapt, după cum James B. Conant de la Universitatea Harvard a demonstrat în 1923, atomii de fier din ambele tipuri de hemoglobină se află în aceeaşi stare electrică: starea divalentă sau feroasă. Ei oxidează, trecând în starea trivalentă sau ferică dacă hemoglobina este tratată cu o cianură ferică sau este extrasă din globulele roşii şi este expusă aerului pentru o perioadă mai lungă, precum şi în cazul unor boli ale sângelui. În aceste condiţii hemoglobina devine maro şi este cunoscută ca methemoglobină sau ferihemoglogină.

Fierul feros capătă capacitatea de a forma legături cu oxigenul molecular numai prin combinarea sa cu hemul şi globina. Hemul nu va reacţiona singur cu oxigenul, dar mediul chimic specific al globinei face combinaţia posibilă.

Funcţia globinei nu se rezumă la atât. Ea permite celor patru atomi de fier din fiecare moleculă să interacţioneze avantajos din punct de vedere fiziologic. Combinarea oricăror trei dintre aceştia cu oxigenul accelerează şi reacţia celui de-al patrulea de câteva sute de ori; asemănător, eliberarea oxigenului de trei dintre atomii de fier grăbeşte procesul şi pentru cel rămas. Prin tendinţa de a face ca fiecare moleculă de hemoglobină să transporte fie patru molecule de oxigen fie nici una, această interacţiune determină transportul eficient al oxigenului.

Hemoglobina joacă de asemenea un rol important în ducerea dioxidului de carbon de la ţesuturi la plămâni. Acest gaz nu este purtat de atomii de fier şi numai o parte din el este legat direct de globină; marea majoritate este preluat de globulele roşii şi de lichidul noncelular din sânge sub forma bicarbonatului. Transportul bicarbonatului este facilitat de dispariţia unui grup acid din hemoglobină pentru fiecare moleculă de oxigen descărcată. Reapariţia acestuia  când oxigenul este preluat din nou în plămâni pune în mişcare o serie de reacţii chimice care duc la eliminarea dioxidului de carbon. Pe de altă parte, prezenţa bicarbonatului şi a acidului lactic în ţesuturi accelerează eliberarea oxigenului.

Respiraţia pare să fie un proces simplu, totuşi se pare că această formă elementară de manifestare a vieţii îşi datorează existenţa relaţiilor care se stabilesc între numeroasele tipuri de atomi dintr-o moleculă gigantă extrem de complexă. Elucidarea structurii moleculei poate dezvălui nu numai cum arată aceasta ci şi cum funcţionează.

Mioglobina, o proteină asemănătoare hemoglobinei este mai simplă decât aceasta deoarece este formată dintr-o singură catenă de aminoacizi şi un singur grup hem, care se leagă numai cu o moleculă de oxigen. Reacţia complexă implicată de funcţia dublă a hemoglobinei ca transportator de oxigen şi de dioxid de carbon nu se întâlneşte şi în cazul mioglobinei care nu acţionează decât ca simplu depozit de oxigen. Fiecare dintre cele patru lanţuri ale hemoglobinei are o formă foarte asemănătoare cu cel unic al mioglobinei. Lanţul beta şi mioglobina sunt identice, pe când lanţul alfa diferă faţă de ele numai printr-o scurtătură printr-o buclă mică.

Se pare că aşezarea aparent haotică a atomilor este de fapt un model elaborat pentru menţinerea grupului hem şi pentru a-i permite acestuia să transporte oxigenul.

Lanţul mioglobinei constă dintr-o succesiune de segmente elicoidale întrerupte de colţuri şi de regiuni neregulate. Aceste segmente au geometria spiralei alfa. Grupul hem este inclus într-un pliu al catenei. Atomul de fier este legat cu un atom de azot din aminoacidul histidină.

Hemoglobina fetală, o variantă a formei umane adulte, conţine un lanţ cunoscut drept gama, care este asemănător celui beta.

 

 

Aşezarea celor patru lanţuri

 

Dacă hemoglobina ar fi fost formată din patru lanţuri de atomi identice ele ar fi trebuit să  se afle în colţurile unui tetraedru regulat. Într-un asemenea aranjament fiecare poate fi adus peste unul dintre vecinii săi printr-o rotaţie de 180 de grade faţă de una dintre cele trei axe perpendiculare de simetrie. Din moment ce alfa şi beta sunt diferite din punct de vedere chimic, o asemenea simetrie perfectă nu se poate obţine, dar aranjamentul se aproprie foarte mult de ea. Ca prim pas în asamblarea moleculei două lanţuri alfa sunt aşezate în aproprierea unei axe duble de simetrie, astfel încât o rotaţie de 180 de grade să aducă pe unul peste partenerul său.

Apoi se realizează acelaşi lucru cu cele două lanţuri beta. O pereche, fie ea alfa, este apoi inversată şi aşezată peste cealaltă astfel încât cele patru lanţuri să fie în colţurile unui tetraedru. O adevărată axă dublă de simetrie trece acum vertical prin moleculă şi „pseudo-axe” pe două direcţii perpendiculare pe prima leagă lanţurile alfa de cele beta. În acest fel se obţine un aranjament tetraedric, dar din cauza diferenţelor chimice dintre perechile alfa şi beta tetraedrul nu este regulat.

Rezultatul este o moleculă aproape sferică de dimensiunile 64 ´ 55 ´ 50 angştromi (Å). Este uimitor cum patru unităţi atât de neregulate precum alfa şi beta se pot potrivi atât de bine împreună. Un gol trece prin centrul moleculei deoarece lanţurile de aminoacizi, fiind asimetrice, nu pot intersecta nici o axă de simetrie.

Cea mai neaşteptată caracteristică a oxihemoglobinei este felul în care sunt aranjate cele patru grupuri hem. Conform proprietăţilor lor chimice ele ar trebui să stea laolaltă. În schimb fiecare grup se află într-un compartiment separat pe suprafaţa moleculei. Din acest punct de vedere structura aceasta nu poate explica una dintre cele mai importante proprietăţi fiziologice ale hemoglobinei.

În 1937 Felix Haurowitz, de la Universitatea Germană din Praga, a descoperit un indiciu important pentru explicarea moleculară a acţiunii fiziologice a hemoglobinei. El a pus o probă de cristale de hemoglobină de forma unor ace într-un frigider. Când a scos proba după câteva săptămâni oxigenul fusese consumat de o infecţie bacteriană şi acele de culoare roşu-aprins fuseseră înlocuite de foiţe hexagonale de hemoglobină redusă purpurie. În timp ce Haurowitz observa cristalele la microscop oxigenul a pătruns între cele două lamele provocând dizolvarea foiţelor purpurii şi reformarea acelor. Această transformare l-a convins pe Haurowitz că reacţia hemoglobinei cu oxigenul trebuie să fie însoţită de o schimbare structurală a moleculei hemoglobinei. La mioglobină, pe de altă parte, nu a fost găsită nici o dovadă a producerii aceluiaşi fenomen.

F. J.W. Roughton de la Universitatea din Cambridge sugerează că schimbarea formei oxigenate a hemoglobinei are loc după ce trei dintre cei patru atomi de fier s-au combinat cu oxigenul. Când are loc transformarea viteza combinării celui de-al patrulea atom de fier cu oxigenul este mărită de câteva sute de ori. Nu se ştie încă nimic despre mecanismul atomic care declanşează deplasarea lanţurilor beta, dar există o observaţie interesantă care permite afirmarea faptului că interacţiunea atomilor de fier şi schimbarea structurii nu au loc decât în prezenţa ambelor lanţuri, alfa şi beta.

 

 


Pentru a vedea tot referatul

CLICK AICI

descarcat de 333 ori

nota totala 6.31

autor: cmc


Inscriere in newsletter

Referate liceu (1282)

Ultimele cautari

Cele mai downloadate

 


acasa -
Viata de Student Referate Grile Spiru Haret