Bài giảng Hóa sinh - Chương 11: Hóa học Hemoglobin

Chương 11 Hóa học Hemoglobin 1 Nội dung Đại cương Hemoglobin (Hb) 2 1. ĐẠI CƯƠNG Cromoprotein Protein phức tạp có nhóm ngoại là chất màu • Hemoglobin • Myoglobin • Chlorophyl • Cytocrom • Catalase • Flavoprotein (riboflavin) • Feritin (Fe) • Homocyanin (Cu) Cấu tạo hóa học  Nhân cơ bản là porphin • 4 vòng pyrol đánh số I, II, III, IV (chiều KĐH) • 4 cầu nối methylen ký hiệu a, b, g, d • Nhóm thế trên khung đánh số từ 1 đến 8 Porphyrin Cấu tạo hóa học  Porphyrin = nhân porphin + nhóm thế • Methyl (M) • Acetyl (A) • Propionyl (P) • Vinyl (V) Porphyrin Tính chất  Có màu  Độ tan phụ thuộc số lượng nhóm carboxyl  Tạo phức với kim loại  Tính kiềm yếu (N nhân pyrol) + tính acid (nhóm –COOH mạch nhánh). pHi ~ 3-4.5 Porphyrin 2. HEMOGLOBIN (HB) Kí hiệu: Hb (huyết sắc tố, huyết cầu tố), màu đỏ Hồng cầu người chứa ~ 32% Hb (15g/100 ml máu toàn phần) Vai trò  Vận chuyển O2, CO2  hệ đệm quan trọng Hb - Protein vận chuyển O2 Gồm 2 phần:  Protein thuần: globin (apoprotein)  Nhóm ngoại: hem (nhóm prosthetic) Cấu tạo hóa học Là hợp chất gồm có nhân protoporphyrin IX gắn với sắt hóa trị II (Fe2+) Fe2+ nằm ở trung tâm nối với 4 nguyên tử N của 4 vòng pyrol qua 4 liên kết (2 lk CHT và 2 lk phối trí) Hem Fe2+ còn 2 lk phối trí thẳng góc mp phân tử, mỗi lk 1 phía  Kết hợp globin  Kết hợp O2/CO2 Hem Hem bị oxi hóa thành hematin, khi đó Fe2+ biến thành Fe3+ Hematin kết tinh dạng muối tinh thể clohydrat đặc biệt (tinh thể Hemin hay Teichman). Ứng dụng: xác định vết máu trong pháp y Hem Ở người trưởng thành, globin của Hb A gồm 4 chuỗi polypeptide có cấu trúc bậc I  2 chuỗi α mỗi chuỗi có 141 aa  2 chuỗi β mỗi chuỗi có 146 aa  Các chuỗi gắn với nhau bằng tương tác không cộng hóa trị tạo thành 2 dimer (αβ)1 và (αβ)2 Globin Trong cấu trúc bậc II  chuỗi α tạo nên 7 đoạn xoắn  chuỗi β tạo nên 8 đoạn xoắn  Mỗi đoạn xoắn từ 7 – 20 aa, ký hiệu A,B, C Trong cấu trúc bậc III  Các chuỗi α, β cuộn khúc tại đoạn aa không xoắn  Mỗi chuỗi polypeptid xoắn và cuộn khúc + Hem = tiểu đơn vị của Hb Về mặt không gian  Globin tạo khe kỵ nước  Hem vùi trong khe kỵ nước  Tương tác bằng các lk: • ion • Hydro • Lực Van der waals Globin Mỗi chuỗi polypeptide của globin kết hợp 1 Hem qua 2 liên kết phối trí giữa Fe2+ của Hem với 2 N của nhân imidazol thuộc aa Histidin trong mỗi chuỗi globin  một tiểu đơn vị  His F8: his gần ( kết hợp trực tiếp)  His E7: his xa Cấu trúc của Hemoglobin Globin quyết định đặc tính chủng loại của Hb Các Globin khác nhau do  thành phần và thứ tự sắp xếp của các aa khác nhau  làm thay đổi cấu trúc và tính chất của Hb Các loại Hemoglobin Hb bình thường Hb G Phôi thai Hb P Phôi thai Hb F Bào thai và trẻ sơ sinh Hb A Người trưởng thành Hb A2 2,5% tổng số Hb ở người trưởng thành Các loại Hemoglobin Khác nhau về thành phần aa ở đoạn xoắn F của globin Chuỗi polypetid/Hb Vị trí xoắn F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 Hb A (b) Hb A2 (d) Hb F (g) Phe Phe Phe Ala Ser Phe Thr Gln Gln Leu Leu Leu Ser Ser Ser Glu Glu Glu Leu Leu Leu His His His Cys Cys Cys Hemoglobin bất thường  Sự thay đổi thành phần và thứ tự của các aa trong phân tử Globin  Thay đổi độ tan và độ bền vững của Hb  Ảnh hưởng đến ái lực của Hb đối với oxy cũng như sự vận chuyển oxy đến các tổ chức Hb bất thường gây bệnh lý Các loại Hemoglobin  Glu ở vị trí 6 của chuỗi β được thay bằng val, HC có dạng lưỡi liềm  HC bị phá hủy gây thiếu máu tiêu huyết mãn tính, đau kéo dài, đột quỵ, suy thận  Chẩn đoán: điện di, Hb S chuyển dịch về anod chậm hơn HbA HbS Glu ở vị trí 6 của chuỗi β được thay bằng lysin Hồng cầu có hình bia HbC Fe luôn ở trạng thái Fe3+ tạo methemoglobin máu không chữa được bằng thuốc Hb M α-Thalassemia  bất thường/tổng hợp chuỗi polypeptid α tạo Hb Bart và Hb H  Gây bệnh thiếu máu hồng cầu nhỏ nhược sắc β-Thalassemia  Đột biến/tổng hợp chuỗi β gây bệnh thiếu máu huyết giải  Xảy ra chủ yếu ở vùng Địa Trung Hải Thalassemia Hb bất thường (Hb bệnh lý) HbS (α2 Aβ2 S) Hồng cầu có dạng lưỡi liềm HbC (α2 Aβ2 C) Gây thiếu máu huyết giải nhẹ HbM Hiện tượng tạo methemoglobin máu do Fe luôn ở trạng thái Fe3+ Thalassemia •Bệnh α- thalassemia •Bệnh β- thalassemia Bệnh thiếu máu huyết giải do di truyền xảy ra vì có sự mất cân bằng trong tổng hợp các chuỗi polypeptide của globin •Do bất thường trong tổng hợp chuỗi polypeptide α •Do có những đột biến trong tổng hợp chuỗi β Các loại Hemoglobin Kết hợp với O2 Kết hợp với CO2 Kết hợp CO Sự oxy hóa Hb Tính chất enzyme của Hb Tính chất của hemoglobin Cơ chế kết hợp  Đây là PƯ gắn oxy hay sự oxygen hóa, không phải PƯ oxh vì ion sắt vẫn còn hóa trị 2  Lk phối trí giữa His E7 và Fe2+ bị đứt, 1 phân tử O2 sẽ thế chỗ His E7 để gắn với Fe2+  1 phân tử Hb gắn được 4 phân tử O2 Kết hợp với O2 Hb + O2 ↔ HbO2 Hemoglobin oxyhemoglobin Đường cong bão hòa oxy Kết hợp với O2 Cấu hình không gắn oxy (Deoxyhemoglobin)  Dạng “căng” hay (Tense)  Có ái lực yếu đối với oxy  Dimer αβ tương tác với nhau qua hệ thống lk hydro và ion  Bền vững nhờ sự hình thành các cầu muối giữa các chuỗi Cấu hình gắn oxy (Oxyhemoglobin)  Dạng “dãn” hay (Relax)  Có ái lực mạnh đối với oxy  Liên kết hydro và ion giữa các dimer bị cắt đứt, các cầu muối bị phá vỡ, các chuỗi polypeptid di chuyển tự do hơn Deoxyhemoglobin- Oxyhemoglobin cấu hình không gắn oxy – trạng thái T cấu hình gắn oxy – trạng thái R Deoxyhemoglobin- Oxyhemoglobin Tương tác hem-hem  Các tiểu đơn vị có tác động cộng lực: sự kết hợp của 1 phân tử oxy với Hem đầu tiên sẽ làm tăng ái lực của oxy với các Hem còn lại Phân áp của O2 (pO2)  Ở phổi: pO2 cao, PƯ theo chiều thuận tạo HbO2 theo máu đến mô (khoảng 97%-98% Hb được bão hòa O2)  Ở mô: pO2 thấp, PƯ theo chiều nghịch, HbO2 bị phân ly nhả O2 để cung cấp cho các mô  Hb đóng vai trò vận chuyển O2 từ phổi đến các tổ chức Các YTAH sự kết hợp giữa Hb với O2 Sự thay đổi của pH – hiệu ứng Bohr  Khi pH của máu giảm hay khi phân áp CO2 (pCO2) tăng, khả năng kết hợp với oxy của Hb giảm Các YTAH sự kết hợp giữa Hb với O2 Chất điều hòa 2,3-BPG (2,3-biphosphoglycerat)  Sản phẩm trung gian của quá trình thoái hóa glucid  Có khả năng kết hợp và làm bền vững cấu hình T của phân tử deoxyhemoglobin, giảm khả năng kết hợp với oxy, kích thích giải phóng oxy ở các tổ chức  Vị trí kết hợp: khe hở giữa 2 chuỗi β, trung tâm phân tử deoxyhemoglobin Các YTAH sự kết hợp giữa Hb với O2 Kết hợp trực tiếp  Qua nhóm -NH2 tự do của 4 chuỗi polypeptid tạo dẫn xuất carbaminohemoglobin (Carbohemoglobin)  Ở mô: pCO2 cao (46mmHg) PƯ theo chiều thuận, carbohemoglobin được tạo thành theo máu đến phổi  Ở phổi: pCO2 thấp (36mmHg) PƯ theo chiều nghịch, phân ly giải phóng CO2 và đào thải ra ngoài theo đường hô hấp Kết hợp với carbon dioxyd (CO2) Kết hợp gián tiếp  Ở mô: • H+ được tạo thành từ CO2 • H+ kết hợp với Hb vừa phóng thích 4 phân tử oxy để tạo thành HHb+ theo máu về phổi • Sự tạo H+, giảm pH máu, nồng độ cao CO2 thúc đẩy phóng thích oxy và kết hợp với CO2 tại mô  Ở phổi: • oxy gắn vào deoxy Hb sẽ đẩy H+ ra khỏi Hb • H+ kết hợp với bicarbonat giải phóng CO2 đào thải ra ngoài theo đường hô hấp  Vai trò: vận chuyển CO2 và H+ từ tổ chức đến phổi để đào thải ra ngoài Kết hợp với carbon dioxyd (CO2) Tạo thành carboxyhemoglobin (HbCO) rất bền vững, không còn khả năng vận chuyển oxygen Hb + CO → HbCO CO gắn vào Hb tại vị trí giống oxy, ái lực với Hb mạnh hơn oxy gấp 220 lần nên dễ dàng đẩy oxy ra khỏi HbO2 HbO2 + CO ↔ HbCO + O2 HbCO gây ngộ độc nặng Điều trị: hỗn hợp khí carbogen (95% O2 + 5% CO2) Sự kết hợp với carbon monoxyd (CO) Các chất oxy hóa (nitrit, nitrate, clorate, ferricanid, nitrobenzen, polyphenol) có thể oxy hóa Fe2+ của Hb thành Fe3+ tạo thành methemoglobin (M-Hb) và giải phóng điện tử M-Hb không có khả năng gắn với O2 nên không có chức năng hô hấp Hb ↔ M-Hb + e- Sự oxy hóa hemoglobin Tính chất của peroxidase  Ứng dụng: tìm máu trong nước tiểu và phân Tính chất của Catalase Tính chất đệm Hb là hệ đệm trong máu quan trọng thứ 2 sau hệ đệm bicarbonate Tính chất enzyme của hemoglobin H2O2 + AH2 → 2H2O + A Hb hay peroxydase 2H2O2 → 2H2O + O2 Hb hay catalase Cấu trúc: 1 chuỗi globin và hem Trong cytosol của tế bào mô cơ Mb liên kết với O2 được giải phóng từ Hb Myoglobin (Mb) – protein dự trữ O2 THANK YOU! L.O.G.O 39