HÓA HỌC HEMOGLOBIN

HÓA HỌC HEMOGLOBIN

BS. HOÀNG HIẾU NGỌC BỘ MÔN SINH HÓA – KHOA Y – ĐẠI HỌC Y DƯỢC

MỤC TIÊU

1. PHÂN LOẠI CROMOPROTEIN 2. MÔ TẢ CẤU TẠO HEME VÀ GLOBIN 3. PHÂN TÍCH SỰ KẾT HỢP GIỮA HEME VÀ

GLOBIN

4. CÁC DẠNG HEMOGLOBIN 5. VAI TRÒ CỦA HEME TRONG VẬN CHUYỂN

KHÍ (O2; CO2)

6. KHẢ NĂNG TẠO CARBON MONOXYD Hb VÀ

KHẢ NĂNG OXY HÓA Hb.

7. TÍNH CHẤT ENZYM CỦA HEMOGLOBIN

CROMOPROTEIN

PROTEIN TẠP, CÓ CHỨA CHẤT MÀU GỒM:

• • 1. CÓ NHÂN PORPHYRIN: PORPHYRINOPROTEIN VD: HEMOGLOBIN; MYOGLOBIN; OXYDOREDUCTASE

2. KHÔNG CÓ NHÂN PORPHYRIN:  CROMOPROTEIN

VD: FLAVOPROTEIN; FERRITIN; HEMOCYAMIN

PORPHYRIN

• CẤU TẠO BẮT NGUỒN TỪ VÒNG PYROL • VÒNG PYROL:

HC CH

HC CH

N H

N | H

• BỐN VÒNG PYROL LIÊN KẾT VỚI NHAU QUA BỐN CẦU NỐI METHYLEN (­CH2=) TẠO NÊN PORPHIN

NHÂN PORPHIN • ĐÁNH SỐ THỨ TỰ VÒNG PYROL:

• ĐÁNH DẤU CẦU NỐI METHYLEN

– SỐ LA MÃ: I, II, III, IV – THEO CHIỀU KIM ĐỒNG HỒ

– – – –

α (GIỮA PYROL I VÀ PYROL II) Β (GIỮA PYROL II VÀ PYROL III) γ (GIỮA PYROL III VÀ PYROL IV) δ (GIỮA PYROL IV VÀ PYROL I) • ĐÁNH SỐ CÁC ĐỈNH PORPHIN:

– 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

1

2

(1) HC

(2) CH

N

α

I

δ

8

3

CH

C

HC

C

NH HN

4

7

N

(8) HC

CH(3)

N

6 5

IV

NH

HN

II

CH(4)

(7) HC

C C

C C

N

1 2 I

8

C

C

3

II

IV

γ

HC

CH

4

β

7

III

III

6 5

CH (5)

HC (6)

CÔNG THỨC CẤU TẠO CỦA PORPHIN

• PORPHIN ĐƯỢC GẮN THÊM CÁC GỐC HÓA HỌC TẠI CÁC VỊ TRÍ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 SẼ TẠO THÀNH PORPHYRIN

G CỐ THẾ

4 PYROL

PORPHIN

PORPHYRIN

A P

P A

N

A P

A P

BẢNG 1: CÁC GỐC THẾ CỦA PORPHYRIN

TÊN GỐC THẾ

CÔNG THỨC

KÝ HIỆU

METHYL

­M

­CH3

ETHYL

­E

­CH2­CH3

HYDROXYETHYL

­EOH

­CH2­CH2OH

VYNYL

­V

­CH=CH2

GỐC ACETYL

­A

­CH2­COOH

GỐC PROPIONYL

­P

­CH2­CH2­COOH

CÔNG THỨC CẤU TẠO CỦA MỘT SỐ PORPHYRIN

M A P V

P M A M

A P M P

Uroporphyrin I

A P

Protoporphyrin

V P

M M p E-OH

P M M M

p M P E-OH

M

M

P P

Coproporphyrin

Hematoporphyrin

TÍNH CHẤT CỦA PORPHYRIN

• BA LOẠI PORPHYRIN Ở NGƯỜI:

– PROTOPORPHYRIN – UROPORPHYRIN – COPROPORPHYRIN

• TÍNH TAN CỦA PORPHYRIN PHỤ THUỘC

NHÓM CARBOXYL THẾ – UROPORPHYRIN: 8 NHÓM CARBOXYL (tan tốt nhất) – PROTOPORPHYRIN: 2 NHÓM CARBOXYL – COPROPORPHYRIN: 4 NHÓM CARBOXYL

http://www.buzzle.com/articles/low-hemoglobin-levels.html

HEMOGLOBIN

ượ

c u trúc c a

ủ

ể ả ấ

c

ặ

ổ ượ

ể

ể

ạ

ấ

ọ

ậ

ằ

ỹ

ụ được nhà

ủ

- Đ c phát hi n l n đ u vào năm 1840 b i ệ ầ ở ầ Hünefeld: protein v n chuy n oxy ậ - 1851, Otto Funke mô t hemoglobin - Đ c tính g n oxy có th chuy n đ i đ ắ Felix Hoppe – Seyler mô tả -1959, Max Perutz và John Kendrew đo t gi i ả Nobel hóa h c trong vi c tìm ra c u trúc phân ệ c a hemoglobin b ng k thu t ch p tia X t ử ủ - Vai trò c a hemoglobin trong máu sinh lý h c Claude Bernard làm sáng t

ọ

ỏ

http://en.wikipedia.org/wiki/Hemoglobin

Hb: protein hình cầu, đường kính # 55Ao ở hồng cầu động vật bậc cao PORPHYRINOPROTEIN gồm GLOBIN VÀ HEME Hb: 15,5 ± 1g/100 ml máu tp (nam)

14,5 ± 1g/100 ml máu tp (nữ)

• • • • • • •

Mỗi loài sinh vật có một loại Hb khác nhau  tùy nhóm globin, do vậy khi kết tinh sẽ tạo  ra những dạng tinh thể khác nhau

Heme

Globin

CẤU TẠO HEMOGLOBIN

• PHẦN PROTEIN THUẦN: GLOBIN • PHẦN NHÓM NGOẠI: HEME

2 chu iỗ alpha

Globin

2 chu iỗ beta

Hemoglobin

Protoporphyrin IX

Heme

Fe2+

HEME

PROTOPORPHYRIN IX

• TETRAPYROL

– METHYL: 1, 3, 5, 8 – VINYL: 2, 4 – PROPIONYL: 6, 7

• NGUYÊN TỬ SẮT GẮN VỚI 4 NGUYÊN TỬ N

CỦA 4 VÒNG PYROL – 2 LK CỘNG HÓA TRỊ – 2 LK PHỐI TRÍ

HEME

Fe2+

PROTOPORPHYRIN IX

1 C UẦ N IỐ G NẮ V IỚ HISTIDIN F8 C AỦ GLOBIN (HIS G N)Ầ

1 C UẦ N IỐ G NẮ V IỚ HISTIDIN E7 C AỦ GLOBIN (HIS XA) - C UẦ N IỐ NÀY DỄ GÃY ĐỂ OXY G NẰ VÀO

oxy

His g nầ

Fe

His xa

OXY HÓA

HEME HEMATIN (Fe3+)

Cl- HEMATIN (Fe3+) TINH THỂ HEMIN

GLOBIN

• PHÂN TỬ Hb CÓ 574 aa • Ở NGƯỜI TRƯỞNG THÀNH

cấu trúc bậc I

– 2 CHUỖI ALPHA (141 aa / CHUỖI) (cid:222) – 2 CHUỖI BÊTA (146 aa / CHUỖI) (cid:222)

cấu trúc bậc I

CẤU TRÚC BẬC II CỦA Hb

:α 7 XOẮN ALPHA (A – B – C – D – E

• CHUỖI – F – G) • CHUỖI

:β 8 XOẮN ALPHA(A – B – C – D – E –

F – G – H)

• ĐÁNH SỐ XOẮN: A – B – C … • ĐOẠN aa KHÔNG XOẮN: AB, BC, CD, …

CẤU TRÚC BẬC III CỦA Hb

• CẤU TRÚC BẬC II CUỘN XOẮN TẠI NHỮNG

ĐOẠN KHÔNG XOẮN

• GIỐNG CẤU TRÚC BẬC III CỦA MYOGLOBIN • MỘT CHUỖI POLYPEPTID XOẮN VÀ CUỘN KẾT HỢP VỚI 1 HEME TẠO 1 BÁN ĐƠN VỊ CỦA Hb

• 4 BÁN ĐƠN VỊ CỦA Hb TẠO THÀNH CẤU

TRÚC BẬC IV CỦA Hb

Myoglobin Chu iỗ beta c aủ hemoglobin

CẤU TRÚC HEMOGLOBIN

• 4 BÁN ĐƠN VỊ CỦA Hb CÓ THỂ ĐƯỢC CHIA THÀNH 2 PHẦN GIỐNG HỆT NHAU (DIMER) )1αβ VÀ ( • (

)2αβ

• HAI CHUỖI POLYPEPTID TRONG MỖI DIMER GẮN CHẶT VỚI NHAU BẰNG LK KỴ NƯỚC ( HYDROPHOBIC INTERACTION)

• HAI DIMER CÓ THỂ DI CHUYỂN SO VỚI NHAU BỞI NHỮNG LK PHÂN CỰC (YẾU)

→ TRẠNG THÁI DEOXYHEMOGLOBIN VÀ

OXYHEMOGLOBIN

+ 4O2

D ngạ T (deoxyhemoglobin) D ngạ R (oxyhemoglobin)

- 4O2

DẠNG T CỦA Hb

• KHÔNG GẮN OXY • LK ION VÀ LK HYDRO XUẤT HIỆN NHIỀU

LÀM KÌM HÃM SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC CHUỖI POLYPEPTID

• DẠNG Hb CÓ ÁI LỰC THẤP VỚI OXY

DẠNG R CỦA Hb

• Hb GẮN VỚI OXY • CÓ SỰ ĐỨT GÃY MỘT SỐ LK ION VÀ LK

HYDRO DO SỰ GẮN OXY

• CÁC CHUỖI POLYPEPTID DI CHUYỂN TỰ DO

HƠN

• LÀ DẠNG Hb CÓ ÁI LỰC CAO VỚI OXY

CÁC DẠNG HEMOGLOBIN

• PHÔI THAI: Hb Gower I ζ2ε2 • BÀO THAI: HbF (α2Gγ2 và α2Aγ2) • NGƯỜI TRƯỞNG THÀNH:

– HbA (98%): α2β2 – HbA2 : α2 2δ – HbA1c : α2β2 ­ GLUCOSE

GEN MÃ HÓA GLOBIN

ζ α1 α2

Gen alpha globin (NST 16)

HbF α2γ2 HbA α2β2

Hb Gower I ζ2ε2 HbA2 α2δ2

Gen bêta globin

(NST 11)

ε

Gγ

Aγ

δ β

G: glycin

A: Alanin

Pamela C.Champe and Richard A. Havey

2nd Biochemistry Illustrated Review

Sickle Cell Mutation

BỆNH HEMOGLOBIN

a 2

a 1

Chromosome 16

5'

3'

z

A

G

5'

3'

* d b e g g

• BỆNH HỒNG CẦU HÌNH LiỀM: HbS Chromosome 11 – 2 CHUỖI ALPHA BÌNH THƯỜNG – 2 CHUỖI BÊTA ĐỘT BiẾN

a a

Abnormal (HbS) CCT GTG GAG -Pro-Val-Glu-

b S

5 6 7

Normal (HbA) CCT GAG GAG • BỆNH HỒNG CẦU HÌNH BIA: HbC (Glu6Lys) b A -Pro-Glu-Glu- 5 6 7 • BỆNH THALASSEMIA

-O2 +O2

-O2 +O2

b b

Trình tự acid amin trong chu iỗ bêta bình th

ngườ

7

146

1 2 3 4 5 6

Val

His

Leu

Thr

Pro

Glu

Glu

Trình tự acid amin trong chu iỗ bêta trong HbS

2

146

1

3

4

5

6

7

His

Val

Leu

Thr

Pro

Val

Glu

H ngồ c uầ bình th ngườ H ngồ c uầ hình li mề

GẮN OXY CỦA HEMOGLOBIN

KẾT HỢP THUẬN NGHỊCH VỚI OXY

Hb + O2 → HbO2

•

LÀ PH NẢ NGỨ G NẮ OXY VÀ THU NẬ NGH CHỊ

•

O2 G NẮ V IỚ Fe2+ QUA LIÊN K TẾ PH IỐ TRÍ 1 NGUYÊN TỬ Fe2+ G NẮ V IỚ 1 PHÂN TỬ OXY

•

Hb + 4O2 → Hb(O2)4

1g Hb GẮN ĐƯỢC 1.39 ml O2

•

• TẠI PHỔI:

– pO2 cao (100 mmHg): Hb gắn oxy → HbO2

• TẠI MÔ:

– pO2 thấp (40 mmHg): Hb nhả oxy cho mô • Hb GẮN OXY THEO CƠ CHẾ HIỆP ĐỒNG

O2 O2

Hb

O2 O2

ÁI L CỰ V IỚ OXY TĂNG LÊN

O2

O2 O2

Hb

O2

O2

O2

Hb

O2 Hb

O2 O2 O2

Hb

• MYOGLOBIN: GẮN 1 PHÂN TỬ OXY • HEMOGLOBIN: GẮN 4 PHÂN TỬ OXY • MỨC ĐỘ BÃO HÒA OXY Ở CẢ MYOGLOBIN

VÀ HEMOGLOBIN THAY ĐỔI TỪ 0% (KHÔNG GẮN) ĐẾN 100% (GẮN HẾT TẤT CẢ VỊ TRÍ)

• ĐỒ THỊ MINH HỌA ĐỘ BÃO HÒA OXY THEO ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN OXY (pO2) GỌI LÀ ĐƯỜNG CONG PHÂN LY OXY ­ HEMOGLOBIN

Đ ngườ cong phân ly oxy - hemoglobin

• MYOGLOBIN CÓ ÁI LỰC VỚI OXY CAO HƠN

HEMOGLOBIN

• P50: ÁP SUẤT OXY RIÊNG PHẦN

CẦN ĐỂ OXY GẮN VÀO 50% VỊ TRÍ GẮN KẾT

– P50(MYO) = 1 mmHg – P50(HEMG) = 26,8 mmHg – ÁI LỰC OXY CAO THÌ P50 THẤP

• CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN ÁI LỰC CỦA

Hb ĐỐI VỚI OXY –pH

–Nồng độ CO2 –2,3 diphosphoglycerat (DPG): tăng cao

trong hồng cầu sẽ giảm ái lực của Hb với oxy, và ngược lại

HbO2 + 2,3­DPG → Hb – 2,3-BPG +O2

KẾT HỢP VỚI CO2 TẠO CARBONYL HEMOGLOBIN

• pO2 40 mmHg Ở 37OC: 2,9 ml CO2 HÒA TAN

TRONG HUYẾT TƯƠNG

• Hb VẬN CHUYỂN CO2: – TRỰC TIẾP: 15 – 20% – GIÁN TIẾP: 70%

• VẬN CHUYỂN TRỰC TIẾP:

R – NH3+ + CO2 → 2H+ + R – NH – COO-

• V NẬ CHUY NỂ GIÁN TI PẾ

CO2 + H2O ↔H2CO3 → H+ + HCO3-

• 2 ION H+ K TẾ H PỢ V IỚ 2 ACID AMIN HIS146 T NẬ CÙNG C AỦ 2 CHU IỖ β → 2H+Hb → Đ MỆ Hb Gi MẢ H+ TRONG MÁU

SƠ ĐỒ V NẬ CHUY NỂ CO2 GIÁN Ti PẾ C AỦ HEMOGLOBIN

KẾT HỢP VỚI CARBON MONOCYD (CO) TẠO CARBON MONOXYD HEMOGLOBIN

IƯỜ

CO GẮN VỚI Hb TẠI ĐiỂM GẮN OXY • ÁI LỰC CAO GẤP 210 LẦN OXY • CẠNH TRANH OXY ĐỂ GẮN VÀO Hb • COHb BỀN VỮNG VÀ LÀM Hb KHÓ NHẢ OXY • HƠN • pCO = 0.7 mmHg → CH TẾ NG

NGỘ ĐỘC CARBON MONOCYD

• THÔNG KHÍ TỐT CHO BỆNH NHÂN • NGỬI OXY NỒNG ĐỘ CAO • OXY CAO ÁP → PHÂN LY COHb

OXY HÓA HEMOGLOBIN TẠO METHEMOGLOBIN

• MetHb LÀ Hb CÓ NGUYÊN TỬ Fe2+ BỊ OXY

HÓA THÀNH Fe3+

• MetHb MẤT KHẢ NĂNG GẮN OXY NÊN KHÔNG VẬN CHUYỂN OXY ĐƯỢC

NGUYÊN NHÂN GÂY MetHb

• CHẤT OXY HÓA: SODIUM NITRIT, FERRICYANUA, NITROBENZEN, NITROPHENOL, POLYPHENOL…. • THUỐC ĐiỀU TRỊ BỆNH: SODIUM

NITROPRUSSIAT, NITROGLYCERIN

• BÌNH THƯỜNG: MetHB < 1% NHỜ HỆ

THỐNG KHỬ – NADH dependent methemoglobin reductase (HC) – NADP/NADPHH+ – ACID ASCORBIC – HỆ GLUTATHION KHỬ

• NHIỀU CHẤT OXY HÓA, VƯỢT KHẢ NĂNG KHỬ CỦA HỒNG CẦU → MetHb TĂNG → THI UẾ OXY MÔ

• MetHb > 1.5% → TÍM TÁI

TÍNH CHẤT ENZYM CỦA HEMOGLOBIN

• NHƯ OXYDOREDUCTASE, XÚC TÁC PHẢN

ỨNG OXY HÓA KHỬ • NHƯ PEROXYDASE:

H2O2 + AH2→ 2H2O + A

• HOẠT TÍNH CATALASE YẾU:

2H2O2 → 2H2O + O2

ả

ệ

Tài li u tham kh o: -Hóa sinh Y h cọ -Lehninger Principles of Biochemistry (4ed 2004) - ISBN 0716743396 -Harper's Illustrated Biochemistry( 26th Ed, 2003) -Whitford_Proteins-Structure and Function 2005