פתיחת התפריט הראשי

המוגלובין

קבוצה של חלבונים המכילים יוני ברזל המצויים בבעלי חיים, שתפקידם העיקרי הוא נשיאת חמצן אל רקמות הגוף

המוגלוביןאנגלית: Hemoglobin) הוא מבנה (קומפלקס) אורגנו-מתכתי המכיל ארבעה מולקולות חלבון הקשורות לקבוצת הם בקשר קוולנטי קואורדינטיבי, ועל כן הן מוגדרות כמטאלופרוטאין. ההמוגלובין מצוי בתאי הדם האדומים של בעלי חוליות וברקמות של חלק מחסרי חוליות. תפקידו העיקרי הוא נשיאת חמצן אל תאי הגוף במערכת הדם.

המוגלובין
הדמייה של המבנה המולקולרי שלההמוגלובין. באדום ובכחול רואים את תתי היחידות החלבוניות, בירוק בהיר רואים את מולקולת ההם.
הדמייה של המבנה המולקולרי שלההמוגלובין. באדום ובכחול רואים את תתי היחידות החלבוניות, בירוק בהיר רואים את מולקולת ההם.
שיוך גלובין
מזהים
קוד MeSH D12.776.124.400 עריכת הנתון בוויקינתונים
מזהה MeSH D006454 עריכת הנתון בוויקינתונים
לעריכה בוויקינתונים שמשמש מקור לחלק מהמידע בתבנית OOjs UI icon info big.svg

מכיוון שבתאי הדם של היונקים אין גרעין תא, מהווה חלבון ההמוגלובין אחוז גבוה ביותר מהמסה של תא דם אדום. ההמוגלובין נושא חמצן מהריאות או הזימים לכל חלקי הגוף, כמו השרירים, שם משתחרר החמצן. בנוסף, להמוגלובין תפקיד חשוב במנגנון הובלת גזים שהם תוצרי לוואי רעילים בנשימה תאית.

אטימולוגיהעריכה

שמו של ההמוגלובין נובע משני המבנים הכימיים המרכיבים אותו: קבוצה פרוסטטית הם, שהיא מולקולה לא-חלבונית המורכבת ממבנה טבעתי שבמרכזו אטום ברזל ומוקף בארבעה אטומי חנקן, וגלובין, חלבון גלובולרי שבתוכו משובץ ההם בקשר קוולנטי. האינטראקציה בין מולקולת החמצן לאטום הברזל בקבוצת ההם דרך אינטראקציות אלקטרוסטטיות מתאפשרות בגלל האופי המרחבי של המולקולה ופיזור המטען עליה. הסוג הנפוץ ביותר ביונקים: מולקולת המוגלובין שמורכבת מארבע יחידות גלובין הקשורות האחת לשנייה, ומארבע קבוצות הם המצויות בתוך חלבוני הגלובין. כל קבוצת הם יכולה לקשור מולקולת חמצן אחת ולכן מולקולת המוגלובין אחת בעלת פוטנציאל קשירה של עד ארבע מולקולות חמצן.

מסלול ביוסינתזה ורגנרציהעריכה

המוגלובין מסונתז דרך סידרה של מסלולים מורכבים. מולקולת ההם בחלקה מסונתזת במיטוכונדריה ובציטוזול של תא אדום לא בוגר, בעוד שחלבון הגלובין מסונתז על ידי הריבוזומים החופשיים בציטוזול. הבניה של החלבון השלם בתא ממשיכה דרך מסלולים במח העצמות שעובר התא עצמו. בשלבים הללו יש עיבוד בגרעין התא בתאי דם אדומים של יונקים, אך לא במינים רבים של עופות לדוגמה. העיבוד וההרכבה של החלבון ממשיכים גם לאחר איבוד הגרעין.

כאשר התאים האדומים מגיעים לסוף חייהם כפונקציה של זמן מחצית חיים או עקב פקטור שגורם לתפקוד לקוי, מתפרק ההמוגלובין ומתחיל תהליך מיחזור שבו מפורקת טבעת ההם: הברזל מוסע על ידי חלבונים המכונים טרנספרינים (Transferrins) בחזרה למח העצמות, שם נעשה בו שימוש חוזר ליצירת התאים האדומים. שארית קבוצות ההם, משמשת כבסיס ליצירת בילירובין המופרש לכיס המרה, מגיע למעיים ונותן לצואה את צבעה.

תפקיד במערכת הובלת הגזיםעריכה

ההמוגלובין קושר ומשחרר חמצן בסביבות שונות כפונקציה של תנאים (חומציות, ריכוזים וכדומה). הדרישה לחמצן בשרירים וברקמות גבוהה ועל כן יש צורך שלאנזים תהיה יכולת שחרור גבוה ובמקביל יכולת קישור גבוהה לפסולת הגזית של הנשימה התאית. בהגיעו שוב לריאות התנאים משתנים וכן גם העדיפות בקישור: שחרור פחמן דו-חמצני וקישור חמצן.

תפקידו העיקרי של ההמוגלובין הוא ביצירת קשרים רופפים בלתי יציבים והפיכים עם החמצן שנקשר בריאות ולהעבירו באמצעות זרם הדם אל כל תאי הגוף. מהתאים נושא ההמוגלובין בחזרה אל הריאות חלק מהפחמן הדו-חמצני (~15-20%) ואטומי מימן (אחראי לאיזון רמת החומציות ברקמות). החמצן נקשר אל אטום הברזל של קבוצות ההם בהמוגלובין בעוד הפחמן הדו-חמצני נקשר לקצה האמיני כיון קרבמיד ואטומי המימן יוצרים אינטראקציות באתרי קישור אחרים בחלבון.

קבוצות ההם מהוות רק ארבעה אחוזים מהמסה של מולקולת ההמוגלובין. למרות זאת, החלבון הגדול שמקיף אותן אינו מיותר; חלבוני הגלובין תורמים ליצירת מבנה מרחבי המאפשר קשירה יעילה של הגזים אל אטום הברזל, כמו כן המבנה החלבוני מונע את חמצון הברזל שבקבוצת ההם. משמע, יש חשיבות למבנה המרחבי השלם של החלבון. ממצא נוסף שתומך בהנחה הזו הוא שקבוצות הם עצמאיות אינן מסוגלות לקשור חמצן באופן ספונטני.

ביוכימיה של המוגלוביןעריכה

מבנהעריכה

 
המבנה האוקטהידרלי של יון הברזל

ההמוגלובין בנוי מארבע תת יחידות, אשר נמצאות בטבע בכמה מופעים דומים. כל יחידה מורכבת מחלבון בעל מספר סלילי α, הקשור באמצעות חומצת האמינו היסטדין קואורדינטיבית לקבוצת הם, ללא קבוצת ההם הקומפלקס כולו לא מתפקד זאת מכיוון שבמרכז קבוצת ההם ישנו יון ברזל בעל היכולת לקשור חמצן אטמוספרי (O2), סך הכל המוגלובין יכול לקשור בו זמנית עד ארבע מולקולות של חמצן אטמוספרי.

מבנה תת היחידה גלוביןעריכה

בקומפלקס ההמוגלובין המצוי ביותר בגוף האדם הבוגר יש שתי תתי יחידות חלבוניות מסוג α ושתיים נוספות מסוג β, אך קיימים בטבע מופעים נוספים לתתי היחידות החלבוניות מלבד α ו-β. ההבדל בין המופעים השונים נוצר מהחלפת כמה חומצות אמינו אשר הבדלי תפקודם זניח לפעילות תת היחידה. המשותף לכל המופעים הוא מספר סלילי אלפה, המקושרים בחלקים ללא מבנה שניוני מוגדר. כמו כן החלק הקושר בין תת היחידה החלבונית לקבוצת ההם הוא חומצת האמינו היסטדין. ציר הקשר בין חומצת אמינו זו ליון הברזל הוא מאונך למשטח מולקולת ההם, זאת בזכות המבנה המרחבי האוקטהדרלי (אנ') של יון הברזל. על ציר זה נקשר גם החמצן האטמוספרי בכיפוף מסויים הנובע מהאלקטרונים הבלתי קושרים של החמצן כפי שאפשר לראות בתרשים לקמן. בהיעדר קישור לחמצן אטמוספרי תמצא במקום מולקולת מים אשר מעניקה למולקולה יציבות. מבחינה תרמודינמית יון הברזל יכול להיקשר מלבד לחמצן אטמוספרי למספר מולקולות נוספות בכללם למולקולת פחמן דו-חמצני וגם למולקולת פחמן חד-חמצני, והגלובין מכיל מספר אתרי קישור נוספים מלבד יון הברזל. המבנה המרחבי של הגלובין מאלץ קישור זוויתי של הליגנד אל קבוצת ההם. זווית זו באמצעות אילוץ היקשרות במיקום מרחבי מאוד ספציפי הופכת את הזיקתיות של פחמן חד-חמצני לאטום הברזל לקטנה יותר ובכך מפחיתה את קשירתו, לעומת זאת החמצן באופן טבעי נקשר בכיפוף כך שהשפעת ההפרעה הסטרית על הזיקה של החמצן היא זניחה. הקטנת הזיקתיות לפחמן חד חמצני היא תכונה חשובה זאת כיוון שהקשר של הפחמן החד חמצני ליון הברזל הוא מאוד יציב, ונמצא בזיקה של פי 20,000 מזיקתו של חמצן אטמוספרי, ולכן ברגע שהוא נוצר הוא יכול להשבית את פעולת ההמוגלובין לזמן רב[1].

 
מבנה סכמטי המתאר היקשרות חמצן אטמוספרי ליון הברזל על קבוצת ההם, ניתן לראות את הכיפוף של מולקולת החמצן האטמוספרי כאשר הוא קשור ליון הברזל, יחד עם כך שציר קישור החמצן-היסטדין מאונך למישור מולקולת ההם.

אלוסטריה של ההמוגלוביןעריכה

המוגלובין כנשא חמצן צריך להיות בעל יכולת לשנות בהתאם לתפקיד את הזיקה לחמצן, זאת כיוון שמלבד לשאת את החמצן הוא גם צריך לשחרר אותו. במינוח ביוכימי נאמר שעל ההמוגלובין להיות חלבון אלוסטרי. היקשרות של מולקולות בצורה המשנה את הזיקתיות של ההמוגלובין למולקולות אחרות נקראת היקשרות קואופרטיבית. אחת המולקולות הנקשרות קואופרטיבית להמוגלובין היא הליגנד עצמו, קרי חמצן אטמוספרי. כלומר בעת קישור של מולקולת חמצן לאחת מתתי היחידות של ההמוגלובין, הזיקה של ההמוגלובין לחמצן עולה בעקבות שינוי מבני של ההמוגלובין. כמו כן רמת החומציות של הסביבה בה נמצא ההמוגלובין ומולקולות נוספות משפיעות על רמת הזיקתיות.

מצב T ומצב Rעריכה

להמוגלובין עצמו מוגדרים שני מצבים מבניים עיקריים בהם הוא יכול להימצא, המבטאים את רמת הזיקתיות שלו לחמצן - מצב T (מתוח - tense) בעל זיקתיות נמוכה לחמצן ומצב R (רגוע - relaxed) בעל זיקתיות גבוהה לחמצן.

מעבר ממצב T ל-R בעקבות היקשרות חמצןעריכה
 
השינוי המבני המתרחש במולקולת המוגלובין לאחר קישור החמצן ומנגד לאחר שחרורו. כאשר בצד ימין מופיעה המילה DEOXY מופיע מבנה T חסר החמצן, בו יון הברזל מעט שקוע. כאשר מופיעה המילה OXY זהו מצב R בו החמצן קשור אל הברזל וניתן לראות את הברזל במרכז מולקולת ההם.

נתבונן בתת יחידת המוגלובין מסוימת, כאשר אין יון הברזל קשור לליגנד, אזי הקישור עם ההיסטדין מושך את הברזל לכיוון השרשרת החלבונית מחוץ למולקולת ההם. כאשר מולקולת החמצן נקשרת מצידו השני של הברזל, ההיסטדין יחד עם השרשרת החלבונית נמשך מעט לכיוון מולקולת ההם, כך שיון הברזל לאחר הקישור נמצא על מישור מולקולת ההם. דבר זה גורם לשבירת קשרי מימן בין חלקי ההמוגלובין השונים, ומשנה מבנית את תצורת הקומפלקס כולו. שינוי זה מגביר את הזיקה של הקומפלקס לחמצן[1].

תיאור כמותי של תפוסת ההמוגלובין בשיווי משקלעריכה

  ערך מורחב – משוואת היל

כאשר האינטראקציה בין אתרי הנשיאה השונים חיובית באופן מקסימלי, דהיינו כל אתרי הנשיאה מלאים אם התרחש קישור בין הליגנד לנשא, המשוואה המתארת את תפוסת נשא בעל n אתרי נשיאה בריאקציית קישור ליגנד היא:

 

כאשר P מייצג את הנשא, L מסמן את הליגנד, PLn מייצג את הנשא רווי ב-n מקומות.

לפיכך קבוע שיווי המשקל יהיה של הריאקציה יהיה:

 

נגדיר   להיות אחוז הנשאים התפוסים מסך כל הנשאים:

 

נקשר את תטא לקבוע שיווי המשקל באמצעות כמה פעולות אלגבריות פשוטות:

 


מהוצאת לוג על שני האגפים וסידור המשוואה נקבל את המשוואה הבאה:

 .

עם זאת בטבע לרוב איננו מוצאים אינטראקציה חיובית באופן מקסימלי. על כן יש לעדכן את המשוואה לפי מידת ההשפעה של היקשרות הליגנד על שאר מקומות הקישור של הנשא. החוקר ארצ'יבלד היל החליף את n בפקטור חדש בשם מקדם היל המסומן ב-  כמבטא את מידה זו. כאשר   הדבר מעיד על כך שלהיקשרות ליגנד לנשא אין השפעה על שאר מקומות הקישור בנשא. כאשר   הדבר מעיד על הפרעה להיקשרות נוספת של ליגנדים לאותו הנשא. כאשר   הדבר מעיד על עידוד היקשרויות נוספות לאותו הנשא. ישנו חסם עליון על מידת האינטראקציה האפשרית של  , זאת משום שכמות האתרים בהם ניתן לקשור ליגנדים היא סופית ושווה ל- .

אפקט בוהר לזיקתיות ההמוגלוביןעריכה
  ערך מורחב – אפקט בוהר

כמו שהוזכר לעיל אחד המאפיינים המשפיעים על האפיניות של ההמוגלובין לחמצן הוא רמת החומציות בסביבת ההמוגלובין. נמצא כי כאשר יש חומציות גבוהה נקשרות מולקולות מימן לחומצות האמינו המרכיבות את תתי יחידות החלבוניות, ובכך יורדת הזיקתיות של ההמוגלובין לחמצן. ברקמות יש חומציות גבוהה יחסית לסביבה הריאתית, דבר זה מאפשר את שחרור החמצן דווקא ברקמות המטרה, ואת קשירת החמצן ביתר שאת בריאות.

רגולציה באמצעות פחמן דו חמצניעריכה

מולקולה נוספת היכולה להגיב עם ההמוגלובין היא פחמן דו חמצני. כל חלבון מכיל שתי קצוות, אחד פחמני, הנקרא הקצה הקרבונילי, ואחד המכיל קבוצת אמין, שנקרא הקצה האמיני. הפחמן הדו חמצני יכול להיקשר אל הקצה האמיני של תת יחידת המוגלובין, ובכך לייצב אותה על מצב T. בנוסף בריאקצייה בה הוא נקשר משתחרר פרוטון, דבר שבאמצעות אפקט בוהר מגדיל עוד יותר את היציבות של מצב T. פחמן דו חמצני נפוץ לרוב ברקמות וריכוזו בדם עולה בעת מאמץ. תהליך זה רצוי כיוון שבעת מאמץ יש צורך בפליטת חמצן רבה יותר ברקמות, וריאקציה זו גורמת להורדת הזיקה לחמצן ובכך לפליטתו ברקמה.

ערכי רמה תקינהעריכה

רמות תקינות של המוגלובין אצל גברים הן 12 עד 18 גרם לדציליטר, ואצל נשים - 12 עד 16 גרם לדציליטר[2].

רמת המוגלובין נמוכה (אנמיה) עשויה לנבוע מאי ייצור או אי תפקוד או עודף פירוק של המוגלובין, כמו גם מבעיות שונות בתאי הדם האדומים:

רמת המוגלובין גבוהה יכולה לנבוע ממגורים במקומות גבוהים, מעישון, או מהתייבשות שגורמת לרמה גבוהה כוזבת של המוגלובין, שמתאזנת עם צריכת נוזלים נאותה. סיבות אחרות לכך, שאינן נפוצות, הן מחלות ריאה מתקדמות, גידולים מסוימים וכו'[3].

ראו גםעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

הערות שולייםעריכה

  1. ^ 1.0 1.1 Lehninger, A. L., Nelson, D. L., Cox, M. M., & Cox, M. M. (2005). Lehninger principles of biochemistry. Macmillan.‏
  2. ^ ספירת דם | שירותי בריאות כללית
  3. ^ Hemoglobin, באתר MedicineNet.com

הבהרה: המידע בוויקיפדיה נועד להעשרה בלבד ואינו מהווה ייעוץ רפואי.