BÀI GIẢNG hóa học HEMOGLOBIN

1.Moâ taû ñöôïc caáu taïo hoùa hoïc, caùch phaân loaïi tính chaát cuûa Porphyrin 2. Moâ taû ñöôïc caáu taïo hoùa hoïc cuûa Hem vaø Globin 3. Trình baøy, giaûi thích ñöôïc söï keát hôïp giöõa Hem vaø Globin. 4. Neâu ñöôïc tính chaát hoùa hoïc vaø vai troø quan troïng cuûa Hemoglobin trong cô theå

HÓA HỌC HEMOGLOBIN

Bài giảng

Đối tượng giảng: Lớp cao dang

1.Mô tả được cấu tạo hóa học, cách phân loại & tính chất của Porphyrin

2 Mô tả được cấu tạo hóa học của Hem và Globin

3 Trình bày, giải thích được sự kết hợp giữa Hem và

Globin

4 Nêu được tính chất hóa học và vai trò quan trọng của

Hemoglobin trong cơ thể

MỤC

TIÊU

I ĐẠI CƯƠNG : Cromoprotein, Porphyrin

II HEMOGLOBIN:

1 Nhóm ngo i: ạ Hem

2 Protein thu n: ầ Globin

3 S k t h p gi a ự ế ợ ữ HEM và GLOBIN

HEMOGLOBIN III CÁC LOẠI HEMOGLOBIN

• Hemoglobin bình thường

• Hemoglobin bịnh lý

IV TÍNH CHẤT CỦA HEMOGLOBIN

N I DUNG Ộ

Protein phức tạp có nhóm ngoại là chất màu

- Cromoprotein với nhóm ngoại không chứa nhân porphyrin.

Flavoprotein : nhóm ngoại chứa riboflavin

Feritin : nhóm ngoại chứa Fe

Hemocyamin : nhóm ngoại chứa Cu

- Cromoprotein với nhóm ngoại chứa nhân porphyrin

(porphyrinoprotein)

Hemoglobin : sắc tố đỏ của hồng cầu.

Myoglobin: sắc tố hô hấp trong tb cơ

Clorophyl: diệp lục tố

Cytocrom: tham gia phản ứng oxy hóa khử trong chuỗi hô hấp tb

Catalase :tham gia phản ứng oxy hóa khử sinh học

ĐẠI CƯƠNG

ĐẠI

CƯƠNG

Porphin:

- 4 vòng pyrol liên kết qua 4 cầu nối methylen (- CH=)

- Các vòng pyrol được đánh số I, II, III và IV (chiều kim

đồng hồ)

- Các cầu nối methylen được ký hiệu α , β , γ , δ

-Vị trí của các nhóm thế trên khung phân tử được đánh số

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 và 8

Porphyr

in Cấu tạo hóa học:

Nhân porphin + nhóm thế

Cấu trúc nhân porphin

Vòng pyrol

CH

CH CH

CH HC

HC HC

HC

HC

CH HC

(1) (2)

(3) (4)

(5) (6)

NH

N

N H N

3

4

5 6

7

8

1 2

3 4

5 6 7

II III

IV

Porphin (dạng viết tắt)

Một số dẫn xuất porphyrin thường gặp trong tự nhiên

NH

N

N H N

Một số dẫn xuất porphyrin thường gặp trong tự nhiên

Hematoporphyrin

Tính chất

- Có màu , có phổ hấp thu đặc trưng

- Độ tan phụ thuộc số lượng nhóm carboxyl thế

Ví dụ: Uroporphyrin có 8 nhóm carboxyl nên tan rất tốt trong nước

Protoporphyrin có 2 nhóm carboxyl nên ít tan trong nước, tan

nhiều trong lipid.

- Dễ tạo phức với ion kim loại Metaloprotein

Hemoglobin, myoglobin, cytocrom, catalase: porphyrin +

HEMOGLOBIN (Hb)

- Huyết cầu tố hay huyết sắc tố , ký hiệu: Hb

- Cromoprotein (porphyrinoprotein), màu đỏ , có / hồng cầu động vật cao cấp.

- Kết tinh dưới dạng những tinh thể khác nhau tùy theo loài động vật

- Hồng cầu người chứa 32% Hb (15g/ 100 ml máu).

Đại cương

- Protein thuần: Globin

- Nhóm ngoại: Hem.

Hem

Ù

- Nhân protoporphyrin IX + sắt hóa trị II (Fe 2+ )

- Fe 2+ ở trung tâm nối với 4 N của bốn vòng pyrol qua 4 liên kết nằm trên mặt phẳng (2 liên kết cộng hóa trị và 2 liên kết phối trí)

- Hem bị oxy hóa thành hematin (Fe2+ biến thành Fe3+).

- Hematin kết tinh dạng muối tinh thể clorhydrat đặc biệt (tinh thể Hemin hay Teichman)

Ứng dụng: xác định vết máu trong pháp y

Fe

N

N N

N

N

N N

N Cl

Hem

Cấu trúc bậc 1

Globin của Hb A1 gồm 4 chuỗi polypeptid :

- Hai chuỗi α ( 141 aa/chuỗi)

- Hai chuỗi β ( 146 aa/chuỗi)

TC: 574 acid amin

Tổ hợp chuỗi: α2 β2

Cấu trúc bậc 2

- 80% aa của các chuỗi α và β tạo nên: 7 đoạn xoắn α helix (chuỗi α ) hay 8 đoạn xoắn α helix (chuỗi β ).

- Mỗi đoạn xoắn gồm 7 - 20 aa, ký hiệu A, B, C … theo thứ tự

- Những đoạn aa còn lại không xoắn, nằm giữa nối các đoạn xoắn, ký hiệu bởi hai mẫu tự của hai đoạn xoắn ở hai bên

( ví dụ: ở giữa đoạn xoắn A và đoạn xoắn B là đoạn AB không xoắn )

Globin

Cấu trúc bậc 3

- Các chuỗi α và β cuộn khúc tại các đoạn acid amin không xoắn

- Mỗi chuỗi polypeptid xoắn và cuộn khúc + Hem = tiểu đơn vị của Hb.

Cấu trúc bậc 4

Bốn tiểu đơn vị kết hợp với nhau tạo thành một phân tử Hb có cấu trúc bậc 4 (tetramer)

Globin

 1 chuỗi polypeptid của Globin + 1 Hem:

- qua liên kết phối trí giữa Fe qua 2+ của Hem với nitơ (N) trong nhân imidazol của acid amin histidin ở đoạn xoắn F8 (His F8 hay His gần) và đoạn xoắn E7 (His E7 hay His xa) của mỗi chuỗi globin.

Hai lk này ở về hai phía của mặt phẳng protoporphyrin

- tạo thành một tiểu đơn vị (subunit) của phân tử Hb

 1 Globin + 4 Hem = 1Hb

 Hemoglobin gồm 4 tiểu đơn vị (tetramer)

(mỗi tiểu đơn vị gồm 1 chuỗi polypeptid + 1 hem )

Sự kết hợp giữa Hem và Globin tạo Hemoglobin

N N

Sự kết hợp giữa Hem và Globin tạo Hemoglobin

Cấu trúc bậc 4 của Hemoglobin

Sự kết hợp giữa Hem và Globin tạo Hemoglobin

Cấu trúc bậc 4 của Hemoglobin

- Globin quyết định đặc tính chủng loại của Hb

- Các globin khác nhau do thành phần & thứ tự sắp xếp của các a.a khác nhau làm thay đổi cấu trúc và tính chất của Hb.

Hemoglobin bình thường

- Hb G (Gower) ζ2 ξ2 , (bào thai).

- Hb P (Porland ) ζ2 γ2 (bào thai).

- Hb F (Fetal): α 2 γ2 (trẻ sơ sinh)

- Hb A1 (Adult): α 2 β2 (người trưởng thành)

- Hb A2 (2,5% tổng số Hb): α2 δ2 (người trưởng thành)

Các loại này chỉ khác nhau ở đoạn xoắn F của globin

Các loại Hemoglobin

Sự khác nhau về thành phần aa của HbA, HbA2, HbF tại các đoạn xoắn

AlaSerAla

ThrGlnGln

LeuLeuLeu

SerSerSer

GluGluGlu

LeuLeuLeu

HisHisHis

CysCysCys

Các loại Hemoglobin

Sự thay đổi thành phần và thứ tự của các aa trong phân tử globin

Hb bất thường gây bệnh lý

Hemoglobin bất thường (bệnh lý)

Nguyên nhân

- 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

Ảnh hưởng

Chẩn đoán: điện di Hb/OH - , Hb S chuyển dịch về anod chậm hơn Hb A

Hemoglobin bất thường (bệnh lý)

Hb C ( α2 A β2 C)

- Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi β được thay bằng lysin.

- Hồng cầu có hình bia.

Hb M:

Fe luôn ở dạng Fe 3+ tạo methemoglobin máu không chữa được bằng thuốc

Bệnh α - Thalassemie

- Hb bart và Hb H : bất thường / tổng hợp chuỗi polypeptid α

- Gây bệnh thiếu máu hồng cầu nhỏ nhược sắc

Bệnh β -Thalassemie

- Đột biến/ tổng hợp chuỗi β, gây bệnh thiếu máu.

- Xảy ra chủ yếu ở vùng Địa trung hải

Hemoglobin bất thường (bệnh lý)

 Kết hợp với O 2 tạo Oxyhemoglobin (HbO 2 ).

Đây là phản ứng gắn oxy hay sự oxygen hóa chứ không phải là phản ứng oxy hóa vì ion sắt vẫn còn hóa trị 2.

N N N N

M

V

M P

Tính chất của Hemoglobin

Liên kết phối trí giữa His E7 và Fe2+ bị đứt, một phân tử oxy sẽ thế chỗ His E7 để gắn với Fe2+.

Kết hợp với O2

- 1 nguyên tử Fe của Hem gắn với một phân tử O 2 ,

- 1 phân tử Hb gắn được bốn phân tử O 2

- 1g Hb gắn được 1,34 ml oxygen

Kết hợp với O2

❀ Cấu hình không gắn oxy (Deoxyhemoglobin):

- dạng căng hay trạng thái T (Tense)

- Có ái lực yếu đối với oxy.

- Dimer αβ tương tác với nhau qua hệ thống liên kết hydro và ion

- Bền vững nhờ sự hình thành các cầu muối giữa các chuỗi

❀ Cấu hình gắn oxy (Oxyhemoglobin):

- Dạng dãn hay trạng thái R (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

Các yếu tố ảnh hưởng sự kết hợp giữa Hb với O2 ❀ Tương tác Hem - Hem

Các tiểu đơn vị có tác động oộng 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 oxy (pO2)

Ở phổi: pO2 cao , phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo

HbO2 theo máu đến mô (khoảng 97% -98% Hb được bão hòa O2 ).

Ở mô: pO2 thấp, phản ứng xảy ra theo chiều nghịch, HbO2 bị

phân ly nhả O2 để cung cấp cho các mô

Vai trò quan trọng: vận chuyển oxy từ phổi đến các tổ chức

Các yếu tố ảnh hưởng sự kết hợp giữa Hb với O2

❀ Sự thay đổi của pH (Hiệu ứng Bohr)

Khi pH của máu giảm hay khi phân áp CO 2 (pCO 2 ) tăng, khả năng kết hợp với oxy của Hb giảm,

❀ Chất điều hòa 2,3-diphosphoglycerat (2,3 – DPG)

- 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 hỡ giữa 2 chuỗi β, trung tâm phân tử deoxyhemoglobin

Các yếu tố ảnh hưởng sự kết hợp giữa Hb với O2

❀ Chất điều hòa 2,3-diphosphoglycerat (2,3 – DPG)

Sự kết hợp của 2,3 - diphosphoglycerat (2,3-DPG) với hemoglobin

Qua nhóm amin (-NH2) tự do của 4 chuỗi polypeptid trong globin để tạo thành dẫn xuất carbaminoyl.(Carbohemoglobin):

Ở mô: pCO2 cao (46mmHg) phản ứng xảy ra theo chiều thuận, carbohemoglobin được tạo thành theo máu đến phổi

Ở phổi: pCO2 thấp (36mmHg), phản ứng xảy ra theo chiều nghịch , phân ly giải phóng CO2 và đào thải ra ngoài theo đường hô hấp.

R - NH2 + CO2 R - NH - COOH

Sự kết hợp với carbon dioxid (CO2)

Kết hợp trực tiếp

Kết hợp gián tiếp

Ở mô: H + được tạo thành từ CO từ 2 :

2H + kết hợp với Hb vừa phóng thích 4 phân tử oxy để tạo thành

2H + Hb, theo máu vận chuyển về phổi.

Sự tạo H + , giảm pH máu, nồng độ cao của CO 2 thúc đẩy sự phóng thích oxy và kết hợp với CO 2 tại mô

Ở phổi: oxy gắn vào deoxy Hb sẽ đẩy H + ra khỏi Hb

H + kết hợp với bicarbonat giải phóng CO 2 đào thải ra ngoài theo đường hô hấp

-Sự kết hợp với carbon dioxid (CO2)

Vai trò: Vận chuyển CO2 từ tổ chức đến phổi để đào thải ra ngoài bằng đường hô hấp

- tạo thành carboxyhemoglobin (HbCO) rất bền vững, không còn khả năng vận chuyển oxygen.

- CO gắn vào Hb tại vị trí giống oxy, nhưng có ái lực với Hb mạnh hơn

O2 gấp 210 lần, nên có thể đẩy O2 ra khỏi HbO2 dễ dàng:

- HbCO gây ngộ độc nặng

Điều trị: hỗn hợp khí carbogen (95% O2 + 5% CO2)

❀ Chất oxy hóa (nitrit, nitrat, clorat, ferricianur, nitrobenzen,

polyphenol, ) oxy hóa Hb tạo methemoglobin (M-Hb)

❀ M-Hb không có khả năng gắn O 2 nên không còn chức năng hô hấp

❀ M-Hb cao (> 1,5%) gây ngộ độc, ngạt thở, da tím tái vì thiếu oxy mô (hội chứng cyanose)

❀ enzym diaphorase/cơ thể khử M-Hb thành Hb.

❀ Điều trị: tiêm các chất khử mạnh (xanh metylen, vitamin C )

❀ Bình thường Met Hb < 2% Met Hb tăng trong:

- Ngộ độc bởi các chất oxy hóa

- Thiếu men khử Met Hb do di truyền

- Các bệnh Met Hb máu do các dạng Hb bất thường (HbM)

-Methemoglobin

Sự oxy hóa Hemoglobin

Tính chất của peroxidase

Xúc tác phản ứng phân hủy H 2 0 2 :

Ứng dụng: tìm máu trong nước tiểu và phân.

Tính chất của catalase