HÓA HỌC PORPHYRIN VÀ HEMOGLOBIN

 Phân tích sự kết hợp của HEM và GLOBIN..  Phân tích sự kết hợp thuận nghịch của HEMOGLOBIN Hb với oxy O2 và carbon dioxyd CO2..  Mô tả tính chất kết hợp của Hb với oxyd carbon CO.. K

HÓA HỌC PORPHYRIN VÀ HEMOGLOBIN

BS Trần Ngọc Minh

Bộ môn Hóa Sinh-khoa Y

Mục tiêu

 Phân loại cromoprotein

 Mô tả cấu tạo của HEM (vẽ hình)

 Phân tích cấu tạo của GLOBIN

 Phân tích sự kết hợp của HEM và GLOBIN

 Hiểu vai trò của Hb trong việc vận chuyển các khí

 Phân tích sự kết hợp thuận nghịch của HEMOGLOBIN (Hb) với oxy (O2) và carbon dioxyd (CO2)

 Mô tả tính chất kết hợp của Hb với oxyd carbon (CO)

 Nêu tên 3 chất oxy hóa Hb thành Met-Hb

 Nêu tính chất enzym của Hb

III TÍNH CHẤT CỦA HEMOGLOBIN

3.1 Kết hợp thuận nghịch với oxy (O2).

3.2 Kết hợp thuận nghịch với carbon dioxyd (CO2).

3.3 Kết hợp với oxyd carbon (CO).

3.4 Oxy hóa Hb tạo methemoglobin (MetHb).

3.5 Tính chất enzym của Hemoglobin

• Chức năng chính của hồng cầu:

• Chức năng này thực hiện được nhờ hồng cầu có hemoglobin (Hb)

• Mỗi hồng cầu có 640 triệu phân tử Hb

Giới thiệu

erythrocyte

Đại cương

• Cromoprotein: protein tạp, nhóm ngoại là chất màu

• Hai loại:

Porphyrinoprotein: nhóm ngoại là nhân porphyrin

Cromoprotein có nhóm ngoại không phải là nhân porphyrin

Cromoprotein (1)

∗ Porphyrinoprotein: có nhóm ngoại là nhân porphyrin

Thí dụ :

• Hb (hemoglobin): sắc tố đỏ của hồng cầu

• Myoglobin: Sắc tố hô hấp trong tế bào cơ ở động vật có xương sống

• Một số oxydoreductase: các enzym xúc tác phản ứng oxy hóa khử như cytocrom

Brenner, S.E Nature Reviews Genetics 2001 2, 801-809

Myoglobin và Hemoglobin

Myoglobin

Hemoglobin

Porphyrin (1)

• Cấu tạo hóa học của porphyrin bắt nguồn từ vòng pyrol.

• Pyrol :

N CH

CH C

H

C H

H

N H

Porphyrin (2)

• Porphin: bốn vòng pyrol liên kết với nhau qua 4 cầu nối methenyl (-CH=)

5 6

N H N NH N

3 4 7

8

1 2

3 4 7

II III IV

CH C

CH

N H

CH C

C NH

N C C

H

C H

(8)

II

III IV

δ

A P

Một số porphyrin

M

V M P

A P

M

P M P

M P

A

P A P

P A

M

E M P

P

M

OH

OH

Protoporphyrin IX Uroporphyrin I Uroporphyrin III

Coproporphyrin III Coproporphyrin I Hematoporphyrin

 Điểm đẳng điện (pHi) 3 - 4,5.

 Tính tan phụ thuộc số nhóm carboxyl thế

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

 Tùy nhóm GLOBIN, khi kết hợp với HEM sẽ tạo thành những loại Hb khác nhau

N

Fe N N

M

V

M P

P

M

N

 Khi Hem bị oxy hóa:

HEM HEMATIN HEMIN (tím)

Fe+2 Fe+3 (tinh thể Teichman)

Fe

N

N N

N

N

N N

N

Cl

A A

NH2

Cấu trúc bậc hai, bậc ba của globin với các vòng xoắn alpha

Vòng xoắn alpha

www.people.virginia.edu/ ~rjh9u/gif/fig17mod.gif http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath_new/

 Gọi tên các aa trên chuỗi polypeptid bằng thứ tự của chúng trên đoạn xoắn

Td: Asp G1

His E7; His F8

 Để xác định sự khác biệt giữa các Hb, người ta phải xác định thứ tự các aa trong cấu trúc bậc I của Globin.

HbA & HbS: trên chuỗi β: Glu (6) ở HbA bị thế bởi Val (HbS)

HbA & HbC: trên chuỗi β: Glu (6) ở HbA bị thế bởi Lys (HbC)

→ Pauling coi đó là biểu hiện của bệnh lý phân tử.

Sickle Cell Mutation

OXY-STATE DEOXY-STATE

Sự kết hợp giữa Hem và Globin

 Mỗi chuỗi polypeptid của GLOBIN kết hợp với một HEM qua 2 liên kết phối trí giữa Fe+2 và N của nhân Imidazol của aa histidin E7 & F8 tạo thành 1 bán đơn vị của phân tử Hb

HIS (F8)

Sự kết hợp giữa Hem và Globin

 Nguyên tử Fe gồm 6 liên kết:

+ 2 liên kết cộng hóa trị

+ 4 liên kết phối trí

 Khi kết hợp oxy, nguyên tử Fe vẫn

hóa trị 2 → đây là phản ứng gắn oxy

chứ không phải là sự oxy hóa N

N

O2N

N

(E7)

Bán đơn vị Hb tự do và kết hợp oxy

GLOBIN

M V

M P

M P

N

N

 Protein hình cầu, đường kính 5,5 nm.

 Gồm 4 bán đơn vị giống nhau từng đôi một.

 Mỗi bán đơn vị:

1 Hem và 1 chuỗi polypeptid.

 Trọng lượng phân tử Hb: 64456 Da

 Khoảng cách giữa các Hem/Hb ≈ 2,5nm.

 Fe+2 trong Hb ≈ 0,34%.

Bán đơn vị của Hb

Tổng hợp Hemoglobin

Các chuỗi alpha & beta

Tổng hợp globin

• Những loại globin khác nhau kết hợp với hem để tạo thành các Hb khác nhau

• Những gen mã hóa các chuỗi globin:

ngắn nhiễm sắc thể 11

nhiễm sắc thể 16

Globin bắt đầu được tổng hợp từ tuần thứ 3 của thai kỳ

Biểu đồ quá trình tổng hợp

các chuỗi globin

Gan Lách Tủy xương

Túi noãn hoàng

Sau sinh(tuần)

%

Chức năng Hemoglobin

• Vận chuyển oxy đến mô

• Phản ứng giữa Hb & oxygen:

(2,3-Diphosphoglycerate)…

Ở phổi: phân áp O2 cao → 95-98% Hb kết hợp oxy → theo máu đến mô.

Ở mô: phân áp O2 thấp (40mmHg) phản ứng xảy ra theo chiều nghịch, HbO2 phân ly, nhả O2 cho mô →chức năng của Hb trong hô hấp

Đường cong phân ly

oxy -hemoglobin

• Sự kết hợp và phân ly giữa O2 và Hb được xác định bởi phân áp oxy (pO2)

• Có dạng Sigma

gắn oxy vào hem thứ 2 (cơ chế hiệp cooperative)

Đường cong phân ly Hb-oxy

(đường cong Barcroft)

Phân áp oxy

Đường cong phân ly Hb - oxy

∗ Ở phần PO2 thấp (nơi HbO2 nhả O2 cho mô): đường cong rất dốc ↔ 1 sự thay đổi nhỏ của PO2 sẽ làm thay đổi sự giao O2 cho mô một cách đáng kể ⇒ giúp hằng định PO2/mô

∗ Ở phần PO2 cao (nơi Hb lấy O2 từ phổi) đường cong tà:

PO2: 60mmHg → bão hòa Hb với O2: 89%

PO2 ↑ 500 thì độ bão hòa HbO2 cũng chỉ 100%

→ PO2 môi trường, phế nang có thể thay đổi nhiều nhưng độ bão hòa HbO2 & lượng oxy giao mô không bị giao động lắm

⇒ PO2 mô ổn định

⇒ Hb có tính đệm giúp PO2/ mô ổn định, đảm bảo sự hằng định nội môi

• Vị trí bình thường của đường cong tùy thuộc vào:

Oxy & deoxyhemoglobin

Hb – Tính chất (2)

2.Kết hợp vớI carbondioxyd (CO2) tạo carbonyl Hb (CO2Hb)

CO2: Sản phẩm chuyển hóa ở các mô → thải ra ngoài

Máu TM: 50-60ml CO2/100ml máu

Máu ĐM: 50-53ml CO2/100ml máu.

Ở PO2 = 40mmHg, 37 o C, chỉ 2,9ml CO2 hòa tan → phải vận chuyển bằng nhiều cách.

a) Hb kết hợp trực tiếp với CO2: qua nhóm NH2 tự do của Globin tạo thành carbonyl Hb(HbCO2)

R-NH2 + CO2 ↔ R-NH-COOH

(dẫn xuất carbamyl) P/ư xảy ra → hoặc ← tùy thuộc PCO2

∗ Ở mô : PCO2 = 46mmHg : phản ứng theo chiều thuận

∗ Ở phổi: PCO2 = 36mmHg : phản ứng theo chiều nghịch

b) Hb vận chuyển gián tiếp CO2:

CO2 thẩm thấu từ các mô vào máu:

CO2 + H2O H2CO3 ↔ H+ +

CA ( carbonic anhydrase)

H+ gắn vào His (146) tận cùng chuỗi β của Hb tự do (vừa giải phóng O2) tạo Hb2H+

→ đến phổi: H+ được giảI phóng + HCO3- ⇒ H2CO3.

H2CO3 H2O + CO2 ↑

CA

CỦA Hb

CA

CA

(Carbonic Anhydrase)

Hb – Tính chất (3)

3.Kết hợp với Oxyd carbon (CO): tạo carbon monoxyd Hb (HbCO) rất bền vững.

 CO có ái lực với Hb gấp 210 lần so với oxy

 CO có thể đẩy O2 ra khỏi HbO2

Hb + CO HbCO HbO2 + CO HbCO + O2

 Trong trường hợp ngộ độc CO:

α 2 ζ

Hemoglobin electrophoresis:

Variants of sickle cell anemia

Hemoglobin electrophoresis:

Identification of abnormal hemoglobins