헤모글로빈

Hemoglobin
헤모글로빈
(heterotetramer, (αβ)2)
1GZX Haemoglobin.png
인간 헤모글로빈의 구조.α와 β 서브유닛은 각각 적색과 청색으로, 철분 heme 그룹은 녹색으로 한다.PDB 출처: 1GZX Proteopedia Hemoglobin
단백질형메탈로프로테인, 글로불린
함수산소 호흡의
Cofactor헤미 (4)
서브유닛명 유전자 염색체 위치
Hb-α1 HBA1 16번 씨 페이지 13.3
Hb-α2 HBA2 16번 씨 페이지 13.3
Hb-β HBB 11번 씨 p15.5

적혈구 거의 모든 vertebrates[3](그 예외는 물고기 가족 Channichthyidae[4])의 뿐만 아니라(적혈구)에 헤모글로빈,(헤모글로빈 BrE)(그리스 단어 αἷμα에서, haîma 혈액의+라틴 globus 'ball, 영역의+-in)(/ˌhiːməˈɡloʊbɪn, ˈhɛmoʊˌ-[1][2]), 약식도나 헤모글로빈은 iron-containing oxygen-transport 금속 단백질. 그 tissu로몇몇 무척추동물의 es.혈액 속의 헤모글로빈은 호흡기(폐 또는 아가미)에서 몸의 나머지 부분(조직)으로 산소를 운반한다.거기서 산소를 방출하여 신진대사라고 불리는 과정에서 유기체의 동력 기능에 에너지를 공급하기 위해 유산소 호흡을 허용한다.건강한 인간은 혈액 100mL당 12~20g의 헤모글로빈을 가지고 있다.

포유류에서 크로모프로테인은 적혈구 건조함량(중량 기준)의 약 96%, 총 함량(물 포함)의 약 35%를 차지한다.[5]헤모글로빈은 그램 당 1.34 mL O의2 산소 결합 능력을 갖고 [6]있어 혈액 내 용존 산소에 비해 총 혈액 산소 용량이 70배 증가한다.포유류 헤모글로빈 분자는 최대 4개의 산소 분자를 결합시킬 수 있다.[7]

헤모글로빈은 다른 기체의 운송에 관여한다.신체의 호흡기 이산화탄소(총량의[8] 약 20~25%) 일부를 카바미노헤모글로빈으로 운반하는데, 이 중 CO는2 헤메 단백질과 결합한다.이 분자는 또한 글로빈 단백질의 티올 그룹에 묶인 중요한 규제 분자 질소산화물을 운반하여 산소와 동시에 방출한다.[9]

헤모글로빈은 적혈구와 그 시조선 바깥에서도 발견된다.헤모글로빈을 함유하고 있는 다른 세포로는 실체성 니그라의 A9 도파민성 뉴런, 대식세포, 폐, 망막색소상피세포, 간세포, 신장의 중간세포, 자궁내막세포, 자궁경부세포, 질상피세포 등이 있다.[10]이러한 조직에서 헤모글로빈은 항산화제로서의 비산소 운반기능과 철 신진대사의 조절기능을 가지고 있다.[11]혈중 포도당이 과다하면 헤모글로빈에 달라붙어 헤모글로빈 A1c의 수치를 높일 수 있다.[12]

헤모글로빈과 헤모글로빈 같은 분자는 또한 많은 무척추동물, 곰팡이, 식물에서도 발견된다.[13]이러한 유기체에서 헤모글로빈은 산소를 운반하거나 이산화탄소, 질소산화물, 황화수소, 황화물과 같은 다른 작은 분자와 이온을 운반하고 조절하는 작용을 할 수 있다.레그헤모글로빈이라고 불리는 분자의 변종은 레그모글로빈으로 불리는 산소를 산소의 독성(비활성화)이 생기지 않도록 레그모글로빈 식물의 질소 고정 결절과 같은 혐기성 계통으로부터 제거하는데 사용된다.

헤모글로빈혈증은 혈장에 헤모글로빈이 과다하게 존재하는 질환이다.이는 헤모글로빈이 빈혈의 일종인 적혈구와 분리되는 혈관 내 용혈증의 영향이다.

연구이력

막스 페루츠는 헤모글로빈과 미오글로빈의[14] 분자구조를 결정하는 연구로 노벨 화학상을 수상했다.

1825년 요한 프리드리히 엥겔하트는 여러 종의 헤모글로빈에서 철분 대 단백질 비율이 동일하다는 것을 발견했다.[15][16]그는 알려진 철의 원자 질량으로부터 헤모글로빈의 분자 질량을 n × 16000(n = 현재 4로 알려진 헤모글로빈당 철 원자의 수)으로 계산했다.이 "성급한 결론"은 어떤 분자도 그렇게 클 수 있다는 것을 믿을 수 없었던 과학자들로부터 당시 많은 비웃음을 샀다.길버트 스미스슨 아데어는 헤모글로빈 용액의 삼투압 측정으로 1925년 엥겔하트의 결과를 확인했다.[17]

적어도 1794년부터 혈액이 산소를 운반하는 것으로 알려져 있었지만 헤모글로빈의 산소 운반 성질은 1840년 후네펠트에 의해 설명되었다.[18][19][20]1851년 독일의 생리학자 오토 펑케는 일련의 논문을 발표했는데, 그가 적혈구를 순수, 알코올 또는 에테르와 같은 용매로 연속적으로 희석시킨 다음, 그 결과 단백질 용액에서 용매의 느린 증발에 따라 성장하는 헤모글로빈 결정을 묘사했다.[21][22]헤모글로빈의 역행성 산소화는 몇 년 후 펠릭스 호페-세일러에 의해 설명되었다.[23]

X선 결정학의 발달로 단백질 구조의 염기서열이 가능해졌다.[24]1959년 막스 페루츠는 헤모글로빈의 분자구조를 결정했다.[25][26]이 작품을 위해 그는 1962년 노벨 화학상을 존 켄드류(John Kendrew)와 공유했는데, 그는 구상 단백질 미오글로빈 서열을 만들었다.[24][27]

혈액 속 헤모글로빈의 역할은 프랑스의 생리학자 클로드 베르나르에 의해 해명되었다.헤모글로빈이라는 이름은 헤모글로빈과 글로빈이라는 단어에서 유래되었는데, 헤모글로빈의 각 하위 단위는 헤모글로빈 그룹이 내장된 구상 단백질이라는 사실을 반영하고 있다.각 헤미 그룹은 이온 유도 쌍극자 힘을 통해 하나의 산소 분자를 결합시킬 수 있는 하나의 철 원자를 포함하고 있다.포유류에서 가장 흔한 형태의 헤모글로빈은 4개의 그런 부유닛을 포함하고 있다.

유전학

헤모글로빈은 단백질 서브유닛(글로빈 분자)으로 구성되며, 이들 단백질은 차례로 폴리펩타이드라고 불리는 많은 다른 아미노산의 접힌 사슬이다.세포에 의해 생성되는 모든 폴리펩타이드의 아미노산 염기서열은 유전자라고 불리는 DNA의 스트레칭에 의해 차례로 결정된다.모든 단백질에서 단백질의 화학적 특성과 기능을 결정하는 것은 아미노산 염기서열이다.

두 개 이상의 헤모글로빈 유전자가 있다: 인간에서 헤모글로빈 A(성인에게 존재하는 헤모글로빈의 주요 형태)는 유전자인 HBA1, HBA2, HBB에 의해 코딩된다.[28]헤모글로빈 소단위 알파 1과 알파 2는 각각 HBA1과 HBA2 유전자에 의해 코딩되는데, 이들은 모두 16번 염색체에 있고 서로 가까이 있다.헤모글로빈 서브 유닛 베타 는 11번 염색체에 있는 HBB 유전자에 의해 코딩된다.헤모글로빈에 있는 글로빈 단백질의 아미노산 염기서열은 보통 종마다 다르다.이러한 차이는 종들 사이의 진화적인 거리에 따라 증가한다.예를 들어 인간, 보노보와 침팬지에게서 가장 흔한 헤모글로빈 염기서열은 알파나 베타 글로빈 단백질 체인의 아미노산 차이조차 전혀 없이 완전히 동일하다.[29][30][31]인간과 고릴라 헤모글로빈은 알파 사슬과 베타 사슬 모두에서 하나의 아미노산이 다른 반면, 이러한 차이는 덜 밀접하게 연관되어 있는 종들 사이에서 더 크게 자란다.

한 염기서열은 보통 각 종에서 "가장 흔하다"지만, 종 내에서도 헤모글로빈의 변형이 존재한다.종에서 헤모글로빈 단백질의 유전자에 돌연변이는 헤모글로빈 변형을 초래한다.[32][33]이러한 돌연변이 형태의 헤모글로빈은 질병을 일으키지 않는다.그러나 이러한 돌연변이 형태의 헤모글로빈은 헤모글로빈병이라고 불리는 유전성 질환을 일으킨다.가장 잘 알려진 헤모글로빈병증은 겸상세포 질환으로, 분자 수준에서 메커니즘이 이해된 최초의 인간 질병이었다.탈라세미아라고 불리는 별개의 질병들은 글로빈 유전자 조절의 문제와 돌연변이를 통해 정상적이고 때로는 비정상적인 헤모글로빈의 생산을 저하시켜야 한다.이 모든 질병은 빈혈을 일으킨다.[34]

인간 헤모글로빈 단백질, 알파, 베타, 델타 서브유닛의 단백질 정렬.정렬은 UniProt의 정렬 도구를 사용하여 온라인으로 작성되었다.

헤모글로빈 아미노산 염기서열의 변화는 다른 단백질과 마찬가지로 적응할 수 있다.예를 들어 헤모글로빈은 높은 고도에 다른 방식으로 적응하는 것으로 밝혀졌다.높은 고도에 사는 유기체는 해수면보다 낮은 산소의 부분 압력을 경험한다.이는 일반적으로 산소를 높은 부분압의 산소로 결합하는 헤모글로빈이 낮은 압력으로 존재할 때 산소를 결합할 수 있어야 하기 때문에 그러한 환경에 서식하는 유기체에 대한 도전을 나타낸다.다른 유기체들이 그러한 도전에 적응해 왔다.예를 들어, 최근의 연구는 산에 사는 사슴 쥐가 높은 고도를 동반하는 얇은 공기 속에서 어떻게 살아남을 수 있는지를 설명하는 데 도움을 주는 사슴 쥐의 유전적 변형을 제안했다.네브라스카-링컨 대학의 한 연구원은 저지대 대초원에 사는 사슴 쥐와 산간의 차이를 설명할 수 있는 네 개의 다른 유전자에서 돌연변이를 발견했다.고원과 저지대에서 모두 포획된 야생 쥐를 조사한 결과, 두 품종의 유전자는 "헤모글로빈의 산소 운반 능력을 좌우하는 유전자를 제외하면 사실상 동일하다"는 것이 밝혀졌다."유전적 차이 때문에 고지대 쥐들은 산과 같이 높은 고도에서 더 적은 양의 산소를 사용할 수 있기 때문에 그들의 산소와 같은 고도에서 더 적은 양의 산소를 사용할 수 있기 때문이다.[35]매머드 헤모글로빈은 낮은 온도에서 산소를 공급할 수 있는 돌연변이를 특징으로 하여, 플리스토세 기간 동안 매머드들이 높은 위도로 이주할 수 있게 했다.[36]이것은 안데스 산맥에 서식하는 벌새에서도 발견되었다.벌새는 이미 많은 에너지를 소비하여 높은 산소를 필요로 하지만 안데스 벌새는 높은 고도에서 번성하는 것으로 밝혀졌다.Non-synonymous mutations in the hemoglobin gene of multiple species living at high elevations (Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas, and A. viridicuada) have caused the protein to have less of an affinity for inositol hexaphosphate (IHP), a molecule found in birds that has a similar role as 2,3-BPG in humans; this results in the a낮은 부분 압력에서 산소를 결합할 수 있는 [37]빈도

조류 특유의 순환기 폐는 O의2 낮은 부분압력에서도 산소의 효율적 사용을 촉진한다.이 두 가지 어댑테이션은 서로를 보강하며 새들의 놀라운 고공행진을 설명한다.

헤모글로빈 적응은 인간에게도 확장된다.4,000m에 거주하는 높은 산소 포화 유전자형을 가진 티베트 여성들 사이에서 더 높은 자손 생존율이 있다.[38]헤모글로빈-산소 친화력이 낮은 여성의 자손 사망률에 비해 헤모글로빈-산소 친화력이 높은 여성의 경우 자손 사망률이 현저히 낮기 때문에 자연선택이 이 유전자에 작용하는 주력으로 보인다.이러한 현상이 발생하는 정확한 유전자형과 메커니즘은 아직 분명하지 않지만, 선택은 낮은 부분 압력으로 산소를 결합시키는 이러한 여성들의 능력에 작용하고 있으며, 이것은 전반적으로 그들이 중요한 대사 과정을 더 잘 유지할 수 있게 해준다.

합성

헤모글로빈(Hb)은 복잡한 일련의 단계로 합성된다.헤메 부분은 미토콘드리아와 미성숙 적혈구의 시토솔에서 일련의 단계로 합성되며, 글로빈 단백질 부분은 시토솔에서 리보솜에 의해 합성된다.[39]Hb의 생산은 프로레스트로블라스트에서 골수의 레티쿨로피세포에 이르는 초기 발달 과정 내내 세포에서 계속된다.이 시점에서, 핵은 포유류의 적혈구에서는 사라지지만, 새와 많은 다른 종에서는 사라지지 않는다.포유류에서 핵이 상실된 후에도 잔류 리보솜 RNA는 혈관조직에 들어간 직후 레티쿨로세포가 RNA를 잃을 때까지 Hb의 추가 합성을 가능하게 한다(사실 이 헤모글로빈-합성 RNA는 레티컬로피세포에 레티컬레이션된 외형과 이름을 부여한다).[40]

헤메의 구조

헤메 b군

헤모글로빈은 많은 다단위 구상 단백질의 4분위 구조를 가지고 있다.[41]헤모글로빈에 있는 대부분의 아미노산은 알파 나선형을 형성하며, 이러한 나선은 짧은 비헬리컬 세그먼트로 연결되어 있다.수소 결합은 이 단백질 내부의 나선 부분을 안정시켜 분자 내의 매력을 유발하고, 그 다음 각 폴리펩타이드 체인이 특정한 모양으로 접히게 한다.[42]헤모글로빈의 2분위 구조는 대략 4면체 배열의 4개의 아유닛에서 나온다.[41]

대부분의 척추동물에서 헤모글로빈 분자는 4개의 구상 단백질 아유니트로 이루어진 집합체다.각 서브유닛은 비단백 보형물 헤임 그룹과 밀접하게 연관된 단백질 체인으로 구성된다.각 단백질 체인은 글로빈 접이식 배열로 서로 연결된 알파 헥스 구조 세그먼트를 배열한다.이러한 배열이 미오글로빈과 같은 다른 헤메/글로빈 단백질에서 사용되는 것과 동일한 접이식 모티프이기 때문에 붙여진 이름이다.[43][44]이 접이식 패턴은 헴 그룹을 강하게 묶는 주머니를 포함하고 있다.

헤메 그룹은 포피린으로 알려진 헤테로사이클릭 링에 고정된 철(Fe) 이온으로 구성된다.이 포르피린 링은 4개의 피롤 분자가 (메틴 브리지에 의해) 철 이온을 중심에 묶은 상태로 순환적으로 연결되어 있다.[45]산소 결합 부위인 철 이온은 모두 한 평면에 놓여 있는 고리의 중앙에 있는 네 개의 질소 원자와 조응한다.헤미는 포피린 링 아래의 F8 히스티딘 잔여물(근위 히스티딘이라고도 함)의 이미다졸 링의 N 원자를 통해 구상 단백질에 강하게(공칭적으로) 결합된다.여섯 번째 위치는 좌표 공밸런트 결합에 의해 역방향으로 산소를 결합시킬 수 있으며,[46] 6개의 리간드로 이루어진 팔면 그룹을 완성한다.이러한 산소와의 가역적 결합은 헤모글로빈이 인체 주위로 산소를 운반하는 데 매우 유용한 이유다.[47]산소는 한 개의 산소 원자가 Fe에 결합하고 다른 하나는 비스듬히 돌출하는 "엔드온 구부러진" 기하학에서 결합한다.산소가 결합되지 않으면 매우 약하게 결합된 물 분자가 그 부지를 채우며 일그러진 팔면체를 형성한다.

이산화 탄소는 헤모글로빈에 의해 운반되지만 철제 결합 위치에서는 산소와 경쟁하지 않고 헤미 그룹에 부착된 단백질 체인의 아민 그룹에 결합된다.

철 이온은 철성 Fe2+ 또는 철성 Fe3+ 상태일 수 있으나, 페리헤모글로빈(메트헤모글로빈3+)은 산소를 결합할 수 없다.[48]결합에서 산소는 일시적으로, 그리고 역방향으로 산화(Fe2+)하여 (Fe3+)로, 산소는 일시적으로 과산화이온으로 변하므로 철은 +2 산화 상태로 존재하여 산소를 결합해야 한다.Fe와3+ 연관된 과산화지질이온을 양성하면 헤모글로빈 철은 산화된 상태로 남아 산소를 결합할 수 없게 된다.이런 경우, 메트헤모글로빈 환원효소는 결국 철중심을 줄여 메트헤모글로빈을 재활성화할 수 있게 된다.

성인 인간에서 가장 흔한 헤모글로빈 타입은 헤모글로빈 A라고 불리는 테트라머(하위단백질 4개 포함)로, 각각 141개 및 146개의 아미노산 잔류물로 만들어진 2개의 α와 2개의 β 서브유닛으로 구성된다.이것은 αβ로22 표시된다.서브유닛은 구조적으로 비슷하고 크기가 거의 같다.각 소분자는 약 16,000 달톤의 분자량을 가지며,[49] 약 64,000 달톤의 총 분자량(64,458 g/mol)이다.[50]따라서 1 g/dL = 0.1551 mmol/L이다.헤모글로빈 A는 헤모글로빈 분자 중 가장 집중적으로 연구된 분자다.

인간의 유아에서 헤모글로빈 분자는 2 α 사슬과 2 α 사슬로 이루어져 있다.γ 체인은 신생아가 성장함에 따라 점차 β 체인으로 대체된다.[51]

4개의 폴리펩타이드 체인은 소금교량, 수소결합, 소수성 효과에 의해 서로 묶여 있다.

산소 포화도

일반적으로 헤모글로빈은 산소 분자(옥시헤모글로빈)로 포화되거나 산소 분자(데옥시헤모글로빈)로 불포화 될 수 있다.[52]

옥시헤모글로빈

옥시헤모글로빈은 적혈구 내 단백질 헤모글로빈의 헤메 성분과 산소가 결합할 때 생리적 호흡 중에 형성된다.이 과정은 폐의 폐에 인접한 폐 모세혈관에서 발생한다.그리고 나서 산소는 혈류를 통과하여 세포에 떨어지게 되는데, 여기서 산소는 산화 인산화 과정에 의해 ATP 생산에 있어 단자 전자 수용기로 활용된다.그러나 혈중 pH의 감소를 상쇄하는 것은 도움이 되지 않는다.환기 또는 호흡은 이산화탄소를 제거함으로써 이 상태를 역전시킬 수 있으며, 따라서 pH의 상승 변화를 야기할 수 있다.[53]

헤모글로빈은 팽팽한(텐스) 형태(T)와 느긋한 형태(R)의 두 가지 형태로 존재한다.조직 수준의 낮은 pH, 높은 CO2, 높은 2,3 BPG 등 다양한 요인이 산소 친화력이 낮고 조직 내 산소를 배출하는 taut 형태를 선호한다.반대로, 높은 pH, 낮은 CO2 또는 낮은 2,3 BPG는 산소를 더 잘 결합시킬 수 있는 완화된 형태를 선호한다.[54]또한 시스템의 부분 압력은 높은 산소 부분 압력(예: 연금술에 존재하는 압력)에서 이완(높은 친화력, R) 상태가 선호되는2 O 친화력에 영향을 미친다.반대로 낮은 부분 압력(예: 재전송 조직에 존재하는 압력)에서는 (낮은 친화력, T) 긴장 상태가 선호된다.[55]또한 철에 산소를 결합한다(II) 헤메는 약간의 순응적인 변화를 일으키면서 쇠를 포르피린 링의 면으로 끌어당긴다.이러한 변화는 산소가 헤모글로빈 내에 남아 있는 세 개의 헤메 단위에 결합하도록 장려한다(즉, 산소 결합은 협력적이다.

탈산성 헤모글로빈

탈산소화 헤모글로빈(deoxyhemoglobin)은 결합 산소가 없는 헤모글로빈의 형태다.옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 흡수 스펙트럼은 서로 다르다.옥시헤모글로빈은 데옥시헤모글로빈보다 660nm 파장의 흡수가 현저히 낮은 반면 940nm에서는 흡수가 약간 더 높다.이 차이는 맥박산소측정기라는 기구에 의해 환자의 혈액에 있는 산소량을 측정하는 데 사용된다.이 차이는 또한 저산소증 동안 조직이 발달하는 청색에서 청록색까지의 색채인 청록색증 발현에 대해서도 설명한다.[56]

탈산소 헤모글로빈은 파라마그네틱으로, 자기장에 약하게 끌린다.[57][58]이와는 대조적으로 산소화된 헤모글로빈은 자기장에서의 약한 반발인 직경을 나타낸다.[58]

척추동물 헤모글로빈의 진화

과학자들은 미오글로빈과 헤모글로빈을 분리시킨 사건이 램프레이가 턱이 있는 척추동물로부터 분리된 후 발생했다는 데 동의한다.[59]이러한 미오글로빈과 헤모글로빈의 분리는 두 분자의 서로 다른 기능들을 발생시키고 발달하게 했다: 미오글로빈은 산소 저장과 더 많은 관련이 있는 반면 헤모글로빈은 산소 운반과 관련된 것이다.[60]α와 β 같은 글로빈 유전자는 단백질의 개별 하위 단위를 암호화한다.[28]이들 유전자의 전신은 또한 4억 5억 년 전 턱이 없는 물고기로부터 유래된 그나토솜 공통 조상 이후 또 다른 복제 사건을 통해 생겨났다.[59]조상 재건 연구에서는 α와 β 유전자의 포식 조상이 동일한 글로빈 서브유닛으로 이루어진 조광기였으며, 그 후 복제 후 4중 구조로 조립되도록 진화되었다고 한다.[61]α와 β 유전자의 발달은 헤모글로빈이 산소를 운반하는 능력에 중심이 되는 물리적 구성인 여러 개의 뚜렷한 서브유닛으로 구성될 수 있는 가능성을 만들어냈다.여러 개의 서브유닛을 갖는 것은 헤모글로빈이 산소를 협력적으로 결합하는 것은 물론 알로스테리적으로 조절되는 능력에 기여한다.[60][61]그 후 α 유전자는 HBA1과 HBA2 유전자를 형성하는 복제 이벤트도 거쳤다.[62]이러한 추가 복제와 다이버전스는 다양한 범위의 α와 β와 같은 글로빈 유전자를 만들어냈으며, 특정한 형태가 서로 다른 발달 단계에서 발생하도록 조절된다.[60]

찬니크시과의 대부분의 얼음 물고기는 찬물에 적응하기 위해 헤모글로빈 유전자를 잃었다.[4]

옥시헤모글로빈 내 철의 산화 상태

산소화된 헤모글로빈의 산화 상태를 할당하는 것은 실험측정에 의한 옥시헤모글로빈(Hb-O2)은 직경(순물 비장해 전자가 없음)이지만 산소와 철 모두에서 가장 낮은 에너지(지상 상태) 전자 구성은 파라마그네틱(복합체에서 적어도 한 개의 미장해 전자를 암시함)이기 때문에 어렵다.가장 낮은 에너지 형태의 산소와 철의 관련 산화 상태의 가장 낮은 에너지 형태는 다음과 같다.

  • 가장 낮은 에너지 분자 산소종인 트리플트 산소는 항균성 ** 분자 궤도상에 두 개의 미숙련 전자를 가지고 있다.
  • 철(II)은 4개의 전자가 손상되지 않은 고 스핀 3d6 구성으로 존재하는 경향이 있다.
  • 철(III)(3d5)은 홀수 수의 전자를 가지므로 어떤 에너지 상태에서도 하나 이상의 비절연 전자를 가져야 한다.

이 모든 구조물은 직경이 아닌 파라마그네틱(비쌍한 전자)이다.따라서 관측된 직경 및 비장해 전자가 없음을 설명하기 위해서는 철과 산소의 조합에서 전자의 비직관적(예: 적어도 한 종에 대한 높은 에너지) 분포가 존재해야 한다.

직자기(넷 스핀 없음) Hb-O를2 생성할 수 있는 두 가지 논리적 가능성은 다음과 같다.

  1. 저 스핀 Fe는2+ 산소에 결합한다.저스핀 철과 싱글릿 산소는 모두 직각성이다.그러나, 산소의 싱글렛 형태는 분자의 더 높은 에너지 형태다.
  2. 저스핀 Fe는3+ O2•−(과산화이온)에 결합하고, 두 개의 미숙련 전자는 반자성을 결합하여 관찰된 직자성을 부여한다.여기서 철은 산화(전자 1개를 잃었고), 산소는 감소(전자 1개를 얻었다)되었다.

저스핀페가4+ 과산화물에 결합하는 또 다른 가능한 모델인 O는22− 철이 파라마그네틱이기 때문에(과산화이온은 직경이오나) 저절로 배제될 수 있다.여기서 철은 두 개의 전자에 의해 산화되었고, 산소는 두 개의 전자에 의해 감소되었다.

직접 실험 데이터:

  • X선 광전자 분광학에서는 철의 산화 상태가 약 3.2임을 시사한다.
  • O-O 본드의 적외선 진동 주파수는 과산화물(약 1.6의 본드 오더, 과산화물 1.5)에 맞는 본드 길이를 제안한다.
  • 철 K-edge의 X선 흡수 가장자리 구조.모든 메트헤모글로빈 종에 대해 데옥시헤모글로빈과 옥시헤모글로빈 사이의 5 eV의 에너지 이동은 Fe보다3+2+ Fe 보다 가까운 실제 국부 전하량을 강력히 시사한다.[63][64][65]

따라서 Hb-O에서2 철의 가장 가까운 형식 산화 상태는 +3 상태이며 산소는 -1 상태(과산화물)이다.O2−. 이 구성의 직경성은 (저스핀5 d 상태에서) 철의 단일 비절연 전자와 반엽을 정렬하는 과산화질소의 단일 비절연 전자에서 발생하여 실험의 직경 자기 옥시헤모글로빈에 따라 전체 구성에 순 스핀을 주지 않는다.[66][67]

실험에 의해 정확하게 발견되는 직자성 옥시헤모글로빈에 대한 위의 논리적 가능성의 두 번째 선택은 놀랍지 않다:싱글렛 산소(가능성 #1)는 비현실적으로 높은 에너지 상태라는 것이다.모델 3은 공진 형태로서 경미한 기여를 할 수 있지만, 불리한 전하 분리(그리고 자기 데이터에 동의하지 않음)로 이어진다.철이 Hb-O에서2 더 높은 산화 상태로 전환되면 원자의 크기가 감소하고, 이를 포르피린 링의 평면으로 들어가게 하여 조정된 히스티딘 잔여물을 잡아당겨 글로불린에서 보이는 알로스테릭 변화를 일으킨다.

생물-유기화학의 초기 가설은 가능성 #1(위)이 정확하며 산화상태 II에서 철이 존재해야 한다고 주장했다.이러한 결론은 철 산화 상태 III가 메트헤모글로빈이기 때문에 과산화지질을 동반하지 않을 때 가능한 것으로 보인다.산화2− 전자를 "보유"하는 O는 헤모글로빈이 공기 중에 발생할 때 정상적인 트리플트 O를2 결합할 수 없게 하는 것으로 알려져 있었다.따라서 산소가스가 폐에 결합되었을 때 철은 Fe(II)로 남아 있는 것으로 추정되었다.이 이전의 고전적인 모델에서 철 화학은 우아했지만, 직설적이고 고 에너지인 싱글렛 산소 분자의 필수 존재는 결코 설명되지 않았다.산소 분자의 결합이 고스핀 철()을 배치한다는 것이 고전적으로 주장되었다.II) 강장 리간드의 팔면장; 이 장의 변화는 에너지를 분할하는 결정장을 증가시켜 철의 전자가 저 스핀 구성으로 쌍을 이루게 하며, 이는 Fe(II)에서 직경이 될 것이다.이 강제적인 저 스핀 페어링은 실제로 산소가 결합할 때 철에서 일어나는 것으로 생각되지만, 철의 크기 변화를 설명하기에는 충분하지 않다.산소에 의한 철에서 추가 전자를 추출하는 것은 철의 작은 크기와 관찰된 산화 상태 증가와 산소의 약한 결합을 설명하는데 필요하다.

전수 산화 상태의 배정은 형식주의인데, 공밸런트 결합은 전자의 전달을 수반하는 완벽한 결합 순서를 가질 필요가 없기 때문이다.따라서 파라마그네틱 Hb-O에2 대한 세 가지 모델은 모두 Hb-O의2 실제 전자 구성에 어느 정도(공명에 의해) 기여할 수 있다.그러나 Hb-O가2 Fe(III)가 되는 철의 모형은 Fe(II)로 남아 있다는 고전적인 생각보다 더 정확하다.

협력성

분자로 시각화를 용이하게 하기 위해 4개의 모노머와 헴, 그리고 단백질 체인을 도식화된 코일로만 보여주는 산소 결합 과정의 도식적인 시각적 모델.산소는 이 모델에서는 보이지 않지만, 각각의 철 원자에 대해서는 평평한 헤메의 철(붉은 구)에 결합한다.예를 들어, 표시된 4개의 헤메인 중 왼쪽 상단에 있는 다이어그램의 왼쪽 상단에 표시된 철 원자의 왼쪽에 산소가 결합된다.이로 인해 철 원자가 그것을 잡고 있는 헤메(철기는 산소를 결합하면서 위쪽으로 이동함), 히스티딘 잔여물(철 오른쪽의 빨간색 펜타곤으로 모델링됨)을 더 가깝게 잡아당기게 된다.이것은 히스티딘을 잡고 있는 단백질 사슬을 잡아당긴다.

산소가 철 복합체에 결합하면 철 원자가 다시 포르피린 링의 평면 중앙 쪽으로 이동하게 된다(이동 도표 참조).동시에 철의 다른 극에서 상호작용하는 히스티딘 잔여물의 이미다졸 사이드 체인을 포르피린 링 쪽으로 당긴다.이 상호작용은 테트라머의 바깥쪽을 향해 링의 평면을 옆으로 밀어내고, 또한 히스티딘이 철 원자에 더 가까이 이동하면서 히스티딘을 함유한 단백질 나선의 변형을 유도한다.이 변종은 테트라머에 있는 나머지 3개의 모노머에 전달되며, 다른 헤임 부위의 유사한 순응적 변화를 유도하여 이러한 부위로 산소를 결합하는 것이 쉬워진다.

산소가 하나의 헤모글로빈 모노머에 결합함에 따라 테트라머의 순응은 T(텐스) 상태에서 R(완화) 상태로 이동한다.이러한 변화는 산소의 결합을 나머지 3개의 모노머 헤메 그룹에 촉진시켜 헤모글로빈 분자를 산소로 포화시킨다.[68]

정상적인 성인 헤모글로빈의 4중격 형태에서 산소의 결합은 협력적인 과정이다.산소에 대한 헤모글로빈의 결합 친화력은 분자의 산소 포화에 의해 증가되며, 첫 번째 결합 산소 분자는 결합에 유리한 방식으로 다음 결합 지점의 형상에 영향을 미친다.이러한 양의 협력적 결합은 위에서 논의한 바와 같이 헤모글로빈 단백질 복합체의 강체 순응적 변화를 통해 달성된다. 즉, 헤모글로빈 내 하나의 서브유닛 단백질이 산소가 되면 전체 복합체에서 순응적 또는 구조적 변화가 시작되어 다른 서브유닛이 산소에 대한 친화력을 증가시킨다.그 결과 헤모글로빈의 산소 결합 곡선은 비협조 결합과 관련된 정상적인 쌍곡선과 반대로 S자형 또는 S자형이다.

헤모글로빈에서의 협력성의 동적 메커니즘과 저주파 공명과의 관계가 논의되었다.[69]

산소 이외의 리간드에 대한 결합

헤모글로빈에 협조적으로 결합하는 산소 리간드 외에도 헤모글로빈 리간드에는 일산화탄소(CO) 등 경쟁 억제제와 이산화탄소(CO2), 일산화질소(NO) 등 알로스테리 리간드도 포함된다.이산화탄소는 카바미노헤모글로빈을 형성하기 위해 글로빈 단백질의 아미노그룹과 결합된다; 이 메커니즘은 포유류에서 이산화탄소 수송의 약 10%를 차지하는 것으로 생각된다.산화질소는 헤모글로빈에 의해서도 운반될 수 있다; 그것은 헤모글로빈이 헤모글로빈 부위에서 산소를 방출하기 때문에 다시 자유로운 산화질소와 티올로 분리되는 S-니트로소티올을 형성하기 위해 글로빈 단백질의 특정 티올 그룹과 결합된다.이 질소산화물을 말초 조직으로 운반하는 것은 혈관성 질소산화물을 산소 농도가 낮은 조직에 방출함으로써 조직 내 산소 운반에 도움이 되도록 가설을 세운다.[70]

경쟁력

산소의 결합은 일산화탄소와 같은 분자에 의해 영향을 받는다(예를 들어, 흡연, 배기가스, 용해로의 불완전 연소).CO는 heme 결합 부위에서 산소와 경쟁한다.헤모글로빈의 CO에 대한 결합 친화력은 산소에 대한 친화력보다 250배나 높으며,[71][72] 이는 소량의 CO가 헤모글로빈의 대상 조직으로의 산소 전달 능력을 획기적으로 떨어뜨린다는 것을 의미한다.[73]일산화탄소는 무색, 무취, 무미취의 기체로 치명적 위협이 될 가능성이 있기 때문에 일산화탄소 검출기가 상업적으로 사용 가능해 주택 내 위험 수위에 대해 경고하고 있다.헤모글로빈이 CO와 결합하면 카복시헤모글로빈이라는 매우 밝은 적색 화합물을 형성하는데, 이는 CO중독 피해자들의 피부가 흰색이나 파란색 대신 사망 시 분홍색으로 보이게 할 수 있다.영감을 받은 공기에 0.02%의 낮은 CO 농도가 있을 때 두통과 메스꺼움이 발생하며, CO 농도를 0.1%로 증가시키면 무의식이 따른다.중흡연자의 경우 산소활성화 부위의 최대 20%가 CO에 의해 차단될 수 있다.

헤모글로빈 역시 비슷한 방식으로 황화수소(HS2)를 포함해 청산가리(CN),− 일산화탄소(SO), 황화수소(S2−)에 대한 결합 친화력이 경쟁적이다.이 모든 것들은 산화 상태를 바꾸지 않고 heme에서 철과 결합하지만, 그럼에도 불구하고 산소 결합을 억제하여 심각한 독성을 유발한다.

heme 그룹의 철 원자는 산소 및 기타 기체의 결합 및 수송을 지원하기 위해 초기에는 철(Fe2+) 산화 상태에 있어야 한다(이것은 위에서 설명한 것처럼 산소가 결합되는 시간 동안 일시적으로 철로 전환된다).산소가 없는 철(Fe3+) 상태로의 초기 산화는 헤모글로빈을 "헤미글로빈" 또는 산소를 결합할 수 없는 메트헤모글로빈으로 변환시킨다.정상 적혈구의 헤모글로빈은 이런 일이 일어나지 않도록 감소 시스템에 의해 보호된다.산화질소는 적혈구에서 헤모글로빈의 소량을 메트헤모글로빈으로 변환시킬 수 있다.후자의 반응은 글로빈의 고대의 질소산화물 다이옥시제네제 함수의 잔존 활성이다.

알로스테릭

추가 정보:산소-헤모글로빈 분화 곡선

이산화탄소는 헤모글로빈의 다른 결합 부위를 차지한다.이산화탄소 농도가 높은 조직에서 이산화탄소는 헤모글로빈의 알로스테릭 부위로 결합되어 헤모글로빈에서 산소를 배출하고 궁극적으로 신진대사를 하는 조직으로 산소가 배출된 후 몸에서 제거된다.이 정맥혈에 의한 이산화탄소에 대한 친화력 증가는 보어 효과라고 알려져 있다.탄산 무수화효소 효소를 통해 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 공급하며, 탄산염은 중탄산염과 양성자로 분해된다.

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3− + H+
헤모글로빈의 산소 분열 곡선의 S자형 모양은 산소와 헤모글로빈의 협력 결합에서 비롯된다.

따라서 이산화탄소 수치가 높은 혈액도 pH(산성이 더 높다)가 낮다.헤모글로빈은 양성자와 이산화탄소를 결합시킬 수 있는데, 이것은 단백질에 순응적인 변화를 일으키고 산소의 배출을 용이하게 한다.양자는 단백질의 여러 곳에서 결합하고, 이산화탄소는 α-아미노 그룹에서 결합한다.[74]이산화탄소는 헤모글로빈에 결합되어 카바미노헤모글로빈을 형성한다.[75]이산화탄소와 산의 결합에 의해 헤모글로빈의 산소 친화력이 감소하는 것을 보어 효과라고 한다.보어 효과는 R주보다는 T주를 선호한다.(O-satation2 곡선을 오른쪽으로 이동).반대로 혈액 내 이산화탄소 수치가 감소하면(즉 폐모세혈관 내) 헤모글로빈에서 이산화탄소와 양자가 배출돼 단백질의 산소 친화력이 높아진다.pH 감소에 따른 헤모글로빈의 산소 총 결합 용량 감소(즉, 곡선을 오른쪽으로만 이동하지 않고 오른쪽으로 이동시키는 것)를 근본 효과라고 한다.이것은 뼈만 앙상한 생선으로 보인다.

헤모글로빈이 결합하는 산소를 방출하는 것은 필요하다. 그렇지 않다면, 헤모글로빈을 결합시키는 것은 의미가 없다.헤모글로빈의 S자형 곡선은 결합(폐에서 O를2 차지)에 효율적이고, 하역(조직에서 O를 적하2)에 효율적이다.[76]

높은 고도에 적응한 사람들에서는 혈액 속의 2,3-Bisphosphoglycerate (2,3-BPG)의 농도가 증가하여, 이러한 개인은 산소 장력이 낮은 조건에서 조직에 더 많은 양의 산소를 전달할 수 있다.분자 Y가 분자 X와 운송 분자 Z의 결합에 영향을 미치는 이 현상을 이이성적 전위효과라고 한다.고도에 있는 유기체의 헤모글로빈도 2,3-BPG에 대한 친화력이 떨어지기 때문에 단백질이 R 상태로 더 이동될 것이다.그 R 상태에서 헤모글로빈은 산소를 더 쉽게 결합시킬 것이고, 따라서 산소가 낮은 부분압에서 존재할 때 유기체가 필요한 대사 과정을 수행할 수 있게 된다.[77]

인간 이외의 동물들은 서로 다른 분자를 사용하여 헤모글로빈에 결합하고 불리한 조건하에서2 O 친화력을 변화시킨다.물고기는 ATP와 GTP를 모두 사용한다.이것은 물고기 헤모글로빈 분자의 인산염 "포켓"에 결합되어 긴장 상태를 안정시켜 산소 친화력을 감소시킨다.[78]GTP는 ATP보다 헤모글로빈 산소 친화력을 훨씬 더 떨어뜨리며,[79] 이는 긴장 상태를 더욱 안정시키는 추가적인 수소 결합 때문이라고 생각된다.저산소 조건에서는 어류 적혈구에서 ATP와 GTP의 농도가 모두 낮아져 산소 친화력을 높인다.[80]

태아 헤모글로빈(HbF, αγ22)이라 불리는 변종 헤모글로빈은 발달하는 태아에서 발견되며, 성인 헤모글로빈보다 더 높은 친화력으로 산소를 결합시킨다.이는 태아 헤모글로빈의 산소 결합 곡선이 좌변형(즉, 헤모글로빈의 높은 비율이 낮은 산소 장력에서 산소와 결합되는 산소를 가지고 있음)이라는 것을 의미한다.그 결과 태반의 태아혈은 모혈로부터 산소를 흡수할 수 있게 된다.

헤모글로빈은 또한 분자의 글로빈 부분에 질소산화물(NO)을 운반한다.이것은 주변부의 산소 공급을 개선하고 호흡 조절에 기여한다.NO는 글로빈의 특정 시스테인 잔류물에 역방향으로 결합되며, 결합은 헤모글로빈의 상태(R 또는 T)에 따라 달라진다.그 결과 S-니트로사이티드 헤모글로빈은 혈관 저항, 혈압 및 호흡 조절과 같은 다양한 NO 관련 활동에 영향을 미친다.NO는 적혈구의 세포질에서 방출되는 것이 아니라 AE1이라는 음이온 교환기에 의해 그것들 밖으로 운반된다.[81]

인간의 유형

헤모글로빈 변형은 정상적인 배아와 태아 발달의 한 부분이다.그것들은 또한 유전학의 변화로 인해 발생하는 집단 내 헤모글로빈의 병리학적 돌연변이 형태일 수도 있다.겸상적혈구 빈혈과 같이 잘 알려진 일부 헤모글로빈 변형은 질병의 원인이 되며 헤모글로빈병증으로 간주된다.다른 변형은 검출할 수 있는 병리학을 유발하지 않으므로 비병리학적 변형으로 간주된다.[32][82]

배아에서:

  • Gower 1 (ζ2ε2)
  • Gower 2 (α³22) (PDB: 1A9W)
  • 헤모글로빈 포틀랜드 1세 (ζγ22)
  • 헤모글로빈 포틀랜드 II(ζβ22).

태아에서:

출생 후:

  • 헤모글로빈 A(성인 헤모글로빈) (αβ22)(PDB: 1BZ0) – 정상량이 95%를 초과하는 가장 일반적인 양
  • 헤모글로빈 A2(αΔ22) – Δ 체인 합성은 세 번째 3개월에서 늦게 시작되며, 성인의 경우 정상 범위는 1.5~3.5%이다.
  • 헤모글로빈 F(태아22 헤모글로빈) – 성인의 헤모글로빈 F는 F세포라 불리는 적색세포의 제한된 모집단으로 제한된다.그러나 낫세포질환과 베타탈라세미아가 있는 사람은 Hb F의 수준을 높일 수 있다.
생후 헤모글로빈의 유전자 발현.또한 유전자 발현(Wood W.G., (1976년)에 관한 데이터)이 있는 세포와 장기의 유형을 식별한다.의병 32호, 282호)

질병을 일으키는 변형 형태:

  • 헤모글로빈 D-펀자브 – (αβ2D2) – 헤모글로빈의 변형된 형태.
  • 헤모글로빈 H(β4) – β 체인의 테트라머에 의해 형성된 헤모글로빈의 변종 형태로서, α 탈라세미아의 변종에서 존재할 수 있다.
  • 헤모글로빈 바트(Hemoglobin4 Barts) – γ 체인의 테트라머에 의해 형성된 헤모글로빈의 변종 형태로서, α 탈라세미아의 변종에서 존재할 수 있다.
  • 헤모글로빈 S (αβ2S2) – 낫 세포 질환을 앓고 있는 사람들에게서 발견되는 헤모글로빈의 변형된 형태.β체인 유전자에 변화가 있어 헤모글로빈의 성질에 변화를 일으켜 적혈구가 병들게 된다.
  • 헤모글로빈 C(αβ2C2) – β-체인 유전자의 변동에 의한 또 다른 변종.이 변종은 가벼운 만성 용혈성 빈혈을 일으킨다.
  • 헤모글로빈 E(αβ2E2) – β-체인 유전자의 변동에 의한 또 다른 변종.이 변종은 가벼운 만성 용혈성 빈혈을 일으킨다.
  • 헤모글로빈 AS – 성인 유전자 1개와 겸상세포 질환 유전자 1개로 겸상세포 특성을 유발하는 이질성 형태
  • 헤모글로빈 SC 질환 – 한 개의 낫 유전자와 다른 인코딩 Hemoglobin C를 가진 복합 이질성 형태.
  • 헤모글로빈 홉킨스-2 – 때때로 헤모글로빈 S와 결합하여 보아서 낫 세포 질환을 일으키는 헤모글로빈의 변형된 형태.

척추동물의 분해

적혈구는 노화나 결함으로 수명이 다하면 비장 내 대식세포나 혈액순환 내 간이나 용혈의 혈소판 활성에 의해 순환에서 제거된다.그런 다음 자유 헤모글로빈은 단세포나 대식세포에 독점적으로 표현되는 헤모글로빈 트랜스포터 CD163을 통해 순환에서 제거된다.이 세포들 안에서 헤모글로빈 분자는 분해되고, 철은 재활용된다.이 과정은 또한 헴의 모든 분자에 대해 일산화탄소 분자를 생성한다.[83]헤메 열화는 인체에 존재하는 유일한 일산화탄소의 자연 발생원으로 정상 공기를 마시는 사람의 일산화탄소 정상 혈중 수치를 책임진다.[84]헤메 열화의 또 다른 주요 최종 산물은 빌리루빈이다.만약 적혈구가 평소보다 더 빠르게 파괴되고 있다면, 이 화학물질의 증가된 수치는 혈액에서 감지된다.부적절하게 분해된 헤모글로빈 단백질이나 헤모글로빈이 너무 빨리 혈액세포에서 배출되면 작은 혈관, 특히 신장의 섬세한 혈액 여과 혈관이 막히게 되어 신장 손상을 일으킬 수 있다.철은 헤미에서 제거되어 나중에 사용하기 위해 인양되며, 조직에 헤모시더린이나 페리틴으로 저장되고, 트랜스퍼린으로 베타 글로불린에 의해 플라즈마로 운반된다.포르피린 고리가 분해되면 파편들은 보통 빌리루빈이라는 노란 색소로 분비되는데, 이 색소는 창자로 담즙으로 분비된다.창자는 빌리루빈을 우로비닐로겐으로 대사시킨다.우로빌리노겐은 스테르코빌린이라는 색소에 몸을 페케스로 남겨둔다.글로불린은 아미노산으로 대사되며, 아미노산은 아미노산으로 방출된다.

헤모글로빈 관련 질병

헤모글로빈 결핍은 빈혈에서와 같이 헤모글로빈 분자의 양이 감소하거나 각 분자가 동일한 부분적인 산소 압력으로 산소를 결합하는 능력이 감소하여 발생할 수 있다.헤모글로빈병증(헤모글로빈 분자의 비정상적인 구조를 초래하는 유전적 결함)[85]은 두 가지 모두를 유발할 수 있다.어쨌든 헤모글로빈 결핍은 혈액 산소를 운반하는 능력을 감소시킨다.헤모글로빈 결핍은 일반적으로 저산소증(조직에 산소를 충분히 공급하지 못하는 것)의 원인이지만 혈액 내 산소의 부분압력 감소로 정의되는 저산소혈증과 엄격히 구분된다.[86][87][88][89]

헤모글로빈의 다른 흔한 원인으로는 혈액의 손실, 영양 결핍, 골수 문제, 화학요법, 신장 기능 상실 또는 비정상적인 헤모글로빈(예: 낫 세포 질환) 등이 있다.

각 헤모글로빈 분자가 산소를 운반할 수 있는 능력은 일반적으로 혈액 pH 또는 CO에2 의해 변형되어 산소-헤모글로빈 분리 곡선이 변경된다.그러나 일산화탄소 중독과 같은 병리학적으로 변형될 수도 있다.

적혈구가 절대적으로 감소하든 그렇지 않든 헤모글로빈의 감소는 빈혈 증상으로 이어진다.철분 결핍과 그 결과로 생기는 철분 결핍 빈혈이 서구 세계에서 가장 흔한 원인이지만 빈혈은 여러 가지 원인이 있다.철이 없으면 헤메 합성이 감소하기 때문에 철 결핍 빈혈의 적혈구는 저자극(적색 헤모글로빈 색소를 훔치는 것)과 마이크로시틱(정상보다 작다)이다.다른 아나미들은 더 희귀하다.용혈(적혈구의 가속파괴)에서 관련 황달은 헤모글로빈 대사물 빌리루빈에 의해 발생하며, 순환 헤모글로빈은 신부전을 일으킬 수 있다.

글로빈 체인의 일부 돌연변이는 낫세포병이나 탈라세미아 같은 헤모글로비노병증과 관련이 있다.다른 돌연변이는 기사의 첫머리에서 논의된 바와 같이 양성이며 헤모글로빈 변형이라고만 한다.

헴 합성의 대사 경로에 오류가 있는 것이 특징인 포르피리아로 알려진 유전 질환의 그룹이 있다.영국의 조지 3세는 아마도 가장 유명한 포르피리아 환자였을 것이다.

헤모글로빈 A는 각 β 체인의 단자 발린(알파 아미노산)에서 포도당과 서서히 결합한다.그 결과로 생긴 분자를 흔히 당화 헤모글로빈인 Hb A라고1c 부른다.헤모글로빈에서 포도당과 아미노산의 결합은 많은 단백질에서 (효소의 도움 없이) 자연적으로 일어나며, 유용한 목적을 위해 작용하는 것으로 알려져 있지 않다.그러나 혈중 포도당 농도가 높아질수록 Hb A로1c 변하는 Hb A의 비율은 높아진다.포도당이 보통 높게 뛰는 당뇨병 환자의 경우 Hb A 비율도1c 높게 뛴다.Hb A와 포도당 결합 속도가 느리기 때문에 Hb A1c 백분율은 적혈구 수명 동안 혈당 수치의 가중 평균을 반영하는데, 이는 약 120일이다.[90]따라서 당화 헤모글로빈 수치는 T2DM(Type 2 당뇨병의 만성질환)의 장기적 조절을 감시하기 위해 측정된다. T2DM의 제어가 미흡하면 적혈구 내 당화 헤모글로빈 수치가 높아진다.정상 기준 범위는 약 4.0~5.9%이다.얻기는 어렵지만 T2DM을 가진 사람에게는 7% 미만의 값을 권장한다. 9% 이상의 레벨은 당화 헤모글로빈을 제대로 제어하지 못하고 12% 이상의 레벨은 매우 낮은 제어와 관련이 있다.당화 헤모글로빈 수치를 7%에 가깝게 유지하는 당뇨병 환자들은 당뇨병에 동반될 수 있는 합병증(수치가 8% 이상인 환자보다)을 피할 확률이 훨씬 높다.[91]또한 헤모글로빈 당화량이 증가하면 산소에 대한 친화력이 높아지므로 조직에서 헤모글로빈이 방출되는 것을 방지하고 극단적인 경우 저산소증을 유발한다.[92]

높은 수준의 헤모글로빈은 다혈질이라고 불리는 적혈구의 수나 크기의 증가와 관련이 있다.이 상승은 선천성 심장병, 코르 펄모네일, 폐섬유화, 너무 많은 에리트로포이에틴 또는 다혈질 베라로 인해 발생할 수 있다.[93]높은 헤모글로빈 수치는 또한 높은 고도에 노출되거나 흡연, 탈수증(Hb 집중에 의한 인공적인 탈수), 고도 폐질환 및 특정 종양에 의해 유발될 수 있다.[51]

인도 폰디체리에서 행해진 최근 연구는 관상동맥 질환에서 그것의 중요성을 보여준다.[94]

진단 용도

주요 기사:헤모글로빈계
미국 적십자사 보스턴 헌혈센터에서 헌혈 전 헤모글로빈 농도 측정.

헤모글로빈 농도 측정은 일반적으로 전체 혈액수의 일부로 가장 일반적으로 수행되는 혈액 검사 중 하나이다.예를 들어, 그것은 일반적으로 헌혈 전이나 후에 검사된다.결과는 g/L, g/dL 또는 mol/L로 보고된다. 1 g/dL은 분자의 중합체 상태에 관한 불확실성으로 인해 후자의 단위는 자주 사용되지 않지만 약 0.6206 mmol/L이다.[95]이 변환 계수는 16,000 Da의 단일 글로빈 단위 분자량을 사용하며 혈액 내 헤모글로빈 농도에 더 흔하다.MCHC(평균 분자 헤모글로빈 농도)의 경우 테트라머 중량 64,500 Da를 사용하는 변환 계수 0.155가 더 일반적이다.[96]정상 수준은 다음과 같다.

  • 남자: 13.8~18.0g/dL(138~180g/L 또는 8.56~11.17mmol/L)
  • 여성: 12.1 ~ 15.1 g/dL(121 ~ 151 g/L 또는 7.51 ~ 9.37 mmol/L)
  • 어린이: 11~16g/dL(110~160g/L 또는 6.83~9.93mmol/L)
  • 임산부: 11 ~ 14 g/dL(110 ~ 140 g/L 또는 6.83 ~ 8.69 mmol/L) (임신 중 통상적인 값 9.5 ~ 15)[97][98]

임산부 1~3차 3차 3분기의 헤모글로빈의 정상값은 2차 3분기의 경우 최소 11g/dL, 10.5g/dL 이상이어야 한다.[99]

탈수 또는 과수화는 측정된 헤모글로빈 수치에 큰 영향을 미칠 수 있다.알부민은 수화 상태를 나타낼 수 있다.

농도가 정상 이하일 경우 이를 빈혈이라고 한다.아네미는 척추동물에 헤모글로빈을 함유하고 있는 세포인 적혈구의 크기로 분류된다.빈혈은 적혈구가 작으면 '마이크로사이틱', 크면 '매크로사이틱', 그렇지 않으면 '노모사이틱'으로 불린다.

적혈구가 차지하는 혈액량의 비율인 헤마토크릿은 g/dL로 측정한 헤모글로빈 농도의 약 3배에 이른다.예를 들어 헤모글로빈을 17 g/dL로 측정하면 헤마토크리트 51%[100]와 비교된다.

실험실 헤모글로빈 테스트 방법은 혈액 샘플(동맥, 정맥 또는 모세혈관)과 혈액학 분석기 및 CO-oxymeter에 대한 분석이 필요하다.또한 Pulse CO-Oximetry라고 불리는 새로운 비침습성 헤모글로빈(SpHb) 검사법도 침습성 방법과 유사한 정확도로 이용할 수 있다.[101]

옥시 및 디옥시헤모글로빈의 농도는 NIRS를 사용하여 지속적으로, 지역적으로, 비침습적으로 측정할 수 있다.[102][103][104][105][106]NIRS는 머리와 근육 모두에 사용할 수 있다.이 기법은 엘리트 스포츠 훈련, 인체공학, 재활, 환자 모니터링, 신생아 연구, 기능 뇌 모니터링, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 비뇨기과(낭 수축), 신경과(신경혈관 결합) 등의 연구에 자주 사용된다.

혈당 농도의 장기 조절은 Hb A의1c 농도로 측정할 수 있다.이것을 직접 측정하는 것은 혈당 수치가 하루 종일 매우 다양하기 때문에 많은 샘플이 필요할 것이다.Hb A는1c 헤모글로빈 A와 포도당과의 되돌릴 수 없는 반응의 산물이다.포도당 농도가 높을수록 Hb A가1c 많아진다.반응이 느리기 때문에 Hb A1c 비율은 적혈구의 반감기에 걸쳐 평균적으로 혈당 수치를 나타내며, 일반적으로 ~120일이다.Hb A 비율이1c 6.0% 이하일 경우 장기 포도당 조절이 양호한 반면 7.0% 이상의 값은 상승한다.이 검사는 특히 당뇨병 환자에게 유용하다.[107]

기능성 자기공명영상(fMRI) 기계는 파라마그네틱이기 때문에 자기장에 민감한 디옥시헤모글로빈의 신호를 사용한다.NIRS와 결합된 측정은 볼드 신호에 비해 옥시 및 디옥시헤모글로빈 신호와 모두 양호한 상관 관계를 보여준다.[108]

육상 트랙킹 및 자가 트랙킹 사용

헤모글로빈은 비침습적으로 추적할 수 있으며, 스포츠 성과와 훈련에 대한 더 나은 이해를 위해 일상 활동의 혈류 집중화 및 혈액 투과 효과를 추적하는 개별 데이터 세트를 구축할 수 있다.운동선수들은 종종 지구력과 운동의 강도에 대해 걱정한다.이 센서는 조직을 통해 적외선과 적외선을 방출하는 발광 다이오드를 광 검출기에 사용하며, 이 다이오드는 프로세서에 신호를 보내 헤모글로빈 단백질에 의한 빛의 흡수를 계산한다.[109]이 센서는 손가락에 클립으로 고정하는 작은 감지 장치로 구성된 맥박 산소측정기와 비슷하다.

비유동생물의 유사성

다양한 산소 이동 단백질과 결합 단백질은 동식물의 왕국 전체에 걸쳐 유기체에 존재한다.박테리아, 원생동물, 곰팡이를 포함한 유기체들은 모두 헤모글로빈과 같은 단백질을 가지고 있는데, 이 단백질의 알려진 역할과 예측된 역할은 기체 리간드의 가역적인 결합을 포함한다.이러한 단백질들 중 많은 수가 글로빈과 헤메모이티(평탄한 포르피린 지지대의 철분)를 함유하고 있기 때문에, 그들의 전체적인 3차 구조가 척추동물 헤모글로빈과 매우 다르더라도 헤모글로빈이라고 불리는 경우가 많다.특히 하등 동물에서 '묘글로빈'과 헤모글로빈의 구분이 불가능한 경우가 많은데, 이들 유기체 중 일부는 근육을 포함하고 있지 않기 때문이다.또는, 그들은 인식 가능한 별도의 순환계를 가지고 있을 수 있지만 산소 수송을 다루는 순환계통은 아니다(예를 들어, 많은 곤충과 다른 절지동물들).이 모든 그룹에서 기체 결합을 다루는 헤메/글로빈 함유 분자(모노메릭 글로빈 분자까지)를 옥시헤모글로빈이라고 한다.산소의 운반과 감지를 다루는 것 외에도 혐기성이 있어야 하는 환경에서는 NO, CO2, 황화합물, 심지어2 O 청소까지도 다룰 수 있다.[110]그들은 심지어 헤메를 함유한 P450 효소와 과산화효소와 유사한 방법으로 염소 처리된 물질의 해독을 다룰 수도 있다.

붉은 헤모글로빈 함유 플럼이 보이는 거대 튜브 웜 리프트피아 파키프틸라

헤모글로빈의 구조는 종마다 다르다.헤모글로빈은 모든 유기체 왕국에서 발생하지만 모든 유기체에서는 발생하지 않는다.박테리아, 원생동물, 조류, 식물과 같은 원시 종은 종종 단일 글로빈 헤모글로빈을 가지고 있다.많은 네마토드 웜, 연체동물, 갑각류는 척추동물보다 훨씬 큰 매우 큰 다분체 분자를 포함하고 있다.특히 곰팡이와 거대 아넬리드에게서 발견되는 치메릭 헤모글로빈은 글로빈과 다른 종류의 단백질을 모두 포함할 수 있다.[13]

유기체에서 헤모글로빈의 가장 두드러진 발생과 사용 중 하나는 거대한 관벌레(Riptia pachyptila, 일명 베스티멘티페라)에 있는데, 이 벌레는 길이가 2.4m에 달할 수 있고 해양 화산 분출구를 채울 수 있다.소화기관 대신에, 이 벌레들은 유기체의 무게의 절반을 구성하는 박테리아의 집단을 포함하고 있다.이 박테리아는 물에서 나오는2 O로 HS를2 산화시켜 HO와2 CO에서2 음식을 만들기 위한 에너지를 생산한다.지렁이의 상단은 홍색 팬과 같은 구조("plume")로 물 속으로 뻗어 들어가 박테리아를 위해 HS와2 O를2 흡수하고, 광합성 식물과 유사한 합성 원료로 사용하기 위한 CO를2 말한다.구조물은 각각 관련 헤메 구조를 포함하여 최대 144개의 글로빈 체인을 가진 매우 복잡한 헤모글로빈의 내용물 때문에 밝은 빨간색이다.이들 헤모글로빈은 다른 대부분의 종에서 헤모글로빈처럼 완전히 "독성"되거나 그것에 의해 억제되지 않고 황화물이 존재하는 곳에서 산소를 운반할 수 있고 심지어 황화물을 운반할 수 있다는 점에서 주목할 만하다.[111][112]

기타 산소결합단백질

주요 기사:호흡기 색소
미오글로빈
인간을 포함한 많은 척추동물의 근육 조직에서 발견되는, 그것은 근육 조직에 뚜렷한 빨간색이나 어두운 회색빛을 준다.구조와 순서가 헤모글로빈과 매우 유사하지만 테트라머는 아니며, 그 대신 협동 결합이 부족한 모노머다.그것은 산소를 운반하기보다는 저장하기 위해 사용된다.
헤모시아닌
자연에서 발견되는 두 번째로 흔한 산소 이동 단백질은 많은 절지동물과 연체동물의 혈액에서 발견된다.철 heme 그룹 대신 구리 보형물 그룹을 사용하며, 산소를 공급할 때 파란색을 띤다.
헤메리트린
일부 해양 무척추동물과 몇몇 종류의 아넬리드는 혈액 속에 산소를 운반하기 위해 철분이 함유된 비헴 단백질을 사용한다.산소를 공급받으면 분홍/광택이 나타나고, 산소가 공급되지 않으면 맑아진다.
클로로크루오린
많은 안젤리드에서 발견되며 에리스트로크루오린과 매우 유사하지만 헤메 그룹은 구조가 현저히 다르다.탈산소는 녹색으로 보이고 산소는 빨갛게 보인다.
바나빈스
바나듐 크로마겐으로도 알려져 있으며, 그것들은 미더덕의 혈액에서 발견된다.그들은 한때 금속 바나듐을 산소 결합 보형물 그룹으로 사용한다는 가설을 세웠다.그러나 선호도에 따라 바나듐을 함유하고 있지만, 산소를 거의 결합하지 않고, 따라서 일부 다른 기능을 가지고 있는데, 이는 해명되지 않았다(바다의 스퀴트에도 헤모글로빈이 포함되어 있다).그것들은 독소 역할을 할 수 있다.
에리스트로크루오린
지렁이를 포함한 많은 안젤리드에서 발견되는 이 단백질은 분자량이 350만 달톤 이상인 단일 단백질 복합체로 묶인 수십 개(아마도 수백 개)의 철분과 헤메를 함유한 단백질 서브유닛을 함유하고 있는 거대한 자유유동혈단백질이다.
피나글로빈
연체동물 핀나 노빌리스에서만 볼 수 있다.갈색망간성 포르피린 단백질.
레게모글로빈
알팔파나 콩과 같은 콩류 식물에서, 뿌리 속의 질소 고정 박테리아는 산소 결합 단백질을 함유한 이 철 헴에 의해 산소로부터 보호된다.보호되는 특정 효소는 질소산화효소로, 자유산소가 있는 곳에서 질소 가스를 줄일 수 없다.
코보글로빈
합성 코발트 기반의 포르피린.코보프로테인은 산소가 공급될 때는 무색, 정맥에 있을 때는 노란색으로 나타날 것이다.

비임기성 세포에 존재

일부 비임기성 세포(즉, 적혈구 라인이 아닌 세포)는 헤모글로빈을 함유하고 있다.뇌에서, 이것들은 실체아 니그라의 A9 도파민성 뉴런, 대뇌피질과 해마의 아스트로시테스, 그리고 모든 성숙한 과두정맥들을 포함한다.[11]이들 세포의 뇌헤모글로빈은 "산소의 저장이 항산화 조건에서 동태적 메커니즘을 제공할 수 있도록 할 수 있으며, 이는 특히 에너지 생산에 대한 요구량이 높은 신진대사가 높은 A9 DA 뉴런에게 중요하다"[11]고 제안되었다.또한 "9개의 도파민성 뉴런은 높은 미토콘드리아 활동 외에도 도파민의 자가산화 및/또는 모노아민 산화효소(MAO) 매개 탈염에 의한 과산화수소의 생성과 그에 따른 접근성 페르의 반응에 의해 야기되는 강한 산화 스트레스를 받기 때문에 특히 위험할 수 있다"고 언급되었다."고독성 수산화기를 생성하기 위한 우성 철"[11]이것은 파킨슨병에서 이러한 세포들이 퇴화할 위험을 설명할 수 있다.[11]이들 세포의 헤모글로빈에서 유래된 철은 이러한 세포의 사후의 어둠(라틴 이름, 실레비아 니그라의 기원)의 원인이 아니라 오히려 뉴로멜라닌 때문이다.

뇌 바깥에서 헤모글로빈은 대식세포,[113] 치경세포,[114] 신장 내 중상세포에서 항산화 작용과 철분대사의 조절기 역할을 하는 비산소 운반 기능을 가지고 있다.[115]

역사에서, 예술과 음악에서

줄리안 보스-안드레아의 Heart of Steel (Hemoglobin)(2005)이 사진들은 설치 직후, 10일 후, 그리고 몇 달 동안 원소에 노출된 후 바로 1.50m 높이의 조각상을 보여준다.

역사적으로, 화성은 오랜지색인 붉은색을 띠기 때문에, 피로 물든 색과 녹 사이의 연관성이, 로마의 전쟁의 신과 함께 화성의 연관성 속에서 화성은 피의 옛사람들을 상기시켰다.행성의 색깔은 화성 토양에서 산소와 결합한 철 화합물 때문이지만 헤모글로빈과 그 산화물 속의 철이 혈액에 붉은 색을 준다는 것은 일반적인 오해다.이 색은 실제로 철이 묶인 헤모글로빈의 포르피린 모이티 때문이지 철의 레그스 상태와 레독스 상태가 포르피린의 pi* 또는 n to pi* 전자 전환과 그에 따른 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있지만,[116] 철 그 자체는 아니다.

예술가 줄리안 보스-안드레아는 2005년 단백질 등뼈를 기반으로 강철의 심장(헤모글로빈)이라는 조형물을 만들었다.그 조각품은 유리와 풍화강으로 만들어졌다.처음에 반짝반짝 빛나던 예술 작품의 의도적인 녹슬림은 헤모글로빈의 철에 대한 산소 결합의 근본적인 화학 반응을 반영한다.[117][118]

몬트리올 예술가 니콜라스 바이어는 헤모글로빈 분자의 구조를 보여주는 스테인리스강 조각품인 루스트레(헤모글로빈)를 만들었다.그것은 몬트리올에 있는 McGill University Health Center 연구 센터의 심방에 전시되어 있다.이 조각품의 크기는 약 10m × 10m × 10m이다.[119][120]

참고 항목

참조

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