1Sveuilite u SplituPrirodoslovno-matematiki fakultet

Odjel za kemiju

prof. dr. sc. Maja Pavela-Vrani

1

Henrijev zakon:

bronhiole

Difuzija O2Difuzija O2

Henrijev zakon:koliina otopljenog plinaproporcionalna je parcijalnomtlaku plina

Fickov zakon:brzina difuzije obrnuto je

i l k d d lj i

alveole

kapilare

2

proporcionalna kvadratu udaljenosti

na udaljenosti > 1 mm brzina difuzije nije dovoljna za podravanje ivota

2Opskrba tkiva kisikomOpskrba tkiva kisikom

U svrhu opskrbe tkiva kisikom, viestanini organizmi razvili su

krvoilni sustav

hemoglobin (Hb)

3

hemoglobin (Hb)

mioglobin (Mb)

to imaju zajedniko?to imaju zajedniko?

Lupinus luteus Chironomus thunni Physeter macrocephalusLupinus luteus Chironomus thunni Physeter macrocephalus

4Ouvani globinski lanacBiljni LEGHEMOGLOBIN ERITROKRUORIN u kukaca MIOGLOBIN u sisavaca

3Apo- i holo-proteinApo- i holo-protein

polipeptidni lanac: globinprostetika skupina: hem

protein: apo-protein

5

protein + prostetika skupina: holo-protein

John Kendrew1917-1977.

John Kendrew1917-1977.

MioglobinMioglobin

Monomer:jedan polipeptidni lanac ijedan hem

skladite kisika u miiu (srani i skeletni miii)

6

Tercijarna strukturamioglobina

(1957.)

olakava difuziju kisika u mii poveava topljivost kisika u

miiu pospjeuje opskrbu aktivnog

miia kisikom

4Mioglobin je odgovoran za crvenu boju tkivaMioglobin je odgovoran za crvenu boju tkiva

Sisavci koji dugo borave pod vodom

Nojevi, kao i ptice letjelice,imaju crveno meso

bogato mioglobinom

j g p(kitovi) sadre visoke koncentracije mioglobina u miiima

Tuljani mogu roniti do dubina preko 180 m - mogu ostati pod vodom dulje od 20 min

7

bogato og ob o

Max Perutz1914-2002

Kvaterna struktura hemoglobina(1959.)

Kvaterna struktura hemoglobina(1959.)

Tetramer: 4 polipeptidna lanca:

1 2 1 2

4 hema

1914-2002.

8

podjedinice su vezane nekovalentnim interakcijama

alosteriki protein

5 nalazi se u crvenim

HemoglobinHemoglobin

krvnim zrncima

poveava topljivost O2 topljivost O2 u krvnoj

plazmi : 0,1 mM

topljivost O2 u krvi k j d i 150 Hb

hem

hemoglobin

krvni sud

9

koja sadri ~ 150 g Hb L-1: do 10 mM

vri prijenos kisika u tkivo i CO2 iz tkiva

eritrocit

Evolucijski razvoj polipeptidnih lanaca Hb i MbEvolucijski razvoj polipeptidnih lanaca Hb i Mb

-hemoglobin-hemoglobin

mioglobin

10Divergentna evolucija

pragen

6mioglobin (Mb) hemoglobin (Hb)

Mioglobin i lanciMioglobin i lanci hemoglobina imaju skoro istuhemoglobina imaju skoro istusekundarnu i tercijarnu strukturusekundarnu i tercijarnu strukturu

Mioglobin i lanciMioglobin i lanci hemoglobina imaju skoro istuhemoglobina imaju skoro istusekundarnu i tercijarnu strukturusekundarnu i tercijarnu strukturu

mioglobin (Mb) hemoglobin (Hb)

1175% lanca mioglobina je u konformaciji -uzvojnice (A-H)

27% slinosti u primarnoj strukturi Mb i Hb

Prostetika skupina Mb i Hb: HemProstetika skupina Mb i Hb: Hem

Hem:

BA

odgovoran za crvenu boju krvi protoporfirin IX

4 pirolna prstena povezana metenskim mostovima

Fe(II)

12

CD

BFe (II)

7Fe stvara 6 koordinacijskih vezaFe stvara 6 koordinacijskih veza

Koordinacijske veze u oksiHb

4 veze s N-atomima

Fe (II)

4 veze s N atomima protoporfirinskog prstena

1 veza s proksimalnim His93 iz globinskog lanca

1 veza s molekulskim kisikom

13

proksimalni Hisproksimalni His

oktaedarski kompleks

omoguava reverzibilno vezanje O2

Globinski lanacGlobinski lanac

modulira afinitet vezanja O na hem

O2 iz plua

Hb

oksiHb

O2 u tkivo

14

modulira afinitet vezanja O2 na hem

proksimalni histidin His93 (F8)

distalni histidin His64 (E7)

8Fe

C

OIzdvojeni hem vee CO Izdvojeni hem vee CO 25 00025 000 puta jae nego Oputa jae nego O22(linearno vezanje liganada)(linearno vezanje liganada)

Distalni His slabi vezanje CODistalni His slabi vezanje CO protein prisiljava CO da se vee protein prisiljava CO da se vee

koso, a ne okomito:koso, a ne okomito: oslabljuje interakciju CO s oslabljuje interakciju CO s

CO

His E7

CO i O2 se natjeu za isto vezno mjesto na hemuCO i O2 se natjeu za isto vezno mjesto na hemu

1515

oslabljuje interakciju CO s oslabljuje interakciju CO s hemomhemom

pospjeuje vezanje Opospjeuje vezanje O2 2

Mb i Hb veu CO 200 puta jae Mb i Hb veu CO 200 puta jae nego Onego O22

Fe

His F8

Mb ( )mioglobin

Mb (monomer)

Mb + O2 MbO2 hiperbolina zavisnost

Hb (tetramer)

hemoglobin

Yo2

16

Hb + 4 O2 Hb(O2)4 sigmoidalna zavisnost

kooperativno vezanje O2

vena arterija

po2Krivulja disocijacije kisika

9Deoksihemoglobin sapinje 8 nabojnih vezaDeoksihemoglobin sapinje 8 nabojnih veza

nekovalentne elektrostatske interakcije izmeu jsuprotno nabijenih skupina

17

T R

Oksigenacija hemoglobina pokree konformacijskepromjene: kidaju se nabojne veze

Oksigenacija hemoglobina pokree konformacijskepromjene: kidaju se nabojne veze

1122 O2

T (sapeta) R (oputena)

18niski afinitet za kisik visoki afinitet za kisik

10

Zbog sterikog odbijanja izmeu proksimalnog His i N-atomaporfirina, Fe se u deoksihemoglobinu nalazi izvan ravnine hema

Zbog sterikog odbijanja izmeu proksimalnog His i N-atomaporfirina, Fe se u deoksihemoglobinu nalazi izvan ravnine hema

proksimalni Hisdistalni His

19

FeFe2+2+ se pri oksigenaciji pomie u ravninuse pri oksigenaciji pomie u ravninuporfirinaporfirina

20

Pokretanje Fe prenosi se na polipeptidni lanacpreko proksimalnog His

11

kidaju se nabojne veze u

Strukturna promjena unutar podjedinice dovodi dostrukturnih promjena na dodirnoj povrini podjedinica

Strukturna promjena unutar podjedinice dovodi dostrukturnih promjena na dodirnoj povrini podjedinica

kidaju se nabojne veze u susjednoj podjedinici

ravnotea susjedne podjedinice pomie se prema R-stanju

susjedna podjedinica lake vezuje kisik

21

sve podjedinice deoksiHb su u T obliku uzastopno vezanje O2 ini R oblik vjerojatnijim

Za alosterike efekte potrebna jeinterakcija podjedinica

Za alosterike efekte potrebna jeinterakcija podjedinica

prva molekula O2 vee se na T oblik, a etvrta na R oblik

T oblik R oblik

22

etvrta molekula O2 vee se 300 puta vre od prve molekule

12

tkivo plua

Kooperativno vezanje omoguava Hb da isporuiKooperativno vezanje omoguava Hb da isporuidvostruko vie kisikadvostruko vie kisika

Kooperativno vezanje omoguava Hb da isporuiKooperativno vezanje omoguava Hb da isporuidvostruko vie kisikadvostruko vie kisika

bezkooperativnih

interakcija(hipotetski model)

Ystupanjzasienja

hemoglobin

23

Kiselost potie otputanje kisika s HbP j k t ij CO j j

Afinitet Hb za kisikAfinitet Hb za kisik

Poveanje koncentracije CO2 smanjuje afinitet Hb za kisik

Difosfoglicerat (BPG)smanjuje afinitet Hbza kisik

Pomak u lijevo pCO2 temperatura pH BPG

Pomak u desno pCO2 temperaturaak

oks

iHb

24

p pH BPG

Krivulja disocijacije oksiHb

Pos

tot

Normalna krivuljazasienja

13

Bohrov uinakBohrov uinak

Mehanizam kojim se stanicama isporuuje kisik u skladu s njihovim potrebama

Metaboliki aktivne stanice, kojima je pot ebna elika koliina kisika

25

potrebna velika koliina kisika, proizvode velike koliine otpadnih tvari:H+ i CO2

(TKIVO) (TKIVO) (kapilare)(kapilare)niski pOniski pO22

ERITROCITERITROCIT

COCO

Opskrba tkiva kisikomOpskrba tkiva kisikomOpskrba tkiva kisikomOpskrba tkiva kisikom HCOHCO33--(PLAZMA)

+ H+ H22O O HH++ + HCO+ HCO33--enzim : ugljina anhidrazaenzim : ugljina anhidraza

1515--20% CO20% CO22 vee se na globinski lanac:vee se na globinski lanac:R R -- NHNH33+ + + CO+ CO22 R R -- NHCOONHCOO-- + 2H+ 2H++

karbamatkarbamat

b(b( )) OO b(b( ))

difuzija CO2CO2CO2CO2

2626

Hb(OHb(O22))nnHHxx + + OO2 2 Hb(OHb(O22))n+1n+1 + xH+ xH++

O2O2difuzijaO2O2COCO22 i Hi H++

stabiliziraju deoksiHbstabiliziraju deoksiHb

14

(PLUA)(PLUA)visoki pOvisoki pO22

O2(IZ ZRAKA)O2(IZ ZRAKA)

CO2(izdie se)

CO2(izdie se)

+ Hb(O+ Hb(O22))nnHHxx Hb(OHb(O22))n+1n+1 + xH+ xH++

+ H+ H+ + HH22COCO33HH22COCO33 HH22O + COO + CO22

Enzim: ugljina anhidrazaEnzim: ugljina anhidrazaHCOHCO33--(PLAZMA)

HCOHCO33--(PLAZMA)

HCOHCO33--HCOHCO33--O2O2

( )( )

2727

RR -- NHCOONHCOO-- ++ 22HH++ RR -- NHNH33++ ++ COCO22karbamatkarbamat

ERITROCITERITROCITERITROCITERITROCIT

Efektivna razmjena plinovaEfektivna razmjena plinova

arterijska krvosiromaena kisikom

venska krvobogaena kisikom

Brzina difuzije prop. je razlici parcijalnih tlakova i povrini membrane, a obrnuto prop. debljini membrane

zraknapuhujealveole

28

Ukupna povrina membrane u pluima (alveola) je oko 100 m2 i debljine

15

Mioglobin otputa kisik samo kod niskih koncentracija kisika aktivni mii

Mioglobin otputa kisik samo kod niskih koncentracija kisika aktivni mii

Mb ima vei afinitet za kisik od Hb kisik prelazi s Hb

u krvi na Mb u miiu

29

miiu

BPG smanjuje afinitet Hb BPG smanjuje afinitet Hb prema kisikuprema kisikuprema kisikuprema kisiku

stabilizacija kvaterne T stabilizacija kvaterne T strukture unakrsnim strukture unakrsnim povezivanjem povezivanjem --lanaca lanaca deoksiHb deoksiHb

3030

HbHb--BPG + 4 OBPG + 4 O22 Hb(OHb(O22))44 + BPG+ BPG

16

4530 m nadmorskevisine

160

140

Prilagodba na veliku visinuPrilagodba na veliku visinu

bifosfoglicerat

140

120

100

80

60

40

razina mora

31vrijeme (dani)

20

0 -1 0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3

Funkcionalne razlike Hb i MbFunkcionalne razlike Hb i MbFunkcionalne razlike Hb i MbFunkcionalne razlike Hb i Mb

Hb je alosteriki protein Mb nije alosteriki protein

Hb vee O2 kooperativno vezanje O2 na Mb nije kooperativno

afinitet Hb za kisik ovisi od pH afinitet Mb za kisik ne ovisi od pH

32

CO2 utjee na osobine vezanja CO2 ne utjee na Mbkisika na Hb

organski fosfati smanjuju afinitet Hb za kisik, pa je taj afinitet manji nego u Mb

17

Crvena krvna

Fetalna crvenakrvna zrnca

HbF (22) HbF slabije od HbA vee

BPG posljedica: HbF ima

vei afinitet za kisik od HbA O2 prelazi s majinog

oksiHbA na fetalni deoksiHbF

Crvena krvnazrnca majke

Ystupanj

zasienja

33

pO2 (tori)

F (III) t j k id ij F (II)

Methemoglobin (MetHB)Methemoglobin (MetHB)

Fe(III) nastaje oksidacijom Fe(II)

Fe(III) ne vee O2 koordiniran je molekulom vode u estom

koordinacijskom mjestu

uzrok je smee boje osuene krvi ili starog mesa

34

eritrociti sadre metHb reduktazu koja prevodi metHb u Fe(II) oblik

18

Anemijasmanjen broj hemoglobina u jedinici volumena krvi

Anemijasmanjen broj hemoglobina u jedinici volumena krvi

35

prenosi se genetskiprenosi se genetski gen srpaste anemije titi od malarijegen srpaste anemije titi od malarije

Anemija srpastih stanica (HbS)Anemija srpastih stanica (HbS)

g p j jg p j j

zamjenazamjena : Glu 6: Glu 6 Val u Val u --lanculancuHbHbAA ValVal--HisHis--LeuLeu--ThrThr--ProPro--GluGlu--GluGlu--LysLys--HbHbS S ValVal--HisHis--LeuLeu--ThrThr--ProPro--ValVal--GluGlu--LysLys-- 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Glu: polarna i nabijena aminokiselinaGlu: polarna i nabijena aminokiselina

3636

Glu: polarna i nabijena aminokiselinaGlu: polarna i nabijena aminokiselinaVal: nepolarna aminokiselinaVal: nepolarna aminokiselina

smanjena topljivost deoksiHbsmanjena topljivost deoksiHb

19

Podruja uestalosti anemije srpastih stanica imalarije se preklapaju

37

Polimerizacija deoksiHbSPolimerizacija deoksiHbS

38Ljepljiva plohaLjepljiva ploha

20

DeoksiHbS polimerizira u uzvojita vlakna (etrnaestolanana uzvojnica)

DeoksiHbS polimerizira u uzvojita vlakna (etrnaestolanana uzvojnica)

39Snop od 14 niti

Srpasti eritrociti: visoka koncentracija deoksiHbSrpasti eritrociti: visoka koncentracija deoksiHb

eritrociti lako hemoliziraju oteenje krvnih sudova

brzina polimerizacije ovisi o brzini protoka eritrocita kroz kapilare

eritrociti lako hemoliziraju oteenje krvnih sudova

brzina polimerizacije ovisi o brzini protoka eritrocita kroz kapilare

40

kapilare vea brzina polimerizacije

u kapilarama gdje je smanjena koncentracija O2

kapilare vea brzina polimerizacije

u kapilarama gdje je smanjena koncentracija O2

21

TerapijaTerapija sintetini oligopeptidisintetini oligopeptidi

specifino se veu na specifino se veu na dodirnu povrinu i dodirnu povrinu i sp jea aj polime i acijsp jea aj polime i acijsprjeavaju polimerizacijusprjeavaju polimerizaciju

poveanje afiniteta prema kisikupoveanje afiniteta prema kisiku

smanjenje koncentracije HbS smanjenje koncentracije HbS poveanjem volumena eritrocitapoveanjem volumena eritrocita

poveana propusnost poveana propusnost membrane za vodumembrane za vodu

4141

membrane za vodumembrane za vodu