HÓA HỌC HÓA HỌC PORPHYRIN VÀ PORPHYRIN VÀ HEMOGLOBINHEMOGLOBIN

BS Trần Ngọc MinhBS Trần Ngọc Minh

Bộ môn Hóa Sinh-khoa YBộ môn Hóa Sinh-khoa Y

Mục tiêuMục 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.

Nội DungNội DungI. ĐẠI CƯƠNG 1.1. Cromoprotein. 1.2. Porphyrin.

II. HEMOGLOBIN 2.1. HEM. 2.2. GLOBIN. 2.3. Sự kết hợp HEM và GLOBIN. 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:• Vận chuyển O2 từ phổi đến mô• Vận chuyển CO2 từ mô đến phổi

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

• Mỗi hồng cầu có 640 triệu phân tử Hb

Giới thiệuGiới thiệu

erythrocyte

Đại cươngĐại 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)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

Cromoprotein (2)Cromoprotein (2)

Cromoprotein chứa nhóm ngoại không có nhân porphyrin.

Thí dụ:

Flavoprotein chứa riboflavin

Ferritin chứa sắt

Hemocyamin chứa đồng

Porphyrin (1)Porphyrin (1)

• Cấu tạo hóa học của porphyrin bắt nguồn từ

vòng pyrol.

• Pyrol :

N

CH

CHCH

CH

H

N

H

Porphyrin (2)Porphyrin (2)

• Porphin: bốn vòng pyrol liên kết với nhau qua 4

cầu nối methenyl (-CH=)

56

NH

N

NH

N

1 2

3

47

8

1 2

3

4

56

7

8I

II

III

IV

(1) (2)

CHC

C CH

CH

NH

CHC

C

NH

N

CCH

CH

CH C

CH C

N

CH CH

C

CH CH

(3)

(4)

(5)(6)

(7)

(8)

II

III

IV

I

Porphyrin (3)Porphyrin (3)

• Porphyrin: porphin + gốc hóa học

(tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)

Tùy theo thành phần các nhóm thế mà ta có các loại porphyrin khác nhau :

protoporphyrin (4M, 2V, 2P);

coproporphyrin (4M, 4P);

uroporphyrin (4A, 4P)…

Các gốc thế của porphyrinCác gốc thế của porphyrin

Tên gốc hóa học Công thức Viết tắt

Methyl

Ethyl

Hydroxyethyl

Vinyl

Gốc a. acetic

Gốc a. propionic

-CH3

-CH2-CH3

-CH2-CH2OH

-CH=CH2

-CH2-COOH

-CH2-CH2-COOH

M

E

E-OH

V

A

P

Một số porphyrinMột số porphyrinM V

M

V

MP

P

M

M P

M

P

MP

P

M

A P

A

P

AP

A

P

M P

M

P

MP

M

P

A P

A

P

AP

P

A

M E

M

E

MP

P

M

OH

OH

Protoporphyrin IX Uroporphyrin I Uroporphyrin III

Coproporphyrin III Coproporphyrin I Hematoporphyrin

Porphyrin (4)Porphyrin (4)

• Tính chất:

Hợp chất có màu.

Base yếu.

Acid.

Điểm đẳng điện (pHi) 3 - 4,5.

Tính tan phụ thuộc số nhóm carboxyl thế

Hemoglobin (Hb)Hemoglobin (Hb) Hb một cromoprotein, hay chính xác hơn là một

porphyrinoprotein.

Cấu tạo Hb gồm 2 phần: hem : nhóm ngoại globin : protein

Hem: protoporphyrin IX + Fe +2

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.

HemHem

Là protoporphyrin IX gắn với 1 nguyên tử Fe+2 bằng 2 nối cộng hóa trị và 2 nối phối trí.

Fe+2

HEM porphin: 4 vòng pyrol Protoporphyrin

8 nhóm thế

(M, V, M, V, M, P, P, M)

HemHem

N

Fe NN

M V

M

V

MP

P

M

N

HemHemKhi Hem bị oxy hóa:

HEM HEMATIN HEMIN (tím)

Fe+2 Fe+3 (tinh thể Teichman)

Fe

N

NN

N

OH Fe

N

NN

N

Cl

GlobinGlobin

Cấu trúc bậc I:Chuỗi H2N COOH (141 aa) H2N COOH (146 aa)

Cấu trúc bậc II:70% các aa chuỗi & tạo thành nhiều đoạn xoắn

A B C D

A B B C C D

Cấu trúc bậc III: các chuỗi & gấp khúc. B Đoạn không xoắn

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/

GlobinGlobin 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 : Glu (6) ở HbA bị thế bởi Val (HbS) HbA & HbC: trên chuỗi : Glu (6) ở HbA bị thế bởi Lys (HbC)

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

GlobinGlobin

Mẫu tự A, B, C Ký hiệu Hb:

nơi tìm ra… 1961, Gerand & Ingram: ký hiệu theo chuỗi

polypeptid

Td: HbA: 2A2

A

HbS: 2A2

S 2A2

6gluval

HbC: 2A2

C 2A2

6glulys

Sickle Cell Mutation

+O2

-O2

+O2

-O2

5'

3'Chromosome 16

5' 3'Chromosome 11 G A

CCT GAG GAG

-Pro-Glu-Glu-5 6 7

CCT GTG GAG

-Pro-Val-Glu-5 6 7

A S

Normal (HbA) Abnormal (HbS)

*

OXY-STATE DEOXY-STATE

Sự kết hợp giữa Hem và GlobinSự 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 xa)

N

N

Fe

N

N

HIS (E7)

HIS (F8)

N

N

Fe

N

N

O=O

HIS (F8)

Sự kết hợp giữa Hem và GlobinSự 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 Fe N

N

O2

N

HIS HIS

N

N Fe N

N

NN

HIS HIS

N

(E7)

Bán đơn vị Hb tự do và kết hợp oxyBán đơn vị Hb tự do và kết hợp oxy

GLOBIN

M V

M

V

MP

P

MFe

N

N

NN

N

O2

GLOBIN

M V

M

V

MP

P

MFe

N N

N

NN

N

N

HemoglobinHemoglobin

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 HbBán đơn vị của Hb

Phân tử Hb hoàn chỉnh Phân tử Hb hoàn chỉnh

globin

globin

globin globin

Hb A tetramer

Tổng hợp HemoglobinTổng hợp Hemoglobin

Các chuỗi alpha & beta Các chuỗi alpha & beta

Tổng hợp globinTổng 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: cluster: gen , , và nằm trên nhánh

ngắn nhiễm sắc thể 11cluster: gen và nằm trên nhánh ngắn

nhiễm sắc thể 16

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

• Phôi Hemoglobin Gower I ( 22)

Hemoglobin Portland ( 22)

Hemoglobin Gower II (2)

• Thai : HbF (22), HbA (22)

• Người lớn : HbA, HbA2 ( 22), HbF.

Tổng hợp globinTổng hợp globin

Biểu đồ quá trình tổng hợp Biểu đồ quá trình tổng hợp các chuỗi globincác chuỗi globin

Gan Lách Tủy xươngTúi noãn hoàng

sinh Sau sinh(tuần)Tuổi thai(tuần)

%

Hb A Hb A2 Hb F

Cấu trúc 22 22 22

% 95 - 97 % 2 - 3.5 % 1 - 2 %

Thành phần hemoglobin của Thành phần hemoglobin của người lớnngười lớn

Chức năng HemoglobinChức năng Hemoglobin• Vận chuyển oxy đến mô• Phản ứng giữa Hb & oxygen:

• Sự gắn oxy – không phải phản ứng oxy hóa.

• Một Hb có thể gắn 4 phân tử O2.

• Sự gắn oxy đòi hỏi ít hơn 0.01 giây.

• Chịu ảnh hưởng của một số chất: 2,3-DPG (2,3-Diphosphoglycerate)…

Hb - Tính chHb - Tính chất (1)ất (1)1.Kết hợp thuận nghịch với oxy tạo oxyhemoglobin.

Hb + O2 HbO2 Đỏ thẫm Đỏ tươi

- Sự kết hợp và phân ly giữa O2 và Hb được xác định bởi

phân áp oxygen ở môi trường chung quanh Hb.

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 Đường cong phân ly oxy -hemoglobin oxy -hemoglobin

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

• Có dạng Sigma• Việc gắn oxy vào hem thứ nhất làm dễ dàng

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

• P 50 (phân áp O2 cần thiết để 50% Hb bão hòa với O2) 26.8mmHg

Đường cong phân ly Hb-oxyĐường cong phân ly Hb-oxy(đường cong Barcroft)(đường cong Barcroft)

Phân áp oxy

Tĩnh mạch Động mạch

Đường cong phân ly Hb - oxyĐường 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:

Nồng độ 2,3-DPG

Nồng độ ion H+ (pH) (Bohr effect)

CO2 trong hồng cầu

Cấu trúc của Hb…

Đường cong phân ly Hb-oxyĐường cong phân ly Hb-oxy

Oxy & deoxyhemoglobinOxy & deoxyhemoglobin

• Lệch phải (dể nhả oxy)

• 2,3-DPG cao• H+ cao

• CO2 cao

• HbS

• Lệch trái (dể gắn oxy)• 2,3-DPG thấp• HbF

Đường cong phân ly Hb-oxyĐường cong phân ly Hb-oxy

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

CO2: Sản phẩm chuyển hóa ở các môthải 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+ + HCO3-

CA ( carbonic anhydrase)

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

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

H2CO3 H2O + CO2

CA

Thở ra

2CO2 + 2H2O

2H2CO3

2HCO3- + 2H+

4O2

Ở Phổi

Hb.4O2

Hb.2H+

4O2

2H+ + 2HCO3-

2H2CO3

2CO2 + 2H2OSf của

CT Krebs

Ở Mô

SƠ ĐỒ VẬN CHUYỂN CO2 GIÁN TIẾP

CỦA Hb

CA

CA

(CarbonicAnhydrase)

Hb – Hb – Tính chất (3)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:

Hb – Tính chất (4)Hb – Tính chất (4)

4.Oxy hóa Hb tạo Methemoglobin (MetHb):

chất oxy hóa

Hb MetHb + e-

(Fe+2) (Fe+3)

nitrit, clorat,

ferricyanua…

Hb – Tính chất (5)Hb – Tính chất (5) 5.Tính chất enzym: Tính chất của một peroxydase:

H2O2 + AH2 2H2O + A

Hb

Tính chất của một catalase:

H2O2 2H2O + O2.

Hb

Kết luậnKết luận

• Giảm hemoglobin trong hồng cầu do bất

kỳ bất thường nào trong bất kỳ thành phần

nào của Hb đều dẫn đến tình trạng thiếu

máu (anaemia)

• Từ đó làm thiếu oxy cung cấp cho mô.

Tổng hợp chuỗi GlobinTổng hợp chuỗi Globin

cluster - chromosome 16

cluster - chromosome 11

Gower 1

Portland Embryonic

Gower II

F Fetal <1%

A2 1.5-3.5%Adult

A >95%

Glo

bin

chai

n

com

pone

ntHb

nam

e

Devel

opm

ent

per

iod

% o

f adu

lt H

b

G A

Hemoglobin electrophoresis:Variants of sickle cell anemia

Hemoglobin electrophoresis:Identification of abnormal hemoglobins