CARBOXYHÄMOGLOBIN: EIGENSCHAFTEN UND WIRKUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Das Carboxyhämoglobin ist gebundenes Hämoglobin-Kohlenmonoxid (CO). Hämoglobin ist das Protein, das beim Menschen und vielen anderen Wirbeltieren Sauerstoff durch das Blut transportiert.

Um Sauerstoff zu transportieren, muss sich Hämoglobin daran binden. Max Perutz, Chemiker und Nobelpreisträger, geboren 1914 in Wien und gestorben 2002 in Cambridge, bezeichnete das Sauerstoffbindungsverhalten von Hämoglobin als "unmoralisch".

Struktur des Hämoglobins (Quelle: Bielabio über Wikimedia Commons)

Stellen Sie sich zwei Hämoglobinmoleküle vor, die jeweils vier Sauerstoffmoleküle binden können. Eines hat bereits drei Sauerstoffmoleküle und das andere keines. Wenn ein anderes Sauerstoffmolekül auftritt, lautet die Frage wie folgt: Verbindet es das "reiche", das bereits drei hat, oder das "arme", das keine hat? Die Wahrscheinlichkeit ist 100 zu 1, dass es auf das reiche Molekül abzielt.

Stellen Sie sich nun zwei andere Hämoglobinmoleküle vor. Eines hat 4 Sauerstoffmoleküle (es ist gesättigt) und das andere hat nur eines. Welches Molekül gibt eher reichen oder armen Geweben Sauerstoff? Die Ärmsten liefern leichter Sauerstoff als die Reichen.

Die Verteilung von Sauerstoff im Hämoglobinmolekül kann als biblisches Gleichnis angesehen werden: "… dem, der hat, wird ihm gegeben und dem, der nicht hat, wird auch das, was er hat, weggenommen …" (Mt 13,12). Aus physiologischer Sicht ist dieses "unmoralische" Verhalten des Hämoglobinmoleküls von großer Bedeutung, da es zur Sauerstoffversorgung des Gewebes beiträgt.

Kohlenmonoxid "tötet" jedoch alle, unabhängig von der Anzahl der an ein Hämoglobinmolekül gebundenen Sauerstoffatome. Das heißt, in Gegenwart von reichlich vorhandenem CO wird der gesamte an Hämoglobin gebundene Sauerstoff durch CO ersetzt.

Strukturelle Eigenschaften

Um von Carboxyhämoglobin zu sprechen, das nichts anderes als ein mit Kohlenmonoxid assoziierter Hämoglobinzustand ist, muss zunächst allgemein auf Hämoglobin Bezug genommen werden.

Hämoglobin ist ein Protein, das aus vier Untereinheiten besteht, die jeweils aus einer als Globin bekannten Polypeptidkette und einer Nicht-Proteingruppe (prothetische Gruppe) bestehen, die als Hämgruppe bezeichnet wird.

Jede Hämgruppe enthält ein Eisenatom im Eisenzustand (Fe ²⁺ ). Dies sind die Atome, die sich ohne Oxidation an Sauerstoff binden können.

Das Hämoglobin-Tetramer besteht aus zwei Untereinheiten von Alpha-Globin mit jeweils 141 Aminosäuren und zwei Untereinheiten von Beta-Globin mit jeweils 146 Aminosäuren.

Formen oder Strukturen von Hämoglobin

Wenn Hämoglobin nicht an ein Sauerstoffatom gebunden ist, ist die Struktur des Hämoglobins aufgrund der Bildung von Salzbrücken darin starr oder angespannt.

Die quaternäre Struktur von sauerstofffreiem (desoxygeniertem) Hämoglobin ist als "T" - oder gespannte Struktur bekannt, und sauerstoffhaltiges Hämoglobin (Oxyhämoglobin) ist als "R" oder entspannte Struktur bekannt.

Der Übergang von der T-Struktur zur R-Struktur erfolgt durch die Bindung von Sauerstoff an das Eisenatom (Fe ²⁺ ) der an jede Globinkette gebundenen Hämgruppe.

Kooperatives Verhalten

Die Untereinheiten, aus denen die Struktur des Hämoglobins besteht, zeigen ein kooperatives Verhalten, das anhand des folgenden Beispiels erklärt werden kann.

Das desoxygenierte Hämoglobinmolekül (in der T-Struktur) kann als Wollknäuel mit den darin sehr verborgenen Sauerstoffbindungsstellen (Hämgruppen) vorgestellt werden.

Wenn diese angespannte Struktur an ein Sauerstoffmolekül bindet, ist die Bindungsgeschwindigkeit sehr langsam, aber diese Bindung reicht aus, um die Kugel ein wenig zu lockern und die nächste Hämgruppe näher an die Oberfläche zu bringen, wodurch die Geschwindigkeit erreicht wird, mit der sie bindet Der nächste Sauerstoff ist höher, wiederholt den Vorgang und erhöht die Affinität mit jeder Bindung.

Kohlenmonoxid-Effekte

Um die Auswirkungen von Kohlenmonoxid auf den Blutgastransport zu untersuchen, müssen zunächst die Eigenschaften der Oxyhämoglobin-Kurve beschrieben werden, die ihre Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck beschreibt, um mit Sauerstoffmolekülen zu „laden“ oder nicht.

Die Oxyhämoglobin-Kurve hat eine Sigmoid- oder "S" -Form, die in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck variiert. Der Graph der Kurve ergibt sich aus den Analysen der Blutproben, die zur Erstellung verwendet wurden.

Der steilste Bereich der Kurve wird mit Drücken von weniger als 60 mmHg erhalten, und bei höheren Drücken als diesen neigt die Kurve dazu, sich abzuflachen, als ob sie ein Plateau erreicht.

In Gegenwart bestimmter Substanzen kann die Kurve erhebliche Abweichungen aufweisen. Diese Abweichungen zeigen Veränderungen, die in der Affinität von Hämoglobin zu Sauerstoff bei demselben PO _{2 auftreten} .

Um dieses Phänomen zu quantifizieren, wurde die Messung der Affinität von Hämoglobin zu Sauerstoff eingeführt, bekannt als P ₅₀ -Wert , der der Partialdruckwert von Sauerstoff ist, bei dem Hämoglobin zu 50% gesättigt ist; das heißt, wenn die Hälfte seiner Hämgruppen an ein Sauerstoffmolekül gebunden ist.

Unter Standardbedingungen, die als pH 7,4, Sauerstoffpartialdruck von 40 mmHg und Temperatur von 37 ° C zu verstehen sind, beträgt der niedrige P ₅₀ -Wert eines erwachsenen Mannes 27 mm Hg oder 3,6 kPa.

Welche Faktoren können die Affinität von Hämoglobin zu Sauerstoff beeinflussen?

Die in Erythrozyten enthaltene Sauerstoffaffinität von Hämoglobin kann in Gegenwart von 2,3-Diphosphoglycerat (2-3DPG), Kohlendioxid (CO ₂ ), hohen Protonenkonzentrationen oder aufgrund erhöhter Temperatur abnehmen . Gleiches gilt für Kohlenmonoxid (CO).

Funktionale Implikationen

Kohlenmonoxid kann die Sauerstofftransportfunktion im arteriellen Blut stören. Dieses Molekül kann an Hämoglobin binden und Carboxyhämoglobin bilden. Dies liegt daran, dass es eine etwa 250-mal höhere Affinität für Hämoglobin als O _{2 aufweist} , so dass es in der Lage ist, es zu verdrängen, selbst wenn es daran gebunden ist.

Der Körper produziert permanent Kohlenmonoxid, wenn auch in geringen Mengen. Dieses farblose, geruchlose Gas bindet auf die gleiche Weise wie O ₂ an die Hämgruppe _, und normalerweise liegt etwa 1% des Hämoglobins im Blut als Carboxyhämoglobin vor.

Da bei der unvollständigen Verbrennung organischer Stoffe CO entsteht, ist der Carboxyhämoglobinanteil bei Rauchern viel höher und erreicht Werte zwischen 5 und 15% des gesamten Hämoglobins. Ein chronischer Anstieg der Carboxyhämoglobinkonzentration ist gesundheitsschädlich.

Eine Erhöhung der inhalierten CO-Menge, die mehr als 40% Carboxyhämoglobin erzeugt, ist lebensbedrohlich. Wenn die Eisenbindungsstelle von CO besetzt ist, kann O ₂ nicht binden .

Die Bindung von CO bewirkt den Übergang von Hämoglobin zur R-Struktur, so dass Hämoglobin die Fähigkeit zur Abgabe von O ₂ in Blutkapillaren weiter verringert .

Carboxyhämoglobin hat eine hellrote Farbe. So werden CO-vergiftete Patienten auch im Koma und bei Atemlähmungen rosa. Die beste Behandlung, um das Leben dieser Patienten zu retten, besteht darin, sie reinen Sauerstoff einatmen zu lassen, auch hyperbare, um zu versuchen, die Bindung von Eisen durch CO zu verdrängen.

Verweise

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