موسوعة الكيمياء : هيموجلوبين

هيموجلوبين

الهيموجلوبين Hemoglobin هو بروتين محمول داخل خلايا الدم الحمراء. يلتقط الأوكسجين في الرئتين ويسلّمه إلى الأنسجة للحفاظ على حياة الجسم. الهيموگلوبين يتكون من بروتينين متماثلين ملتصقان ببعضهما البعض. يجب تواجد كِلا البروتينين ليستطيع الهيموگلوبين تحميل و إعطاء الأوكسجين لخلايا الجسم. أحد البروتينين يدعى ألفا، و الآخر بيتا. قبل الولادة، لا يتم إنتاج بروتين بيتا. لكن يوجد بروتين أخر يحل مكانه يسمى غاما، و هو لا يوجد إلا في طور الجنين، و يعمل كبديل للبيتا إلى وقت الولادة.

مثل جميع البروتينات، مخطّطات تصنيع الهيموگلوبين مخزنة داخل الـ دي إن أي (المادة التي تكون الجينات). الإنسان لديه، في العادة، أربعة جينات للتحكم بتصنيع بروتين ألفا،( سلسلة ألفا). بينما يتحكم جينان آخران بتصنيع سلسلة البيتا. (يوجد إيضا جينين إضافيين للتحكم بإنتاج سلسلة غاما لدى الجنين). يتم إنتاج سلسلة ألفا و بيتا بنفس الكمية، على الرغم من العدد المختلف للجينات. ترتبط سلاسل البروتين تلك بخلايا الدم الحمراء النامية، وتبقى معا طيلة حياة خلية الدم الحمراء

ويتكون من اتحاد الجلوبين؛ وهو نوع من البروتين مع الهيم الذي يتكون من اتحاد الحديد مع البورفورين، ويوجد الهيموجلوبين في كرات الدم الحمراء ويمكن اعتباره أهم مادة كيماوية في الجسم، إذ انه يحمل الأكسجين من الرئتين إلى الأنسجة، كما يعمل على معادلة ثاني أكسيد الكربون وحمله من الأنسجة إلى الرئتين. ومن الغلوبين وله أربعة أنواع من سلاسل عديدات البيتيد وهي ألفا، بيتا، وجاما، ودلتا، ويبنى 96% من خضاب دم الإنسان الكهل من الخضاب "أ" الذي يتركب من سلسلتين ألفا وسلسلتين بيتا. بينما يشكل 2% فقط من خضاب دم الإنسان من الخضاب "أ2" الذي يتركب من سلسلتين ألفا وسلسلتين دلتا، وهذا النوع يشكل الثلاسيميا الصغرى. أما الهيموجلوبين F وهو يدعى الخضاب الجنيني فلا تزيد نسبته عن 2% ويبنى من سلسلتين ألفا وبيتا من نوع جاما، وهو الذي يشكل الثلاسيميا الكبرى، أو فقر دم البحر الأبيض المتوسط، وتكون الكرية بشكل الهدف. ويبني معظم خضاب دم الأجنة من هذا النوع ثم يراجع بعد الولادة. إن امتلاك خضاب الدم أمر وراثي وكذلك بتركيب السلاسل البيتيدية فيها، وإن أي تغيير جزئي، أو كلي يغير من طبيعة الخضاب، ومثال ذلك الخضاب "د" الذي يحل فيه الحمض الأميني الفالين محل الجلوتامين في سلسلة بيتا، يصبح الخضاب صعب الارجاع ويجعل الكرية سهلة الانحلال ويعطيها شكل المنجل فتسمى فاقة الدم المنجلية

خلايا الدم الحمراء

خلايا الدم الحمراء تتكوّن من جزئين. الهيموگلوبين في داخل الخلية على شكل سائل. و غشاء يحيط به مشكلا شكل الخلية الخارجي و يحوي الهيموگلوبين في الداخل. يمكن تمثيل الخلية ببالون ماء مطاطي. المطاط سيكون غشاء الخلية، والماء هو الهيموغلوبين. فصائل الدم المعروفة و هي، أي، بي، أو، و أي بي، هي خصائص الغشاء. بينما يكون الهيموگلوبين داخل الخلايا الحمراء متماثل بين جميع أنواع الفصائل و عند جميع البشر. و يمكن تشبيه ذلك ببالونات الماء الملونة، فهنالك البالونات ذات المطاط الأحمر و هنالك البالونات ذات المطاط الأصفر و هكذا، و جميعها تحوي الماء.

تركيب الهيمي

إنتاج الهيموجلوبين

يتطلّب إنتاج الهيموگلوبين تنسيق إنتاج الهيمي و الجلوبين. الهيمي Heme هي مجموعة تعويضية prosthetic group بقوم بالمساعدة بالربط القابل للعكس للأوكسجين مع الهيموغلوبين. بينما الغلوبين Globin هو البروتين الذي يحيط ويحمي جزيئة الهيمي. أربعة سلاسل من الغلوبين (سلسلتا ألفا وسلسلتا بيتا) تتشكل بصورة تشبه الديدان الملتفة. كل سلسلة من الجلوبين تحتوي مجموعة هيمي صغيرة. في مركز كل مجموعة هيمي توجد نواة من ذرة حديد (Fe). في الشكل الأول في الأعلى يظهر الجلوبين المكون من كل من سلسلتي البيتا باللون البرتقالي و سلسلتي الألفا الحمراء، بينما تظهر جزيئات الهيمي باللون الأزرق.

تأثير بور

قدرة الهيموگلوبين على إطلاق الأوكسجين، تتأثّر بقيمة مؤشر الحموضة pH، ثاني أكسيد الكربون CO2، وبالإختلافات في بيئة الرئتين الغنية بالأوكسجين وبيئة الأنسجة قليلة الأوكسجين. قيمة مؤشر الحموضة pH في الأنسجة أقل إلى حد كبير (أكثر حامضية) من الرئتين. يتم توليد البروتونات خلال التفاعل بين ثاني أكسيد الكاربون والماء لتشكيل ثنائي الكربونات bicarbonate:

CO2 + H20 -----------------> HCO3- + H+

هذه الحموضة المتزايدة تخدم غرضين. أولا، تضعف البروتونات الرابط بين الهيموگلوبين و الأوكسجينِ، مما يسمح بإطلاق الأكسجين بصورة سهلة إلى الأنسجة. عند إطلاق ذرات الأكسجين الأربعة المرتبطة بالهيموغلوبين، يرتبط الهيموگلوبين مع بروتونين. هذا يؤدي لدفع توازن التفاعل نحو الجانب الأيمن من المعادلة. هذا هو ما يعرف بتأثير بور The Bohr Effect ، و هو حيوي في إزالة ثاني أكسيد الكربون لأن ثاني أكسيد الكربون لا الذوبان في مجرى الدم. إنّ آيونات ثنائي الكربونات لها قابلية للذوبان أعلى بكثير، وعليه، يمكن إعادتها إلى الرئتين بعد إرتباطها بالهيموغلوبين. إذا لم يستطع الهيموگلوبين إمتصاص البروتونات الزائدة، سينتقل توازن التفاعل إلى يسار المعادلة، ولن يصبح في الإمكان التخلص من ثاني أكسيد الكربون.

في الرئتين، يعمل هذا التأثير بإتجاه عكسي. عند وجود تركيز أوكسجين عالي في الرئتين، فإن إرتباط البروتون يضعف. و يتم إطلاق البروتونات، مما يؤدي إلى نقل توازن التفاعل إلى اليسار، مما يشكل ثاني أكسيد الكربون عديم الذوبان و الّذي يطرد من خلال الرئتين. الهيموگلوبين قليل البروتونات له ميل أكبر للإتحاد مع الأوكسجين، و هكذا تستمر دورة نقل الأكسجين و التخلص من ثاني أكسيد الكربون

المشاكل الوراثية

كون تركيب الهيموجلوبين هو نفسه لدى جميع البشر، هو أمر ناتج عن كون الجينات التي تشفّر الهيموگلوبين متماثلة ايضا لدى جميع البشر. من حين لآخر، يتغير أحد الجينات لسبب أو لأخر من الأسباب التي يمكن أن تحدث في الطبيعة. هذه التعديلات في الجينات نادرة جداً. و بما ان الجينات يتم توريثها، فهذا يعني أن الجين الذي ينتج هيموغلوبينا شاذا لدى فرد معين، سينتقل إلى أطفاله. و الأطفال سينتجون الهيموگلوبين المعدل و المماثل لذلك عند الوالد. أكثر التغيرات التي تصيب جينات إنتاج الهيموگلوبين لا تسبب أي مشكلة. لكن طبعا أي تغير في البروتين سيغر سماته و سلوكه. أنواع الاضطرابات التي يمكن أن تنتج تتضمّن مرض الخلية المنجلية والتلاسيميا.

على الرغم من أن التغييراتِ التي تنتج الهيموگلوبين الشاذ نادرة، إلا أنه يوجد المئات من الهيموگلوبين الشاذ (المغاير، قد تكون تسمية أفضل). هذا التغاير نتج خلال ملايين السنوات من التطور البشري. معظم الهيموگلوبين المغاير يعمل و يقوم بمهامه بصورة جيدة، و لا يمكن معرفة الإصابة به إلا من خلال فحص الـ دي إن أي حيث أنه لا أعراض جانبية له. بعض أنواع الهيموگلوبين الشاذ، لا يؤدي وظيفته بصورة إعتيادية ويمكن أن ينتج اضطرابات سريرية، مثل مرض الخلية المنجلية.

تلاسيميا بيتا

كيف يؤثر الخلل الوراثي

الجينات يمكن أن تصاب بضرر يؤدي إلى عدم قدرتها على إنتاج كميات طبيعية من الهيموغلوبين. في العادة، أحد مجموعات جينات الهيموگلوبين تتأثّرة، إما مجموعة جين ألفا أو مجموعة جين بيتا. على سبيل المثال، أحد جيني بيتا قد يخفق في إنتاج كمية طبيعية من بروتين سلسلة بيتا. و ستكون جينات ألفا الأربعة تعمل على إنتاج كمية طبيعية من بروتين سلسلة ألفا. سيظهر عدم توازن في كمية بروتين سلسلة ألفا وبروتين سلسلة البيتا داخل الخلية. حيث سيكون هناك كمية من سلسلة ألفا أكثر من اللازم. عدم التوازن هذا يدعى التلاسيميا. في هذا المثال السابق، هو ستكون الحالة هي تلاسيميا بيتا، و ذلك لكون جين سلسلة البيتا هو الذي أخفق