7.7. A hemoglobin kooperatív oxigénkötésének Hill-diagramja

A hemoglobin oxigénkötése egyszerű fotometriás eljárással mérhető, ugyanis az oxigénkötött hem élénkvörös színe jellegzetesen eltér az oxigén-hiányos hem kékes színétől. Nem véletlenül terjedt el az anatómiai atlaszokra jellemző ábrázolás, amely szerint az oxigénben dús vért szállító artériákat pirossal, míg az oxigénben szegényebb vért szállító vénákat kékkel ábrázolják.

A kísérletben a vér, vagy a hemoglobin oldat egy olyan edényben van, amelyben az oxigén parciális nyomását pontosan szabályozzák. Az oxigénkötött és oxigént nem kötő kötőhelyek aránya fotometriásan mérhető (lásd 7.11. ábra).

7.11. ábra: A hemoglobin valós telítési görbéje (középső görbe) szigmoid alakú, működése során a fehérje kis affinitású és nagy affinitású állapotok között ingázik (szélső görbék)

7.11. ábra: A hemoglobin valós telítési görbéje (középső görbe) szigmoid alakú, működése során a fehérje kis affinitású és nagy affinitású állapotok között ingázik (szélső görbék)

A 7.11. ábra középső görbéje közvetlen mérés eredménye. A piros sáv a tüdőben uralkodó parciális nyomásnak, a kék sáv a szövetekre jellemző parciális nyomásnak felel meg. A normál légköri nyomás nagyjából 100 kilopascal. Mivel az oxigén a légkörben 21%-ot tesz ki, az oxigén parciális nyomása 21 kilopascal. Az ábrán jelzett, a tüdőre vonatkozó érték ennél kb. 30%-kal alacsonyabb, mintegy 13-14 kilopascal. Az alacsonyabb szint oka, hogy a tüdőben a léghólyagocskák területén az oxigén parciális nyomását ilyen mértékben csökkenti, hogy az ott jelenlévő gázkeverék vízgőzzel telített, illetve a széndioxid szint is jóval magasabb, mint normál légkörben. 

A 7.11. ábra azt illusztrálja, hogy a mérésből származó szigmoidális görbe annak az eredménye, hogy az oxigénkoncentrációtól függően a hemoglobin átvált egy erősen kötő formából (baloldali görbe) egy gyengén kötő formára (jobboldali görbe).

Nézzük meg a fenti mérési eredményt a 7.11. egyenlet szerinti ábrázolásban a 7.12. ábrán, amely egy egyszerűsített, idealizált Hill-diagramokat mutat be, ahol kontrollként a mioglobin adatai is szerepelnek, amelyeket a kék vonal szemléltet. Piros vonal mutatja a hemoglobin mérési adatait. A mioglobin egy-kötőhelyes, ezért nem kooperatív esetében a vonal meredeksége, tehát a Hill-együttható értéke 1. A vízszintes (szaggatott) tengely metszete megadja a disszociációs állandónak megfelelő pO2 adat logaritmusát.

Kövessük most a hemoglobin vonalát az alacsony oxigénkoncentráció irányából. Az oxigénmentes hemoglobin vonala kooperációmentes esetet mutat, a Hill-együttható 1, az extrapolált tengelymetszet egy alacsony affinitású oxigénkötő fehérjét mutat. Ahogyan emeljük a kísérletben az oxigén parciális nyomását, érdekes jelenséget figyelhetünk meg. A hemoglobin átvált egy olyan állapotra, amelyben megjelenik a kooperatív működés, a Hill-együttható körülbelül 3, a tengelymetszet egy, az előzőnél jóval nagyobb affinitás fehérjének felel meg. Tovább növelve az oxigén parciális nyomását, a görbe ismét dőlésszöget változtat, a közel telített hemoglobin ismét nem mutat kooperativitást. Az ekkor kapott, 1-es Hill-együtthatóval rendelkező egyenes extrapolációjával kapott tengelymetszet még a mioglobinnál is nagyobb affinitású fehérjére utal.

7.12. ábra: A mioglobin és hemoglobin idealizált Hill-diagramja

7.12. ábra: A mioglobin és hemoglobin idealizált Hill-diagramja

Összefoglalva: az oxigén parciális nyomását növelve a hemoglobin is telítődik, de a telítettségi foktól függően a fehérje működése a kooperativitás tekintetében kétszer is megváltozik. Egy nem kooperatív állapotból kooperatívba vált, majd ismét nem kooperatívan működő formát vesz fel.