7.10. A hemoglobin anyagcserefüggő szabályozása, a Bohr-effektus

Az előző részben már megismertük, hogy a hemoglobin milyen konformációs állapotokban létezhet, és arra is láttunk modelleket, hogy miként kerülhet egyik állapotból a másikba. Arról azonban nem esett még szó, hogy ezeket a konformációs átmeneteket az oxigénkötésen kívül még mi válthatja ki. Az alábbi eredmények fényt derítettek arra, hogyan szabályozódik a hemoglobin az élő szervezetben.

Christian Bohr, a Nobel-díjas atomfizikus Niels Bohr édesapja 1904-ben alapvető felfedezést tett a hemoglobin működésével kapcsolatban. Kimutatta, hogy a hemoglobin oxigén-affinitása pH-függő, alacsony pH-n kisebb affinitással köti az oxigént (lásd 7.21. ábra). Ez a jelenség a szakirodalomban a Bohr-effektus elnevezést kapta.

Az alapkísérletben két hemoglobin oldat oxigéntelítési görbéjét mérték meg. A közeg pH értékét mesterséges pufferrel állították be. Az egyik mérésben az oldat pH értéke 7,4 a másikban 7,2 volt. Ahogyan az a 7.21. ábrán látható, alacsonyabb pH-n a telítési görbe a nagyobb pO2 értékek felé tolódott el. Alacsonyabb pH-n tehát magasabb parciális nyomás esetén éri el a hemoglobin a fél-telítés állapotát, vagyis magasabb pO2 értéken lesz az oldatban lévő kötőhelyek fele oxigénkötött állapotban. Más szóval alacsonyabb pH-n a hemoglobin oxigénkötő affinitása kisebb.

Formálisan a Bohr-effektus az alábbi egyszerű modellel magyarázható:

7.12. egyenlet

7.21. ábra: A Bohr-effektus, azaz a hemoglobin oxigénkötő affinitásának pH-függése

7.21. ábra: A Bohr-effektus, azaz a hemoglobin oxigénkötő affinitásának pH-függése

A 7.12. egyenletben szereplő egyszerű modell szerint a hemoglobin oxigénkötő affinitásának pH-függése azzal magyarázható, hogy a hemoglobin képes protont felvenni, és a protonfelvétel valamint az oxigénkötés kizárják egymást. Ez az egyszerű leírás természetesen nem foglalkozik azzal, hogy a proton pontosan hova köt, és miért zárja ki az oxigén kötését.

Akkoriban már jól ismert tény volt, hogy a biológiai oxidáció során széndioxid keletkezik, és az is, hogy az oldott széndioxid csökkenti a pH-t az alábbi reakciók miatt:

7.13. egyenlet

A széndioxid szénsav formájában oldódik, a szénsav pedig gyenge savként részlegesen hidrogénkarbonát ionra és protonra disszociál.

A Bohr-effektus tehát előre jelezte, hogy itt egy fontos élettani szabályozásról lehet szó. Minél intenzívebben zajlik egy szövetben a biológiai oxidáció, annál alacsonyabb a szövetben uralkodó pH. Amikor a szöveten átvezető kapillárisokban a vörösvértestek áthaladnak, a bennük lévő hemoglobin környezetében is csökken a pH, a hemoglobin oxigénkötő affinitása csökken, ezért oxigént ad le.

Összefoglalva: minél intenzívebb sejtlégzést folytat egy szövet, annál több oxigént ad le számára a hemoglobin.

Nézzük meg, mi a hemoglobin pH-függő oxigénkötő affinitásának fehérjeszerkezeti alapja. A 7.16. ábráán már bemutattuk, hogy az alacsony oxigénkötő affinitású T hemoglobin konformáció egyik fő stabilizáló kölcsönhatása csak akkor alakul ki, ha a His-HC3 oldallánca pozitív töltést hordoz. Ez az oldallánc a kulcsa a pH-függő szabályozásnak. Csökkenő pH-n a hemoglobinok egyre nagyobb százalékában lesz ez a hisztidin protonálva, így egyre nagyobb százalékuk kerül T-konformációba. Minden disszociációra képes csoport a saját pKa értéke környezetében változtatja legnagyobb mértékben a pH függvényében a protonáltsági állapotát (lásd Henderson-Hasselbalch egyenlet a 2.5.5. fejezetben és a 2.13. egyenlet). A hisztidin imidazol csoportjának pKa értéke éppen a fiziológiás szempontból legfontosabb pH 7,4 körül van.

A 7.21. ábraán bemutatott kísérlet második részében az is kiderült, hogy nem pusztán a pH értéke számít, hanem az is, hogy a pH egy mesterséges puffer vegyület miatt volt 7,2 vagy az oldott széndioxid miatt. Ha mesterséges puffer helyett széndioxid beoldódása miatt volt a pH 7,2, akkor a pH azonos értéke ellenére a hemoglobin még alacsonyabb affinitással kötötte az oxigént. Az in vitro kísérletek tehát azt mutatták, hogy a Bohr-effektus csak részben magyarázható az oldat hidroxónium koncentrációjával, a pH-hatáson kívül a széndioxidnak van egy specifikus saját hatása is.

Mint később kiderült, a hemoglobin nem csak oxigént és szénmonoxidot tud kötni, hanem széndioxidot is (lásd 7.22. ábra). Nagyon fontos, hogy megértsük, hogy a széndioxid nem a hem-hez, hanem a hemoglobin β-láncok N-terminálisához kötődik kovalens kötéssel (karbamát alakul ki), így azokat negatív töltéssel látja el.

7.22. ábra: A széndioxid karbamát ion formájában kötődik a hemoglobin β-láncok N-terminálisához.

7.22. ábra: A széndioxid karbamát ion formájában kötődik a hemoglobin β-láncok N-terminálisához.

Az így kötődött széndioxid is a csökkenő pH irányába hat, másrészt a negatív töltésű β-lánc N-terminálisok is részt vesznek a T-forma stabilizálásában. A kilélegzett széndioxid egy része tehát a hemoglobin útján, más része hidrogén-karbonátionként a vérplazmában oldva szállítódik.

Formálisan a széndioxid és az oxigén kötése is kizárják egymást. A széndioxid a pH függésen felül tehát tovább erősíti az oxigén-” kipasszírozó” Bohr-effektust. Fordítva szemlélve: a tüdőben lévő magasabb pH segíti az oxigénfelvételt, ekkor viszont a belépő oxigén segíti kipasszírozni a széndioxidot.