Vazba kyslíku na hemoglobin je podmíněna důležitou vlastností hemoglobinu, kterou je schopnost zvýšení afinity pro ligand (kyslík) v případě, že dojde k vazbě první molekuly ligandu na protein s více podjednotkami (hemoglobin). Tato vlastnost se nazývá pozitivní kooperativní interakce. V případě hemoglobinu se jedná o vysoký stupeň kooperace, není však úplná.

 

Obecně pro proteiny (Prot) s n podjednotkami schopnými vázat ligand (Lig) platí disociační rovnice ve tvaru

 

         [Prot] * [Lig]ⁿ

K =                                                                                                       Rovnice 1

             [ProtLig]

 

 

za předpokladu, že neexistují disociační mezistupně, resp. že všechny vazebná místa jsou buď obsazena nebo neobsazena (tzv. nekonečná kooperativa).

 

Frakční saturace s je pak v tomto případě obecně daná vztahem

 

                [ProtLig]

s =                                                                                                       Rovnice 2

        [Prot] + [ProtLig]

 

 

Dosazením hodnoty pro výpočet ProtLig (úpravou rovnice 1) do rovnice 2 získáme

 

            [Lig]ⁿ

s =                                                                                                       Rovnice 3

           K +    [Lig]ⁿ

 

 

V případě vazby kyslíku na hemoglobin je proteinem hemoglobin se svými podjednotkami a ligandem kyslík. Rovnici 10 lze vyjádřit jako tzv. Hillovu rovnici

 

 

               (pO₂)ⁿ

s =                                                                                                       Rovnice 4

           K +    (pO₂)ⁿ

 

 

Výchozí předpoklad o nekonečně velké kooperativitě v reálném světě neplatí. Číslo n se nahrazuje tzv. Hillovým koeficientem h, který je mírou kooperativity reakce. Rovnici 4 je pak vhodnější upravit do tvaru

 

    s          (pO₂)^h / [K + (pO₂)^h]

         =                                                                                                 Rovnice 5

1 – s         1 – (pO₂)^h / [K + (pO₂)^h]

 

 

a tak získáme vhodný tvar pro logaritmické vyjádření

 

   s             (pO₂)^h

         =                                                                                                 Rovnice 6

1 – s             K

 

 

Po zlogaritmování je vyjádření lineární

 

ln(s/1-s) = h * ln(pO₂) – ln(K)                                                                   Rovnice 7

 

Podobně jako u myoglobinu můžeme definovat parciální tlak pO₂, při kterém je hemoglobin saturován z 50 %. Vyjdeme z rovnice 4 (parametr n je již nahrazen Hillovým koeficientem h)

 

              (p₅₀)^h

0,5 =                                                                                                     Rovnice 8

           K + (p₅₀)^h

 

 a tedy

 

 

K = (p₅₀)^h                                                                                                Rovnice 9

 

 

a dosazením do rovnice 4 získáme

 

            (pO₂)^h

s  =                                                                                                      Rovnice 10

           (p₅₀)^h + (pO₂)^h

 

 

 

Stejnou operací, kterou jsme provedli s rovnicí 4 a získali jsme rovnici 5, provedeme s rovnicí 10, takže získáme tvar

 

ln[s/(1-s)] = h * ln(pO₂) – h * ln(p₅₀)                                                           Rovnice 11

 

 

Znázornění, kdy na ose x je ln(pO₂) a na ose y je ln(s/(1-s)) se nazývá Hillovo vynesení (Hill plot). Směrnicí přímky je v bilogaritmickém vyjádření Hillův koeficient h.

 

Úsek na ose x (pro obecnou lineární rovnici ve tvaru y = ax + b je úsek na ose y roven b a úsek na ose x je roven -b/a) je roven ln(p₅₀).

 

Hodnota parametru h (směrnice přímky v bilogaritmickém vyjádření) je rovna 2,8 - 3,0 v lineární oblasti vztahu, který platí mezi hodnotami saturace 0,1 (10 %)a až 0,9 (90 %). Nedosahuje tedy maximální hodnoty 4 (4 místa pro ligandy).

 

V oblasti saturace blížící se nule je směrnice rovna 1 (jako u myoglobinu), v oblasti saturace maximální je směrnice rovněž rovna 1. Vysoká kooperativita (tj. zvýšení afinity pro O₂ v případě, že dojde k vazbě kyslíku na hemoglobin) se vytrácí při velmi nízkých a velmi vysokých hodnotách saturace, tedy v oblastech se směrnicí 1 (jako má nekooperativní reakce mezi myoglobinem a kyslíkem). Je to dáno tím, že v nízkých hodnotách saturace kompetují jednotlivé molekuly hemoglobin nezávisle o molekuly kyslíku a pozitivní kooperativita se ještě neuplatňuje. Ve vysokých hodnotách saturace jsou neobsazená místa pro ligandy na různých molekulách hemoglobinu. Afinita hemu pro kyslík je ovlivněna globinem. To je důvodem, proč některé patologické řetězce globinu vedou ke změnám schopností hemoglobinu vázat a uvolňovat kyslík.

 

 

Další informace

Acidobazická rovnováha

Vazba 0₂ na hemoglobin a myoglobin, grafické znázornění saturace

Vazba 0₂ na myoglobin

Vazba 2,3-bisfosfoglycerátu na hemoglobin

Vazba Cl^- na hemoglobin

Vazba CO₂ na hemoglobin

 

 

Antonín Jabor