【생물학】 헤모글로빈

헤모글로빈(hemoglobin)

 

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1. 생성 [본문]

2. 구조 [본문]

3. 기능 [본문]

4. 종류 [본문]

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1. 생성 [목차]

⑴ 적혈구 : 적혈구 내 헤모글로빈의 양이 30% 정도가 될 때 다른 세포소기관들이 파괴됨

① 헤모글로빈은 적혈구 한 개당 약 300만 개

② 성숙 과정에서 미토콘드리아 제거 : 젖산발효를 통해 ATP를 생성하기 때문에 산소 소모량이 없음

③ 포도당만을 에너지원으로 사용

④ 포유류 : 무핵세포 (핵 제거), 핵이 없어서 많은 양의 헤모글로빈 함유 가능

⑤ 나머지 : 유핵세포

⑵ 헤모글로빈 mRNA

① 헤모글로빈의 mRNA는 적혈구가 살아있는 한 분해되지 않고 계속 남아 있음

② 글로빈 mRNA는 적혈구에 상당히 많이 발현되며 전체 blood RNA의 2/3을 차지함

⑶ 헤모글로빈과 혈액검사

① 남성 헤모글로빈 : 14 ~ 17 g Hb/dL × 혈액

② 여성 헤모글로빈 : 12 ~ 16 g Hb/dL × 혈액

 

 

2. 구조 [목차]

⑴ 화학적 특징 

① 헤모글로빈의 흡광도 : 560 nm 

○ 헤모글로빈은 철이 포함되어 있어 혈액은 붉은색을 띰

② 헤모글로빈 헴 그룹 : 포르피린 고리에 Fe²⁺이 포함된 유기화합물  

⑵ 1차 구조

① 사람과 차이 나는 헤모글로빈 아미노산 수 

○ 고릴라 (1)

○ 붉은털원숭이 (8)

○ 개 (15)

○ 말 (25)

○ 닭 (45)

○ 개구리 (67)

○ 칠성장어 (125)

② 헤모글로빈의 기능적 잔기와 진화론 

○ 헴 그룹과 결합하는 히스티딘 잔기 : 상당히 보존돼 있음

○ 헤모글로빈 표면 중 다른 헤모글로빈과 결합하는 binding site 및 interface : 보존돼 있음

○ 기타 헤모글로빈 표면 잔기 : 덜 보존돼 있음

⑶ 3차 구조

① HBA1 (hemoglobin subunit alpha)

○ 아미노산 서열 

 

MVLSPADKTN VKAAWGKVGA HAGEYGAEAL ERMFLSFPTT KTYFPHFDLS HGSAQVKGHG KKVADALTNA VAHVDDMPNA LSALSDLHAH KLRVDPVNFK 
LLSHCLLVTL AAHLPAEFTP AVHASLDKFL ASVSTVLTSK YR

 

○ AlphaFold2로 예측한 시토크롬 HBA1 구조

 

Figure. 1. HBA1의 2차원 구조

 

 

Figure. 2. HBA1의 3차원 구조

 

② HBB (hemoglobin subunit beta)

○ 아미노산 서열 

 

MVHLTPEEKS AVTALWGKVN VDEVGGEALG RLLVVYPWTQ RFFESFGDLS TPDAVMGNPK VKAHGKKVLG AFSDGLAHLD NLKGTFATLS ELHCDKLHVD 
PENFRVSLWD A

 

○ AlphaFold2로 예측한 시토크롬 HBB 구조

 

Figure. 3. HBB의 2차원 구조

 

 

Figure. 4.  HBB의 3차원 구조

 

⑷ 4차 구조

① 헤모글로빈 : 알로스테릭 효소. α₂β₂ (4차 구조, HbA)와 같이 표현. 각 단위체는 헴과 글로빈으로 구성

② 미오글로빈 : 3차 구조만을 구성

 

 

3. 기능 [목차]

⑴ 헤모글로빈의 기능 : 산소운반 

① 적혈구 1개에 2억 5천만 Hb 함유 → 10억 분자의 산소 운반 (99%)

○ 총 혈액 산소함량 200 mL/L 중 198 mL/L를 담당

② 혈장이나 적혈구 세포기질에 용해된 산소는 1% 미만

③ 호흡색소는 산소분압이 높을수록 높은 포화도를 가짐

④ 헤모글로빈은 폐에서 산소와 결합하고(100% 포화) 조직말단에서 약 30 ~ 40%만 해리

⑵ Hb의 헴에 결합하는 배위자 (산소의 경쟁적 저해)

① oxy Hb : Hb + O2 → HbO2 (붉은색)

② saturated oxy HB : Hb + 4O2 → Hb(O2)4

③ reduced Hb : Hb + H+ → HHb (적갈색)

④ met Hb : OH- (Fe3+), 가끔 생기지만 생체 내에서 스스로 해결

⑤ carboxy Hb : CO(친화도 ⇑), 일산화탄소 중독을 야기

⑥ cyano Hb : CN-(친화도 ⇑), 청산가리(KCN)의 치사 원인

⑦ 이산화탄소와 2,3-BPG는 글로빈에 결합하여 저해제로 작용하지 않으나 적혈구 산소운반능을 낮춤

⑶ 협동성 : 4차 구조에서 한 단위체에 기질이 결합하면 주변 단위체의 기질의 친화도가 증가하는 현상

① 미오글로빈은 기질의 친화도가 일정하기 때문에 미카엘리스-멘텐 방정식으로 예상되는 모양(MM형)을 형성

○ 이유 1. 미오글로빈은 헤모글로빈과 같은 알로스테릭 단백질이 아님 

○ 이유 2. 미오글로빈은 서브유닛이 1개인 반면 헤모글로빈은 서브유닛이 4개 

○ 미오글로빈은 헤모글로빈보다 산소 친화도가 높아 낮은 산소 분압에서도 산소 저장; 근세포 다수 존재

○ 잠수성 포유류인 바다 표범은 미오글로빈 함량이 많음 : 사람에 비해 몸무게 kg당 약 2배의 산소를 저장

② 헤모글로빈은 기질의 친화도가 점점 증가하기 때문에 시그모이드형(S자 형)을 그림

○ 헤모글로빈은 두 개 이상의 리간드가 결합할 수 있는 알로스테릭 단백질

○ 헤모글로빈에 한 산소분자만 결합하더라도 소단위체가 산소와 친화도가 높은 구조가 됨

○ 반대로 포화된 헤모글로빈에서 한 산소분자만 빠져나가도 산소 친화력이 낮은 구조가 됨

○ 안정성 : 폐포와 동맥혈의 산소분압이 100 mmHg에서 60 mmHg가 돼도 산소 운반 능력은 크게 감소하지 않음 

 

 

4. 종류 [목차]

⑴ 호흡색소 : 산소를 운반하는 특수한 단백질

① 헤모시아닌 : 절지·연체동물의 호흡색소, 푸른색 (∵ Cu 포함)

② 헤모글로빈 : 대부분의 척추·무척추 동물의 호흡색소, 붉은색 (∵ Fe 포함)

③ 미오글로빈 : 헤모글로빈보다 산소친화도가 더 강함, 붉은색 (∵ Fe 포함)

○ 3차 구조만을 구성

○ 잠수 포유류나 심장, 근육은 미오글로빈 함량이 높음

○ 미오글로빈은 혈액 내로 들어갈 수 없음

⑵ 태아 : HbF(Hb Fetus)가 존재

① 배아 ~ 8주 : ζ₂ε₂ 

② 임신 6주 정도에 HbF가 간에서 생성되기 시작

③ 임신 8개월 정도에 HbA가 골수에서 생성되기 시작

④ 신생아에서 70%가 HbF, 30%가 HbA임

⑤ 출생 후 3 ~ 6개월 사이에 급격히 HbA(Hb Adult) 교체 (HbF 파괴)

⑥ 산소친화도 : α₂γ₂ ＞ α₂β₂

○ 모체의 헤모글로빈에서 방출한 산소가 태아의 헤모글로빈에 결합

○ 원인 : BPG 결합자리 서열 차이, HbF의 γ사슬과 HbA의 β 사슬은 아미노산 서열이 약 38% 차이남

○ BPG 친화도 : γ 사슬 ＜ β 사슬 → 산소친화도 : γ 사슬 ＞ β 사슬

⑦ 다양한 헤모글로빈의 종류는 선택적 스플라이싱이 아니고 시기 특이적 발현에 불과함을 유의

⑶ 성인 

① HbA2 : 성인의 헤모글로빈 중 약 2% (나머지 98%는 HbA), α2 δ2

⑷ 겸형 적혈구 빈혈증(sickel cell anemia)

① 정의 : 헤모글로빈의 β 사슬의 6번째 아미노산이 글루탐산(Glu, 친수성)에서 발린(Val, 소수성)으로 바뀐 질병

○ N 말단 - Val - His - Leu - Thr - Pro - Glu / Val - Glu - ···

② 원리 : 친수성 아미노산이 소수성 아미노산으로 바뀌면서 입체구조가 크게 바뀜

○ 변이 헤모글로빈의 섬유화(clump) 현상 : 소수성 상호작용 때문에 헤모글로빈끼리 엉겨붙어 섬유를 형성

○ 섬유화 현상은 헤모글로빈이 낫 모양이 되는 이유가 됨

○ 미오글로빈에서는 동일한 유전자 변이가 관찰되지 않음 : 미오글로빈은 단위체가 1개이기 때문에

③ 유전자형에 따른 표현형

○ 우성 동형접합자 : 정상 적혈구

○ 열성 동형접합자 : 낫 모양의 적혈구, 말라리아 저항성 ↑↑, 산소 전달 효율 ↓↓

○ 이형접합자 : 일부만 낫 모양의 적혈구, 말라리아 저항성 ↑, 산소 전달 효율 ↓

④ 잡종 강세 : 이배체의 경우 이형접합자가 더 생존에 우세한 경우

○ HbA : 성인 헤모글로빈, HbS : 낫형적혈구빈혈증 헤모글로빈

○ HbA / HbA : 말라리아 민감성

○ HbA / HbS : 말라리아 저항성

○ HbS / HbS : 빈혈증

⑤ 증상 : 류마티스 관절염, 동맥경화, 치매, 면역력 약화, 뇌졸중, 심장 약화

⑥ 치료 : 현재 겸상 적혈구 빈혈증 치료법은 없으며 골수이식이 증상 개선에 도움이 됨

 

입력 : 2022.05.23 11:45