Hemoglobinin Görevi Sadece Oksijen Taşımak mı?

Aldığımız nefesle vücuda giren oksijeni parmak uçlarından beyne kadar bütün vücut hücrelerine taşıyan hemoglobin molekülleri, alyuvarların içinde bulunur ve kana kırmızı rengini verir. Bir damla kanımızda ne kadar alyuvar, ne kadar hemoglobin bulunur ve bu hemoglobinler ne kadar oksijen molekülü (0₂) taşıyabilir hiç merak ettiniz mi?

Bir damla, yani bir mm³ kanda ortalama 4-5 milyon alyuvar bulunmaktadır. Bir alyuvarın içinde ise 300 milyon civarında hemoglobin molekülü vardır. Bir hemoglobin molekülü dört oksijen molekülü taşıyabildiğine göre, elinize kalem-kağıt alıp hesaplayın bakalım bir damla kan içinde ne kadar oksijen molekülü dokularımıza taşınıyor? 4 milyon x300 milyon x 4 = 4800.000.000.000.000. Yani, bir damla kanımızdaki alyuvarların içinde tam 4,8 katrilyon oksijen molekülü dokulara taşınmaktadır. Oksijeni taşımakla görevli hemoglobin molekülünün oldukça enteresan yapısı vardır.

Hemoglobin tetramerik bir moleküldür. Yani 4 alt yapıya sahiptir. Bu alt yapıların herbirinde birer adet hem grubu ve protein zinciri bulunmaktadır. (şekil 1). Fe²⁺ -porfirin kompleksi olan hem grupları protein zincirleri ile non-kovalent bağlarla bağlı haldedir. Diğer bir deyişle, her hemoglobin molekülünde 4 Fe²⁺ atomu bulunur ve her Fe²⁺ atomu da bir oksijen molekülü bağlayabilir. Ancak bu iş bu kadar kolay değildir!

Akciğerlerimizde yükünü yani oksijen moleküllerini bekleyen boş hemoglobin (deoksi hemoglobin) moleküllerine ilk oksijen molekülünün bağlanması oldukça zordur. Ne var ki, burada ilginç bir olay karşımıza çıkar. Nefesle içimize çektiğimiz hava sayesinde, akciğerlerimizde oksijen miktarı belli bir miktara ulaştığında hemoglobin moleküllerinin Fe²⁺ atomlarından birine oksijen bağlanması gerçekleşir. İşte bu anda hemoglobin molekülünün yapısında bir değişiklik meydana gelir ve ikinci oksijen molekülünün bağlanması kolaylaşır. 2 oksijen bağlı hemoglobinlere 3 oksijen molekülünün, 3 oksijen molekülü bağlı hemoglobinlere ise 4 oksijen molekülünün bağlanması daha da kolaylaşır. Adeta oksijen bağlayan alt ünite diğer alt üniteye yardım ederek onun oksijen bağlamasını kolaylaştırır. Bu olaya bilim dünyası “kooperativite” yani yardımlaşma demektedir zaten. Akciğerlerde bu şekilde yükünü dolduran oksijen yüklü hemoglobinler kan dolaşımı yoluyla doku hücrelerine ulaştıklarında da benzer bir olay olur. 4 oksijen yüklü hemoglobin dokuya ilk etapta oksijenleri bırakmak istemez. Ancak buradaki basınç farklılığından dolayı ilk oksijeni bırakmak zorunda kalır ve ilk oksijenin bırakılması sonucu 2. ve 3. oksijenlerin bırakılması kolaylaşır.

Şimdi harika bir olaydan daha bahsedelim: Bilindiği gibi demir, tabiatta oksijenle karşılaştığı zaman oksitlenme (paslanma) dediğimiz olay meydana gelir. Tabiatta olduğu gibi vücudumuzda da bu şekilde demir ile oksijen bir daha ayrılmayacak şekilde bağlansaydı nefes aldığımızda havasızlıktan boğulur ve ölürdük. Vücutta bu olayı önleyen mekanizma nedir? Demir atomu kimyevi olarak 6 bağ yapabilme özelliğine sahiptir. Hemoglobine bağlı demirdeki bağların 5 tanesi yapıyı kuvvetlendirmede görev yaparken biri, oksijen molekülünün taşınmasında rol alır. Demir, etrafındaki yapılarla bağ oluştururken, hidrofobik (suyla reaksiyona girmeyen) bir çevre meydana gelir. Bu sebeple demirle oksijenin bağlanması bir oksitlenme değil, oksijenlenme olayıdır. Yani oksijen hemoglobindeki yerine yerleştiğinde demir atomunun +2 değerliği değişmez. Vücudun oksijen ihtiyacının arttığı durumlarda hemoglobindeki oksijenin hemen hemen tamamı dokuya aktarılır. Fe²⁺ atomu elektron verme, oksijen molekülü ise elektron kapma özelliğine sahiptir. Böyle olduğu halde hemoglobin molekülündeki Fe²⁺ ve oksijenler arasında bu yok denecek kadar az oranda, % 0,3 oranında gerçekleşmektedir. Yani bin tane hemoglobin molekülünün 3’ünde oksijen molekülleri Fe²⁺ atomlarından zaman zaman elektron kapıverirler. Bu durumda ne olur?

Fe²⁺O² Fe³⁺ +O ^-₂

Görüldüğü gibi Fe²⁺ elektron verince Fe³⁺’e dönüşür. Fe³⁺ atomu taşıyan hemoglobine methemoglobin denir ve methemoglobinler oksijen taşıyamaz. Üzerinde bir elektron fazlalığı bulunan oksijen molekülüne süperoksit radikali denir ve O^-₂ şeklinde gösterilir. 2 sağa sola saldıran yaramaz çocuklar gibi, özellikle hücrelerin zarlarındaki yağlara saldırıp lipid peroksidasyonu dediğimiz bir dizi olay sonucu erken yaşlanma, akciğer hastalığı, kanser vs. birçok hastalığa yol açabilir. Peki böyle mi olur? Elbette hayır. Vücudumuzda Fe²⁺ ve 0₂’yi oksitlenmeden bir arada tutan Güç Sahibi tarafından alyuvarlar içine iki ayrı mekanizma yerleştirilmiştir. Birinci mekanizma olan methemoglobin redüktaz enzimi ile Fe³⁺ ler Fe²⁺’e dönüştürülerek, zararlı methemoglobin hemen tekrar hemoglobin halinde yararlı hale dönüştürülürken ikinci mekanizma ile süperoksit radikalleri şu şekilde ortadan kaldırılır: Alyuvar içindeki süperoksit dizmutaz (SOD) isimli enzim 2 proton (H⁺) ile süperoksit radikalini (O^-₂) birleştirir ve H₂0₂ (hidrojen peroksit) meydana getirir. Oluşan ve zararlı olan H₂0₂’lerde glutasyon redüktaz ve glutasyon peroksidaz (GPx) sistemiyle yararlı bir ürün olan 2 adet su (H₂0) molekülüne dönüştürülür:

_SOD

2H⁺O^-₂ H₂O₂

GPx

H₂0₂ +2H⁺ 2H₂O

Böylece hemoglobin otooksidosyonu sonucu meydana gelen Fe³⁺ ve süperoksit radikalleri çöp şeklinde atılarak değil, tekrar yararlı ürünlere dönüştürülerek ortamdan uzaklaştırılır.

Uzmanlar sigara içenlerde hemoglobinlerdeki demirlerin elektron kaptırma oranının normale göre 2-2,5 kat daha fazla olduğunu belirtmektedirler. Normalde binde 3 olan hemoglobinin otooksidasyon oranı sigara içenlerde binde 7’ye çıkar Böylece yoğunlaşan süperoksit radikalleri sigara içenlerin erken yaşlanmalarına ve kansere yakalanma riskini artırır.

Diğer yandan, hemoglobin molekülünün bir başka önemli görevi daha vardır: Kanda, özellikle alyuvar içinde asid dengesinin sürdürülmesi yani tamponlama görevi dokuda oksijenlerini boşaltan ve deoksihemoglobin haline dönüşen hemoglobinler boş boş beklemez. Dokularda üretilen karbondioksit (CO₂) su ile reaksiyona girer ve karbonik asit (H₂CO₃) oluşur. Bu asit ise alyuvardaki karbonik anhidraz enzimi tarafında iyonlarına ayrıştırılır ve bikarbonat (HC0^-₃) ile proton yani hidrojen iyonu (H⁺) oluşur. Alyuvar içinde üretilen bikarbonatlar hemen kanın sıvı kısmına yani alyuvar dışına giderlerken, buna karşılık iyon ve elektrik dengesi bozulmasın diye alyuvar içine klorür anyonları (Cl^-) kaymaya başlar. Bir an için alyuvar içinde kalan protonlarla bu klorürlerin birleştiğini düşünelim! Acaba ne çıkacak olurdu? H⁺Cl^- HCl yani çok güçlü bir asit olan hidroklorik asit meydana gelirdi. Klorürler protonlarla birleşemezler. Çünkü bu protonlar deoksihemoglobin molekülünün alt ünitelerindeki protein zincirlerinin yüzlerce aminoasidinin arasına özenle yerleştirilmiş olan histidin amino asitleri tarafından yakalanırlar ve klorürlerle birleşmeleri önlenerek alyuvarların zarar görmeden görevlerini sürdürmeleri sağlanmış olur. 4 oksijenini dokuya bırakan hemoglobin molekülü karbonik anhidrazın oluşturduğu protonlardan ikisini yakalama kabiliyetine sahiptir.

Biz sadece nefes alır ve veririz, ama gerisinde meydana gelen olaylardan haberdar bile olmayız. Akciğerlerden dokulara uzanan seyahatte hemoglobin yüklendiği oksijen emanetlerini dokulara taşırken geri dönüş yolunda da protonları yüklenerek tamponlama göreviyle alyuvarları zarardan korur. Ve hayatımız böylesine çarpıcı bir denge ile yürür gider.

Doç. Dr. S. Kaptan - Doç. Dr. M. Ramazanoğlu