สรุปชีวเคมีและสรีรวิทยาของฮีโมโกลบินและการขนส่งออกซิเจน

สัญลักษณ์และอักษรย่อทางชีวเคมีและสรีรวิทยา

• $\text{Hb}$: Hemoglobin — ฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดง

• $\text{Mb}$: Myoglobin — ไมโอโกลบินในกล้ามเนื้อ

• $\text{O}_2$: Oxygen — ออกซิเจน

• $\text{CO}_2$: Carbon dioxide — คาร์บอนไดออกไซด์

• $\text{CO}$: Carbon monoxide — คาร์บอนมอนอกไซด์

• $\text{pO}_2 / \text{PO}_2$: Partial pressure of oxygen — ความดันย่อยของออกซิเจน

• $\text{P}_{50}$: ค่า $\text{PO}_2$ ที่ทำให้โปรตีนอิ่มตัวด้วย $\text{O}_2$ ร้อยละ $50\%$ (ค่ายิ่งต่ำ แสดงว่ามีความชอบหรือ affinity สูง)

• $\text{T-state}$: Tense state — รูปแบบโครงสร้างของฮีโมโกลบินที่มี affinity ต่อ $\text{O}_2$ ต่ำ/จับ $\text{O}_2$ ได้น้อย

• $\text{R-state}$: Relaxed state — รูปแบบโครงสร้างของฮีโมโกลบินที่มี affinity ต่อ $\text{O}_2$ สูง/จับ $\text{O}_2$ ได้ดี

• $\text{2,3-BPG}$: 2,3-Bisphosphoglycerate — ตัวควบคุมแบบ allosteric effector ที่ลด affinity ของฮีโมโกลบินต่อ $\text{O}_2$

บทนำ โครงสร้าง และหน้าที่ของฮีโมโกลบิน

• กระบวนการขนส่งออกซิเจน (Movement of Oxygen):

  • คำว่าการเคลื่อนย้ายออกซิเจนครอบคลุมกระบวนการทางสรีรวิทยา ทั้งหมด $5$ ขั้นตอน ได้แก่:

    1. การรับ $\text{O}_2$ ที่ปอด (Oxygen loading at lungs)

    2. การจับ $\text{O}_2$ กับฮีโมโกลบิน (Oxygen binding to hemoglobin)

    3. การลำเลียงผ่านระบบกระแสเลือด (Transport through blood circulation)

    4. การปลดปล่อย $\text{O}_2$ ให้แก่เนื้อเยื่อ (Oxygen unloading to tissues)

    5. การปรับเปลี่ยน affinity ตามสภาวะทางเมแทบอลิซึมของเนื้อเยื่อ

• ความต้องการออกซิเจนของสิ่งมีชีวิต:

  • สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์มีระยะห่างระหว่างพื้นผิวแลกเปลี่ยนแก๊สกับเซลล์ภายในมากเกินกว่าที่ $\text{O}_2$ จะแพร่ผ่าน simple diffusion เพียงอย่างเดียวได้ทันเวลา

  • อัตราความต้องการ $\text{O}_2$ เปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่กี่วินาที

  • ในสภาวะพัก (Basal state) เซลล์ยังคงต้องใช้ $\text{O}_2$ เพื่อสร้าง $\text{ATP}$ สำหรับการรักษากรด-เบส, membrane potential, การสังเคราะห์สาร และการทำงานพื้นฐาน

  • ในสภาวะออกกำลังกายหรือเกิดสภาวะสู้หรือหนี (Fight-or-flight response) กล้ามเนื้อใช้ $\text{ATP}$ เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ระบบหมุนเวียนเลือดและการระบายอากาศจึงต้องทำงานประสานกัน

  • การสร้างพลังงาน $\text{ATP}$ แบบใช้ออกซิเจน (Aerobic respiration) มีประสิทธิภาพมากกว่าการสร้างพลังงานแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic respiration) ประมาณ $15\text{--}16$ เท่า (Anaerobic glycolysis ได้ $2\,\text{ATP}$ ต่อ glucose ส่วน Aerobic oxidation ได้ประมาณ $30\text{--}32\,\text{ATP}$ ต่อ glucose)

• การเปรียบเทียบระหว่าง Hemoglobin และ Myoglobin:

• ช่องว่างตรงกลาง (Central Cavity / Donut Hole):

  • โมเลกุล Hb มีช่องว่างตรงกลางโครงสร้าง tetramer ระหว่างสาย $\beta$

  • เป็นตำแหน่งเฉพาะที่ $\text{2,3-BPG}$ เข้าไปจับเพื่อทำให้อยู่ในสภาวะ T-state จึงลด affinity ต่อ $\text{O}_2$

• โครงสร้างและหน้าที่ของ Heme (Heme Structure and Function):

  • Heme เป็นหมู่อะโพรทีน (Prosthetic group) ประเภท Fe-Protoporphyrin IX ที่จับแน่นกับโปรตีน globin

  • ประกอบด้วยวงแหวน protoporphyrin IX และมีอะตอมเหล็ก $\text{Fe}^{2+}$ (Ferrous iron) อยู่ตรงกลาง

  • ตำแหน่งพันธะโคออร์ดิเนตของ $\text{Fe}^{2+}$ มี $6$ ตำแหน่ง:

    1. ตำแหน่งที่ $1\text{--}4$: จับกับอะตอมไนโตรเจน $4$ อะตอมในวงแหวน porphyrin

    2. ตำแหน่งที่ $5$: จับกับ Proximal histidine (His F8) ของสายโปรตีน globin

    3. ตำแหน่งที่ $6$: เป็นตำแหน่งเปิดว่างไว้สำหรับจับกับ $\text{O}_2$ แบบผันกลับได้ (Reversible binding)

  • บทบาทของ Distal Histidine (His E7): อยู่ใกล้ตำแหน่งที่ $\text{O}_2$ เข้าจับ แม้ไม่ได้จับกับ $\text{Fe}^{2+}$ โดยตรง แต่ช่วยกำหนดมุมการจับของ $\text{O}_2$ ให้เหมาะสม และสร้างแรงกีดขวางทางสเตอริก (Steric hindrance) ต่อโมเลกุลอื่น

  • ภาวะ Methemoglobin:

    • เมื่อ $ถูก oxidize จาก $\text{Fe}^{2+}$ (Ferrous) เป็น $\text{Fe}^{3+}$ (Ferric) จะกลายเป็น Methemoglobin (MetHb)

    • $\text{Fe}^{3+}$ ไม่สามารถจับกับ $\text{O}_2$ แบบผันกลับได้ ทำให้ความสามารถในการขนส่ง $\text{O}_2$ ของเลือดลดลง

    • ข้อควรระวัง: การจับ $\text{O}_2$ ตามปกติในสภาวะปกติ ไม่ได้เปลี่ยน $\text{Fe}^{2+}$ เป็น $\text{Fe}^{3+}$ แต่เป็นการจับแบบผันกลับโดยเหล็กยังคงอยู่ใน ferrous state

• กลไกการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโมเลกุลเมื่อจับออกซิเจน (Conformational Changes):

  1. ในสภาวะ Deoxyhemoglobin อะตอม $\text{Fe}^{2+}$ จะมีขนาดรัศมีอะตอมใหญ่เกินกว่าจะสงบนิ่งอยู่ในระนาบ จึงนูนออกนอกระนาบวงแหวน porphyrin เล็กน้อย

  2. เมื่อ $\text{O}_2$ เข้าจับที่ตำแหน่งที่ $6$ ของ $\text{Fe}^{2+}$ จะดึงอะตอมเหล็กให้เคลื่อนตัวเข้าไปอยู่ในระนาบเดียวกับ porphyrin ring

  3. การเคลื่อนที่ของ $\text{Fe}^{2+}$ จะดึง Proximal histidine (His F8) และสาย F-helix ให้ขยับตาม

  4. การขยับตัวของ F-helix ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างบริเวณรอยต่อระหว่าง subunits ($\alpha_1\beta_1$ และ $\alpha_2\beta_2$ interface)

  5. โครงสร้างของ tetramer ทั้งโมเลกุลหมุนและเปลี่ยนสภาวะจาก T-state ไปสู่ R-state ทำให้ subunits ที่เหลือจับ $\text{O}_2$ โมเลกุลถัดไปได้ง่ายยิ่งขึ้น

สภาวะ T-state, R-state และการจับแบบร่วมมือ (Cooperativity)

• T-state (Tense state):

  • มี affinity ต่อ $\text{O}_2$ ต่ำ

  • โครงสร้างยึดตรึงด้วย salt bridges และ ionic interactions ระหว่าง subunits

  • ช่องว่างตรงกลาง (Central cavity) กว้าง เหมาะแก่การจับกับ $\text{2,3-BPG}$

  • ทำหน้าที่เอื้อต่อการปลดปล่อย $\text{O}_2$ เข้าสู่เนื้อเยื่อ

• R-state (Relaxed state):

  • มี affinity ต่อ $\text{O}_2$ สูง

  • พันธะ ionic interactions บางส่วนถูกทำลาย โครงสร้างผ่อนคลายขึ้น

  • ช่องว่างตรงกลางแคบลง ส่งผลให้ $\text{2,3-BPG}$ หลุดออกจากโมเลกุล

  • ทำหน้าที่เอื้อต่อการรับ $\text{O}_2$ ที่ถุงลมปอด

• Positive Cooperativity:

  • $\text{O}_2$ จัดเป็น Positive homotropic allosteric effector ของฮีโมโกลบิน

  • การจับของ $\text{O}_2$ โมเลกุลแรกที่ subunit หนึ่ง จะเพิ่ม affinity ของตำแหน่งจับใน subunit ถัดๆ ไป ($K_1 < K_2 < K_3 < K_4$

  • ความสำคัญทางสรีรวิทยา: เนื่องจากเลือดไหลผ่านหลอดเลือดฝอยที่ปอดในเวลาสั้นมาก (ประมาณ $0.75\,\text{วินาที}$) Positive cooperativity ช่วยให้ฮีโมโกลบินสามารถจับ $\text{O}_2$ จนอิ่มตัวได้อย่างรวดเร็ว

เส้นโค้งการจับออกซิเจน และการเลื่อนของเส้นโค้ง (Oxygen Dissociation Curves & Curve Shifts)

• เปรียบเทียบกราฟ Sigmoidal vs Hyperbolic:

  • Myoglobin (Hyperbolic curve): มีเพียง $1$ subunit และ $1$ binding site จึงไม่มีปฏิกิริยาระหว่าง subunits กราฟเป็นรูปไฮเพอร์โบลา ค่า $\text{P}_{50} \approx 2\,\text{mmHg}$ จับ $\text{O}_2$ ได้แน่นมากแม้ที่ความดันต่ำ เหมาะแก่การเก็บสำรอง $\text{O}_2$ ในเซลล์กล้ามเนื้อ

  • Hemoglobin (Sigmoidal curve): มี $4$ subunits เกิด positive cooperativity กราฟเป็นรูปตัว S ค่า $\text{P}_{50} \approx 26\text{--}27\,\text{mmHg}$

• ความสำคัญทางสรีรวิทยาของ Sigmoidal Curve:

  • ช่วง Plateau (ความดันสูง $\text{PO}_2 \approx 100\,\text{mmHg}$ ที่ปอด): แม้ความดัน $\text{O}_2$ ในบรรยากาศหรือปอดจะลดลงเล็กน้อย ฮีโมโกลบินก็ยังสามารถจับ $\text{O}_2$ ได้เกือบเต็ม $100\%$

  • ช่วง Steep portion (ความดันต่ำ $\text{PO}_2 \approx 20\text{--}40\,\text{mmHg}$ ที่เนื้อเยื่อ): การเปลี่ยนแปลงความดัน $\text{PO}_2$ เพียงเล็กน้อย จะทำให้ฮีโมโกลบินปลดปล่อย $\text{O}_2$ ออกมาในปริมาณมหาศาล ทำให้ Hb เป็นระบบขนส่งที่มีประสิทธิภาพสูงทั้งในการรับและส่งออกซิเจน

• หลักการเลื่อนของเส้นโค้ง (Curve Shift Principles):

  • การเลื่อนไปทางขวา (Right Shift):

    • ค่า $\text{P}_{50}$ เพิ่มขึ้น

    • Affinity ต่อ $\text{O}_2$ ลดลง

    • ที่ความดัน $\text{PO}_2$ เท่าเดิม ปริมาณอิ่มตัว saturation จะลดลง

    • ผลลัพธ์: ฮีโมโกลบินปลดปล่อย $\text{O}_2$ ให้เนื้อเยื่อได้ง่ายขึ้น

    • สูตรจำ: Right = Release (เลื่อนขวา = ปล่อย $\text{O}_2$

  • การเลื่อนไปทางซ้าย (Left Shift):

    • ค่า $\text{P}_{50}$ ลดลง

    • Affinity ต่อ $\text{O}_2$ สูงขึ้น

    • ฮีโมโกลบินจับ $\text{O}_2$ แน่นขึ้น ปลดปล่อยให้เนื้อเยื่อยากขึ้น

    • สูตรจำ: Left = Love $\text{O}_2$ (เลื่อนซ้าย = จับแน่น)

ผลของ Bohr, 2,3-BPG, การขนส่ง $CO_2$ และพิษจากคาร์บอนมอนอกไซด์

• ปรากฏการณ์ Bohr Effect:

  • คำนิยาม: การที่ภาวะความเป็นกรด (pH ลดลง / $H^+$ เพิ่มขึ้น) หรือความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์ ($\text{PCO}_2$) เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เส้นโค้ง Oxygen–Hemoglobin Dissociation Curve เลื่อนไปทางขวา ลด affinity ของ Hb ต่อ $\text{O}_2$ ทำให้ Hb ปลดปล่อย $\text{O}_2$ แก่เนื้อเยื่อมากขึ้น

  • กลไกระดับโมเลกุล:

    • $H^+$ ไม่ได้จับที่เหล็กของ heme แต่จับกับกรดอะมิโนที่มีหมู่แตกตัวได้บน globin (โดยเฉพาะ Histidine residues)

    • การทำ protonation ช่วยสร้างและคงสภาพ ionic interactions / salt bridges ที่พยุงโครงสร้าง T-state ให้เสถียร

    • เนื้อเยื่อที่มีเมแทบอลิซึมสูงจะเร่งสลายสารอาหาร ได้กรดและ $\text{CO}_2$ ปฏิกิริยาผ่านเอนไซม์ Carbonic anhydrase เกิดขึ้นดังนี้:             $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$

    • $H^+$ ที่เกิดขึ้นจึงเข้าจับกับ Hb และส่งเสริมการปล่อย $\text{O}_2$ ตรงบริเวณที่มีความต้องการเมแทบอลิซึมมากที่สุดอย่างอัตโนมัติ

  • ระดับการปล่อย $\text{O}_2$ ที่สภาวะต่างๆ (ที่ $\text{PO}_2$ เนื้อเยื่อประมาณ $20\text{--}40\,\text{torr}$):

    • $\text{pH } 7.4$ ไม่มี $\text{CO}_2$: ปลดปล่อย $\text{O}_2$ ได้น้อยที่สุด

    • $\text{pH } 7.2$ ไม่มี $\text{CO}_2$: กราฟเลื่อนขวา ปลดปล่อย $\text{O}_2$ เพิ่มขึ้น

    • $\text{pH } 7.2$ ร่วมกับ $\text{PCO}_2 = 40\,\text{torr}$: กราฟเลื่อนขวามากที่สุด ปลดปล่อย $\text{O}_2$ ได้มากที่สุด

• 2,3-Bisphosphoglycerate (2,3-BPG):

  • กลไกการทำงาน: $\text{2,3-BPG}$ มีประจุลบสูงจากหมู่ฟอสเฟต จะเข้าไปจับกับกรดอะมิโนที่มีประจุบวกในช่องว่างตรงกลาง (Donut hole) ระหว่างสาย $\beta$ ของ Deoxyhemoglobin ทำให้ T-state มีความเสถียรยิ่งขึ้น กราฟเลื่อนไปทางขวา ค่า $\text{P}_{50}$ เพิ่มขึ้น affinity ต่อ $\text{O}_2$ ลดลง

  • แหล่งกำเนิดและการปรับตัว: $\text{2,3-BPG}$ สังเคราะห์มาจากสารกลางในกระบวนการ Glycolysis (เปลี่ยนมาจาก $1,3\text{-BPG}$ ผ่าน Rapoport–Luebering shunt) โดยเกิดขึ้นในเม็ดเลือดแดงเป็นหลัก ไม่ได้เกิดจากเซลล์กล้ามเนื้อโดยตรง การเพิ่มขึ้นของ $\text{2,3-BPG}$ ในเม็ดเลือดแดงเป็นการปรับตัวระดับระบบ (Systemic adaptation) ต่อภาวะเนื้อเยื่อขาดออกซิเจนเรื้อรัง (Chronic hypoxia) เช่น การอาศัยบนที่สูง, ภาวะโลหิตจาง หรือการสูบบุหรี่เรื้อรัง

• ผลของการสูบบุหรี่ต่อฮีโมโกลบิน:

  • ควันบุหรี่มีแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ ($\text{CO}$) ซึ่งจับกับ heme เกิดเป็น Carboxyhemoglobin ($\text{COHb}$)

  • $\text{CO}$ แย่งตำแหน่งจับของ $\text{O}_2$ ส่งผลให้ความสามารถในการขนส่งออกซิเจน (Oxygen-carrying capacity) ของเลือดลดลง

  • ตำแหน่ง heme ที่เหลือซึ่งยังจับ $\text{O}_2$ อยู่จะถูกดึงให้อยู่ในสภาวะ R-like state ทำให้จับ $\text{O}_2$ แน่นขึ้น กราฟเลื่อนไปทางซ้าย ปลดปล่อย $\text{O}_2$ ให้เนื้อเยื่อได้ยากขึ้น เกิดภาวะเนื้อเยื่อขาดออกซิเจน

  • ร่างกายผู้สูบบุหรี่จึงตอบสนองด้วยการสร้าง $\text{2,3-BPG}$ ในเม็ดเลือดแดงเพิ่มขึ้น เพื่อช่วยดึงกราฟกลับมาทางขวาบางส่วน แต่ไม่สามารถทดแทนตำแหน่ง heme ที่ถูก $\text{CO}$ ยึดไปได้ทั้งหมด

• กลไกการขนส่งคาร์บอนไดออกไซด์ ($\text{CO}_2$ Transport):

  • $\text{CO}_2$ ที่สร้างจากเนื้อเยื่อถูกขนส่งผ่านกระแสเลือด $3$ รูปแบบหลัก:

    1. ละลายในพลาสมา (Dissolved $\text{CO}_2$): ประมาณ $5\text{--}10\%$

    2. จับกับโปรตีน globin เป็น Carbaminohemoglobin: ประมาณ $10\text{--}20\%$ โดย $\text{CO}_2$ จับกับหมู่ N-terminal amino groups ของสาย globin ไม่ได้จับที่เหล็กของ heme ดังปฏิกิริยา:             $Hb\text{--}NH_2 + CO_2 \rightleftharpoons Hb\text{--}NH\text{--}COO^- + H^+$             Deoxyhemoglobin จับ $\text{CO}_2$ และ $\text{H}^+$ ได้ดีกว่า Oxyhemoglobin

    3. เปลี่ยนเป็น Bicarbonate ($\text{HCO}_3^-$): เป็นรูปแบบหลัก ($\approx 70\text{--}80\%$             $CO_2 + H_2O \xrightarrow{\text{Carbonic Anhydrase}} H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$             $\text{HCO}_3^-$ จะถูกส่งอยู่นอกเม็ดเลือดแดงเข้าสู่พลาสมา โดยแลกเปลี่ยนกับการนำ $\text{Cl}^-$ เข้าสู่เม็ดเลือดแดง เรียกว่า Chloride shift

  • ปรากฏการณ์ Haldane Effect: เกิดขึ้นที่ปอด เมื่อ $\text{O}_2$ เข้าจับกับ Hb จะส่งผลให้ Hb ลดความสามารถในการจับกับ $\text{H}^+$ และ $\text{CO}_2$ ลง ทำให้ Hb ปลดปล่อย $\text{H}^+$ และ $\text{CO}_2$ ออกมา $\text{H}^+$ จะรวมกับ $\text{HCO}_3^-$ กลับเป็น $\text{CO}_2$ และแพร่เข้าสู่ถุงลมปอดเพื่อหายใจออก

• ปฏิกิริยาระหว่าง Carbon Monoxide ($\text{CO}$) กับ Heme:

  • $\text{CO}$ จับกับ $\text{Fe}^{2+}$ ของ heme ที่ตำแหน่งเดียวกับ $\text{O}_2$ แต่มีความชอบ (affinity) สูงกว่า $\text{O}_2$ มากกว่า $200$ เท่า

  • Distal histidine (His E7) ช่วยลด affinity ของ $\text{CO}$ ลงได้ระดับหนึ่ง โดยการบังคับให้พันธะ $\text{Fe--CO}$ ต้องเอียงตัว ( steric hindrance) ไม่สามารถตั้งฉากได้ตามสภาวะปกติ แต่ก็ยังไม่เพียงพอที่จะป้องกันพิษจาก $\text{CO}$ ได้ทั้งหมด

  • $\text{CO}$ และ $\text{O}_2$ จับที่ $\text{Fe}^{2+}$ ของ heme ส่วน $\text{CO}_2$ และ $\text{H}^+$ จับที่สาย globin

ฮีโมโกลบินของทารกในครรภ์ (Fetal Hemoglobin - HbF)

• การสับเปลี่ยนชนิดสายโกลบินตามพัฒนาการ (Developmental Globin Switching):

  • ร่างกายสังเคราะห์สาย globin ชนิดต่างๆ เปลี่ยนไปตามอายุครรภ์และหลังคลอด:

    • ระยะตัวอ่อนแรกเริ่ม (Embryonic period): สังเคราะห์สาย $\zeta$ (zeta) และ $\epsilon$ (epsilon)

    • ระยะทารกในครรภ์ (Fetal period): สังเคราะห์สาย $\alpha$ (alpha) และ $\gamma$ (gamma) ได้ฮีโมโกลบินหลักคือ Fetal Hemoglobin ($\text{HbF} = \alpha_2\gamma_2$)

    • ระยะหลังคลอด (Postnatal period): การสังเคราะห์สาย $\gamma$ ลดลงอย่างรวดเร็ว ขณะที่สาย $\beta$ (beta) เพิ่มสูงขึ้นจนถึงระดับผู้ใหญ่ที่อายุหลังคลอดประมาณ $24\,\text{สัปดาห์}$ ($6\,\text{เดือน}$) เกิดเป็น Adult Hemoglobin ($\text{HbA} = \alpha_2\beta_2$) ซึ่งเป็นชนิดหลักในผู้ใหญ่ นอกจากนี้ยังมี $\text{HbA}_2 = \alpha_2\delta_2$ ในปริมาณเล็กน้อย ($\approx 2\text{--}3\%$

• อันตรกิริยาระหว่าง HbF กับ 2,3-BPG:

  • สาย $\gamma$ ของ HbF มีการทดแทนกรดอะมิโนที่ตำแหน่งสำคัญคือ มี Serine ที่ตำแหน่ง $143$ (Ser143) แทนที่ Histidine (His143) ที่พบในสาย $\beta$ ของ HbA

  • การเปลี่ยนจาก Histidine (ประจุบวก) เป็น Serine (เป็นกลาง) ทำให้ประจุบวกในช่องว่างตรงกลางของ HbF ลดลง

  • $\text{2,3-BPG}$ จึงจับกับ HbF ได้อ่อนกว่า HbA มาก

  • ผลลัพธ์: HbF เอนเอียงให้อยู่ใน R-like state ได้ง่ายกว่า มี affinity ต่อ $\text{O}_2$ สูงกว่า HbA เส้นโค้งเลื่อนไปทางซ้าย ค่า $\text{P}_{50} \approx 19\,\text{mmHg}$ (ขณะที่ HbA $\text{P}_{50} \approx 27\,\text{mmHg}$)

• ความสำคัญทางสรีรวิทยาที่รก (Placenta):

  • ที่บริเวณรก เลือดของมารดาใช้น้ำเลือดที่มี HbA ซึ่งปล่อย $\text{O}_2$ ได้ง่ายกว่า ส่วนเลือดของทารกในครรภ์ใช้ HbF ซึ่งมี affinity ต่อ $\text{O}_2$ สูงกว่า

  • ทำให้ทารกสามารถดึงและรับ $\text{O}_2$ จากเลือดมารดาผ่านรกเข้าสู่ระบบหมุนเวียนเลือดของตนเองได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โรคโลหิตจางเม็ดเลือดแดงรูปเคี้ยว (Sickle Cell Anemia)

• สาเหตุระดับโมเลกุล (Molecular Basis):

  • เป็นโรคทางพันธุกรรมที่เกิดจากการกลายพันธุ์จุดเดียว (Point mutation) บนยีน $\beta\text{-globin}$ ($HBB$

  • ตำแหน่งการกลายพันธุ์: กรดอะมิโนลำดับที่ $6$ ของสาย $\beta\text{-chain}$

  • การเปลี่ยนแปลงกรดอะมิโน: Glutamate เปลี่ยนเป็น Valine ($\beta 6\,\text{Glu} \rightarrow \text{Val}$ หรือ $\text{E6V}$)

  • การเปลี่ยนแปลงเบสบนสาย DNA: $GAG \rightarrow GTG$

  • ฮีโมโกลบินที่ผิดปกติเรียกว่า HbS

• กลไกการเกิด Polymerization และ Sickling:

  1. Glutamate เดิมมีประจุลบและชอบน้ำ (Hydrophilic) เมื่อถูกแทนที่ด้วย Valine ซึ่งเป็นกรดอะมิโนที่ไม่มีประจุและไม่ชอบน้ำ (Hydrophobic) จะทำให้เกิดแผ่นไม่ชอบน้ำ (Hydrophobic patch) บนผิวของโมเลกุล HbS

  2. เมื่อระดับ $\text{PO}_2$ ต่ำลง HbS จะเปลี่ยนโครงสร้างเป็น Deoxy-HbS

  3. ตำแหน่ง Val6 บนโมเลกุล HbS หนึ่ง จะเข้าจับกับ hydrophobic pocket ของโมเลกุล HbS อีกโมเลกุลหนึ่ง

  4. โมเลกุล HbS จำนวนมากจะรวมตัวต่อกันเป็นเส้นใยพอลิเมอร์ยาวที่ไม่ละลายน้ำ (Insoluble polymer fibers)

  5. เส้นใยพอลิเมอร์ดันยืดเยื่อหุ้มเซลล์เม็ดเลือดแดง ทำให้เซลล์เสียรูปร่างจากทรงจานเว้ากลาง (Biconcave) กลายเป็น รูปเคี้ยว (Sickle shape) ที่แข็งและยืดหยุ่นน้อยลง

  6. ปัจจัยกระตุ้นให้เกิด sickling: ภาวะขาดออกซิเจน (Deoxygenation), ภาวะความเป็นกรด (Acidosis), ภาวะร่างกายขาดน้ำ (Dehydration) และการไหลเวียนเลือดที่ช้าลง

• ผลทางพยาธิสรีรวิทยา:

  • Vaso-occlusion: เซลล์รูปเคี้ยวที่มีความแข็งและเหนียว จะไปอุดกั้นหลอดเลือดฝอยขนาดเล็ก ทำให้เลือดและ $\text{O}_2$ ไปเลี้ยงเนื้อเยื่อไม่เพียงพอ เกิดภาวะเนื้อเยื่อขาดเลือด (Ischemia), วิกฤตการณ์เจ็บปวด (Pain crisis) และความเสียหายต่ออวัยวะ

  • Hemolysis: เม็ดเลือดแดงรูปเคี้ยวมีความยืดหยุ่นต่ำและแตกง่าย ถูกม้ามและระบบเรติคูโลเอนโดธีเลียลกำจัดออกจากกระแสเลือดอย่างรวดเร็ว (อายุเฉลี่ยลดลงจาก $120\,\text{วัน}$ เหลือเพียง $10\text{--}20\,\text{วัน}$) นำไปสู่ภาวะโลหิตจางจากการทำลายเม็ดเลือดแดงเรื้อรัง (Chronic hemolytic anemia) และตัวเหลืองตาเหลือง (Jaundice)

• พันธุศาสตร์ประชากรและความได้เปรียบของ Heterozygote (Heterozygote Advantage):

  • รูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรม: แบบ Autosomal Recessive

    • $\text{HbAA}$: ปกติ ไม่เป็นโรคและไม่เป็นพาหะ

    • $\text{HbAS}$: Sickle cell trait (พาหะ) ปกติไม่มีอาการรุนแรง

    • $\text{HbSS}$: Sickle cell anemia / disease (เป็นโรครุนแรง)

  • ความน่าจะเป็นจากการผสมพันธุ์ระหว่างพ่อแม่ที่เป็นพาหะ ($\text{HbAS} \times \text{HbAS}$):

    • $\text{HbAA}$: ร้อยละ $25$

    • $\text{HbAS}$: ร้อยละ $50$

    • $\text{HbSS}$: ร้อยละ $25$

  • Heterozygote Advantage ต่อไข้มาลาเรีย:

    • ผู้ที่มีพันธุกรรมแบบ $\text{HbAS}$ (Heterozygote) มีความสามารถในการทนทานและลดความรุนแรงจากการติดเชื้อไข้มาลาเรียชนิดรุนแรงที่เกิดจากเชื้อ Plasmodium falciparum

    • เนื่องจากเมื่อเชื้อมาลาเรียเข้าสู่เม็ดเลือดแดง จะดึง $\text{O}_2$ ไปใช้ ทำให้เกิด local deoxygenation กระตุ้นให้เซลล์เกิด sickling เล็กน้อยและถูกม้ามทำลายพร้อมกับเชื้อ หรือเชื้อไม่สามารถเจริญเติบโตได้ดี

    • การมีความได้เปรียบในการอยู่รอดจากไข้มาลาเรีย ทำให้แอลลีล $HbS$ ยังคงถูกรักษาไว้ในประชากรบริเวณที่มีโรคมาลาเรียเป็นโรคประจำถิ่น (เช่น ทวีปแอฟริกาเขตร้อน, เมดิเตอร์เรเนียน, ตะวันออกกลาง และอินเดีย) สภาวะสมดุลทางวิวัฒนาการนี้เรียกว่า Balanced polymorphism

ตารางสรุปและการเปรียบเทียบเชิงลึก

ตารางสรุปการเลื่อนของเส้นโค้ง Oxygen–Hemoglobin Dissociation Curve

ตารางเปรียบเทียบประเภทฮีโมโกลบินและโปรตีนจับออกซิเจน

สรุปข้อพิจารณาที่มักคลาดเคลื่อนและจุดเน้นในการสอบ

1. แหล่งสังเคราะห์ $\text{2,3-BPG}$: สังเคราะห์ในเม็ดเลือดแดงเป็นหลักผ่านทาง Rapoport–Luebering shunt ไม่ได้สังเคราะห์หลั่งออกมาจากเซลล์กล้ามเนื้อโดยตรง

2. การจับของ $\text{2,3-BPG}$: $\text{2,3-BPG}$ ทำหน้าที่จับยึดและช่วยทำให้โครงสร้าง T-state เสถียรขึ้น ไม่ได้เป็นการยึดตรึงล็อกถาวรจนไม่สามารถเปลี่ยนเป็น R-state ได้

3. ความสามารถในการจับ $\text{2,3-BPG}$ ของ HbF: HbF ยังคงสามารถจับ $\text{2,3-BPG}$ ได้ แต่จับได้อ่อนกว่า HbA มาก เนื่องจากไม่มี His143 ในสาย $\gamma$

4. ตำแหน่งการจับของสารต่างๆ บนฮีโมโกลบิน:

   • $\text{O}_2$ และ $\text{CO}$ จับที่ $\text{Fe}^{2+}$ ของ Heme

   • $\text{CO}_2$ จับที่ N-terminal amino groups ของสาย Globin (Carbaminohemoglobin)

   • $\text{H}^+$ จับที่ Side chains ของกรดอะมิโน บนสาย Globin (เช่น Histidine)

   • $\text{2,3-BPG}$ จับที่ ช่องว่างตรงกลาง (Central cavity) ระหว่างสาย $\beta$

5. ข้อแตกต่างระหว่าง Affinity และ Oxygen-carrying capacity:

   • Affinity คือความชอบในการจับ (พิจารณาจาก $\text{P}_{50}$

   • Oxygen-carrying capacity คือปริมาณ $\text{O}_2$ สูงสุดที่เลือดสามารถอุ้มไปได้ (ขึ้นกับระดับความเข้มข้นของ Hb และจำนวนตำแหน่ง heme ที่ว่าง)

   • การได้รับพิษจาก $\text{CO}$ จะลด Oxygen-carrying capacity ลงเนื่องจาก $\text{CO}$ ยึดตำแหน่ง heme และยังไปเพิ่ม affinity ของตำแหน่งที่เหลือให้ปล่อย $\text{O}_2$ ยากขึ้น

ประโยคสรุปความจำระยะสั้น (High-Yield Memory Lines)

• $\text{Fe}^{2+}$ fits $\text{O}_2$; $\text{Fe}^{3+}$ fails. ($\text{Fe}^{2+}$ จับออกซิเจนได้ แต่ $\text{Fe}^{3+}$ จับไม่ได้)

• T = Tight structure, low $\text{O}_2$ affinity; R = Relaxed, Ready to bind $\text{O}_2$.

• Right = Release, $\text{P}_{50}$ rises. (เลื่อนขวา = ปล่อยออกซิเจนง่ายขึ้น, $\text{P}_{50}$ สูงขึ้น)

• Low pH, high $\text{CO}_2$, high BPG, high Temp $\rightarrow$ unload $\text{O}_2$ to tissue.

• HbF holds $\text{O}_2$ tighter because it binds BPG weaker.

• HbS: $\beta 6\,\text{Glu} \rightarrow \text{Val} \rightarrow$ hydrophobic patch $\rightarrow$ polymerization when deoxygenated.

• HbAS protects against severe malaria (Heterozygote advantage); HbSS causes sickle cell disease.