Hemoglobina i mioglobina

1. Profil

1.1. Budowa

Obie cząsteczki zbudowane są z części białkowej — globiny — oraz z grupy prostetycznej, czyli hemu: pierścienia porfirynowego z jonem żelaza na drugim stopniu utlenienia w środku. To żelazo wiąże cząsteczkę tlenu, przy czym wiązanie jest odwracalne i nie zmienia stopnia utlenienia metalu.

Różnica w liczbie podjednostek jest źródłem wszystkich pozostałych różnic. Cztery podjednostki mogą oddziaływać na siebie, przez co przyłączenie tlenu do jednej zmienia kształt pozostałych — mioglobina, mając jedną, takiej możliwości nie ma i jej powinowactwo pozostaje stałe niezależnie od warunków.

1.2. Odmiany hemoglobiny

Skład podjednostek zmienia się w rozwoju osobniczym, a każda odmiana ma inne właściwości.

• HbA (2α + 2β) — postać dominująca u dorosłego, około 97% całości
• HbA₂ (2α + 2δ) — kilka procent; jej wzrost jest wskaźnikiem beta-talasemii
• HbF (2α + 2γ) — hemoglobina płodowa o większym powinowactwie do tlenu, co pozwala pobierać go od matki przez łożysko; zanika w pierwszych miesiącach życia
• HbA1c — postać powstająca przez nieenzymatyczne przyłączenie glukozy; jej odsetek odzwierciedla średnią glikemię z ostatnich 2–3 miesięcy i stanowi podstawowe badanie w cukrzycy

Ostatnia pozycja bywa źródłem nieporozumień. HbA1c nie jest osobnym rodzajem hemoglobiny, lecz zwykłą hemoglobiną zmodyfikowaną przez glukozę — a jej odsetek zależy nie tylko od glikemii, ale i od czasu życia krwinki. Przy niedokrwistości hemolitycznej wynik bywa fałszywie niski, a przy niedoborze żelaza — fałszywie wysoki.

1.3. Rys historyczny

Mioglobina i hemoglobina zajmują w historii biologii miejsce szczególne: były pierwszymi białkami, których budowę przestrzenną poznano. John Kendrew opisał strukturę mioglobiny w 1958 roku, a Max Perutz — hemoglobiny w 1959; obaj otrzymali za to Nagrodę Nobla w 1962 roku.

Znaczenie wykracza poza same cząsteczki. Perutz wykazał, że wiązanie tlenu wiąże się z przesunięciem podjednostek względem siebie, co stało się pierwszym opisanym przykładem allosterii — zjawiska, na którym opiera się regulacja większości enzymów. Hemoglobina jest z tego powodu do dziś podręcznikowym modelem białka regulowanego zmianą konformacji.

Anemia sierpowatokrwinkowa dostarczyła z kolei pierwszego dowodu, że choroba może wynikać ze zmiany jednego aminokwasu. Opis ten, przedstawiony przez Linusa Paulinga w 1949 roku jako „choroba molekularna”, poprzedził poznanie kodu genetycznego.

2. Mechanizmy

2.1. Kooperatywność i krzywa dysocjacji

Zależność wysycenia hemoglobiny tlenem od jego ciśnienia parcjalnego ma kształt litery S, a nie prostej ani hiperboli. Wynika to z kooperatywności: przyłączenie pierwszej cząsteczki tlenu przesuwa podjednostki i zwiększa powinowactwo pozostałych, przez co dalsze wiązanie przebiega łatwiej.

Znaczenie tego kształtu widać dopiero przy porównaniu warunków w płucach i w tkankach. Przy ciśnieniu panującym w pęcherzykach płucnych hemoglobina wysyca się niemal całkowicie; przy ciśnieniu tkankowym krzywa opada stromo, więc niewielki spadek ciśnienia uwalnia dużą ilość tlenu. Białko o stałym powinowactwie musiałoby wybrać: albo wiązać mocno i nie oddawać, albo oddawać łatwo i nie wysycać się w płucach.

Praktyczną konsekwencją jest kształt zależności między wysyceniem a stanem chorego. Spadek saturacji z 99% do 94% oznacza niewielką zmianę ciśnienia tlenu, ale spadek z 90% do 85% — już znaczną, ponieważ znajduje się na stromym odcinku krzywej. Ta sama różnica pięciu punktów procentowych ma więc odmienne znaczenie kliniczne zależnie od punktu wyjścia.

2.2. Czynniki przesuwające krzywą

Powinowactwo hemoglobiny nie jest stałe — zmienia się w zależności od warunków miejscowych, i to właśnie czyni transport samoregulującym się.

Trzy pierwsze wiersze opisują jedno zjawisko widziane z różnych stron: tkanka, która pracuje intensywniej, sama zwiększa ilość dostarczanego jej tlenu, ponieważ wytwarza więcej dwutlenku węgla, kwasu mlekowego i ciepła. Jest to regulacja miejscowa, niewymagająca żadnego sygnału ogólnoustrojowego.

Wiersz dotyczący tlenku węgla wyjaśnia, dlaczego zatrucie nim jest tak groźne. Gaz ten nie tylko zajmuje miejsce wiązania z powinowactwem kilkusetkrotnie większym niż tlen, lecz dodatkowo przesuwa krzywą w lewo dla pozostałych podjednostek, utrudniając oddanie tego tlenu, który jeszcze się związał.

2.3. Mioglobina — magazyn i przekaźnik dyfuzji

Mioglobina wiąże tlen mocniej niż hemoglobina i utrzymuje go aż do bardzo niskich ciśnień. Dzięki tej różnicy powstaje gradient kierunkowy: tlen przechodzi z krwi do komórki mięśniowej, a nie odwrotnie.

Funkcje mioglobiny są trzy. Po pierwsze, stanowi zapas doraźny, wystarczający na kilka do kilkunastu sekund pracy — istotny w pierwszej fazie wysiłku, zanim wzrośnie przepływ krwi. Po drugie, ułatwia dyfuzję tlenu wewnątrz komórki, przenosząc go w stronę mitochondriów. Po trzecie, uczestniczy w usuwaniu tlenku azotu, wpływając na miejscową regulację naczyniową.

Zawartość mioglobiny różni się między typami włókien i między gatunkami — jest ona przyczyną czerwonej barwy mięśni wytrzymałościowych oraz różnicy między białym a ciemnym mięsem. U ssaków nurkujących stężenie mioglobiny w mięśniach jest wielokrotnie wyższe niż u człowieka, co wydłuża czas nurkowania niezależnie od pojemności płuc.

2.4. Transport dwutlenku węgla i funkcja buforowa

Hemoglobina uczestniczy również w transporcie powrotnym. Dwutlenek węgla jest przenoszony trzema drogami: w postaci wodorowęglanów (około 70%), związany z grupami aminowymi globiny jako karbaminiany (około 20–25%) oraz rozpuszczony w osoczu.

Przemiana do wodorowęglanu zachodzi w krwince pod wpływem anhydrazy węglanowej, a powstające jony wodorowe są wiązane przez hemoglobinę. Białko to jest zatem jednym z głównych buforów krwi, a jego zdolność buforowa rośnie po oddaniu tlenu — czyli dokładnie tam, gdzie powstaje najwięcej kwaśnych produktów przemiany materii.

Sprzężenie obu funkcji nosi nazwę efektu Haldane’a i zamyka logiczny obraz: oddanie tlenu w tkance zwiększa zdolność wiązania dwutlenku węgla, a wychwyt tlenu w płucach ją zmniejsza, ułatwiając wydalenie CO₂. Ta sama cząsteczka obsługuje więc obie strony wymiany gazowej, a jej właściwości zmieniają się w rytmie krążenia.

2.5. Regulacja wytwarzania

Za wytwarzanie erytrocytów odpowiada erytropoetyna — hormon wydzielany przez komórki śródmiąższowe nerki w odpowiedzi na niedotlenienie, przez mechanizm zależny od czynnika HIF. Stąd bierze się niedokrwistość w przewlekłej chorobie nerek: nerka traci zdolność wytwarzania hormonu, mimo że szpik pozostaje sprawny.

Drugim ograniczeniem jest dostępność żelaza, sterowana przez hepcydynę wytwarzaną w wątrobie. Hormon ten hamuje wchłanianie żelaza z jelita i jego uwalnianie z magazynów, a jego wydzielanie rośnie pod wpływem cytokin prozapalnych, przede wszystkim interleukiny 6.

Mechanizm ten tłumaczy zjawisko o dużym znaczeniu praktycznym — niedokrwistość chorób przewlekłych. W przewlekłym stanie zapalnym, w tym w otyłości z towarzyszącym zapaleniem tkanki tłuszczowej [3], żelazo jest obecne w organizmie, ale zablokowane w magazynach. Podawanie żelaza doustnie jest wtedy nieskuteczne, a rozwiązaniem jest leczenie choroby podstawowej.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Niedokrwistość — jak ją różnicować

Niedokrwistość jest objawem, nie rozpoznaniem. Punktem wyjścia różnicowania jest średnia objętość krwinki (MCV), która dzieli przyczyny na trzy grupy.

Dwie pułapki interpretacyjne warto podać wprost. Po pierwsze, ferrytyna jest białkiem ostrej fazy: w stanie zapalnym rośnie i może maskować niedobór żelaza, dlatego oznacza się ją razem z CRP. Po drugie, przy jednoczesnym niedoborze żelaza i witaminy B12 objętość krwinki bywa prawidłowa, ponieważ przeciwstawne zmiany się znoszą.

Najważniejsza zasada dotyczy jednak postępowania, nie diagnostyki laboratoryjnej. Niedokrwistość z niedoboru żelaza u dorosłego mężczyzny i u kobiety po menopauzie wymaga wykluczenia krwawienia z przewodu pokarmowego — podanie żelaza bez ustalenia przyczyny opóźnia rozpoznanie nowotworu jelita grubego.

3.2. Hemoglobinopatie i zaburzenia wiązania

Niedokrwistość sierpowatokrwinkowa wynika z zamiany jednego aminokwasu w łańcuchu β, przez co odtlenowana hemoglobina polimeryzuje i odkształca krwinkę. Skutkiem są zatory w drobnych naczyniach, bolesne przełomy i uszkodzenie narządów. Nosicielstwo jednej kopii wariantu chroni częściowo przed malarią — przykład, który stał się modelowym opisem doboru równoważącego.

Talasemie polegają na zmniejszonym wytwarzaniu jednego z łańcuchów globiny. Postacie łagodne bywają mylone z niedoborem żelaza, ponieważ dają mikrocytozę; różnicuje je prawidłowa lub podwyższona ferrytyna oraz rozdział hemoglobin. Podawanie żelaza w talasemii jest szkodliwe, bo prowadzi do jego przeładowania.

Odrębną grupę stanowią zaburzenia samego wiązania tlenu. W methemoglobinemii żelazo hemu ulega utlenieniu do postaci trójwartościowej, która tlenu nie wiąże; przyczyną bywają leki i azotany, a objawem sinica nieustępująca po podaniu tlenu. W zatruciu tlenkiem węgla pulsoksymetr pokazuje wynik prawidłowy mimo ciężkiego niedotlenienia, ponieważ nie odróżnia karboksyhemoglobiny od oksyhemoglobiny — jest to jedna z ważniejszych pułapek w medycynie ratunkowej.

3.3. Rabdomioliza — mioglobina jako czynnik uszkadzający

Rozpad włókien mięśniowych uwalnia do krwi mioglobinę, kinazę kreatynową, potas i fosforany. Mioglobina przefiltrowana w kłębuszku uszkadza cewki nerkowe trzema drogami: przez stres oksydacyjny związany z żelazem hemowym, przez wytrącanie się wałeczków zatykających światło cewki oraz przez skurcz naczyń nerkowych [2].

Ostre uszkodzenie nerek występuje u 10–50% chorych z ciężką rabdomiolizą, a podstawą postępowania jest wczesne i obfite nawodnienie, zapobiegające wytrącaniu mioglobiny; w postaciach najcięższych stosuje się leczenie nerkozastępcze, a nowsze metody obejmują usuwanie mioglobiny na sorbentach [2].

Przyczyny obejmują uraz i zespół zmiażdżenia, długotrwałe unieruchomienie, drgawki, skrajny wysiłek u osoby nieprzygotowanej, hipertermię złośliwą, leki — w tym statyny — oraz miopatie metaboliczne. Objawem, który powinien budzić czujność, jest ciemne zabarwienie moczu po intensywnym wysiłku, zwłaszcza z bólem i osłabieniem mięśni.

3.4. Jak zbadać

Reguła praktyczna: wynik hemoglobiny mówi o istnieniu niedokrwistości, a nie o jej przyczynie. Bez MCV, ferrytyny z CRP i retikulocytów leczenie jest zgadywaniem.

3.5. Modyfikacja behawioralna i dietetyczna

• Żelazo hemowe z mięsa wchłania się kilkakrotnie lepiej niż niehemowe z roślin; u osób na diecie roślinnej zapotrzebowanie jest odpowiednio wyższe
• Witamina C zwiększa wchłanianie żelaza niehemowego, redukując je do postaci dwuwartościowej — najprostszą interwencją jest połączenie źródła żelaza z warzywami lub owocami
• Herbata, kawa i produkty bogate w wapń hamują wchłanianie żelaza — rozdzielenie ich w czasie od posiłku bogatego w żelazo ma znaczenie praktyczne
• Trening wytrzymałościowy i pobyt na wysokości zwiększają wytwarzanie erytropoetyny; efekt wysokościowy wymaga tygodni, nie dni
• Krwiodawstwo obniża zapasy żelaza — u osób oddających krew regularnie warto kontrolować ferrytynę
• Przy niedokrwistości z niedoboru żelaza ustalenie przyczyny poprzedza leczenie, a nie odwrotnie

3.6. Wsparcie suplementacyjne

Zastrzeżenie porządkujące. Żelazo jest jednym z niewielu składników, w których nadmiar jest równie szkodliwy jak niedobór: organizm nie ma mechanizmu jego czynnego wydalania, a wolne żelazo katalizuje powstawanie reaktywnych form tlenu [4] i uczestniczy w ferroptozie [5]. Suplementacja bez rozpoznanego niedoboru nie jest zatem obojętna.

Trzy uwagi praktyczne.

1. Suplementacja żelaza bez ustalonej przyczyny niedoboru jest błędem — u dorosłych wymaga wykluczenia krwawienia z przewodu pokarmowego.
2. W talasemii i w hemochromatozie podawanie żelaza jest przeciwwskazane, a mikrocytoza w talasemii bywa mylona z niedoborem.
3. W niedokrwistości chorób przewlekłych żelazo doustne jest nieskuteczne, ponieważ hepcydyna blokuje jego wchłanianie [3]; postępowaniem właściwym jest leczenie choroby podstawowej.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Punktem wyjścia jest morfologia z MCV i liczbą retikulocytów, a nie sam wynik hemoglobiny. Przy mikrocytozie oznacza się ferrytynę łącznie z CRP, ponieważ w stanie zapalnym ferrytyna rośnie i może maskować niedobór; uzupełnieniem bywa wysycenie transferyny. Przy makrocytozie ocenia się witaminę B12, kwas foliowy i TSH. Podejrzenie hemoglobinopatii wymaga rozdziału hemoglobin, a podejrzenie rabdomiolizy — oznaczenia kinazy kreatynowej, mioglobiny i potasu. Przy podejrzeniu zatrucia tlenkiem węgla konieczna jest CO-oksymetria, ponieważ pulsoksymetr daje wynik fałszywie prawidłowy.

Na co uważać

• Wynik hemoglobiny nie wskazuje przyczyny niedokrwistości — rozstrzygają MCV, ferrytyna z CRP i retikulocyty.
• Niedokrwistość z niedoboru żelaza u dorosłego wymaga wykluczenia krwawienia z przewodu pokarmowego.
• Ferrytyna jest białkiem ostrej fazy i w zapaleniu może maskować niedobór żelaza.
• Podawanie żelaza w talasemii i hemochromatozie jest przeciwwskazane.
• Pulsoksymetr nie wykrywa zatrucia tlenkiem węgla.
• HbA1c bywa zafałszowana przy hemolizie i przy niedoborze żelaza.
• Kwas foliowy podany bez oznaczenia witaminy B12 maskuje jej niedobór, a objawy neurologiczne postępują.
• Ciemny mocz po intensywnym wysiłku, z bólem i osłabieniem mięśni, wymaga pilnej oceny w kierunku rabdomiolizy [2].