화학식: C3032H4816O872N780S8Fe4[1]
Hemoglobin/haemoglobin(영국식)
1. 개요
무척추 동물의 경우에서 개불이나 피조개 같은 드문 경우도 있지만, 대부분은 어류에서 포유 동물에 이르는 척추동물의 적혈구 속에 다량으로 들어 있는, 철분이 포함된 단백질이다. 일반적으로 혈액 1 μL에 4~500만개의 적혈구가 있고 한 개의 적혈구 안에 2억 8천만개 정도의 헤모글로빈이 들어있다.[2]2. 상세
골수의 적아 세포(赤芽 細胞)에서 합성되며 간과 비장에서 분해된다. 적혈구가 죽으면 헤모글로빈도 역시 파괴되는데 이때 포르피린고리가 쓸개즙 색소(빌리루빈)로 배출된다. 수명은 약 120일 정도이며 분자량은 약 64,500이다. 헤모글로빈의 양을 기준으로 빈혈을 진단한다. 헤모글로빈이 부족하다면 철분보충제나 혹은 철분이 많이 든 음식을 많이 섭취하는게 좋다. 그렇지만 웬만하면 정상적인 식생활로 보충이 가능하며[3] 과다한 철 섭취는 철 중독을 일으킬 수 있다.[4]포르피린 고리에 철이 킬레이팅된 헴(heme)이라는 분자를 잡고 있는 글로빈[5] 단백질 4개가 모여 하나의 헤모글로빈이 이루어지는데 철 원자 1개에 대해 한 분자씩의 산소가 결합하므로, 헤모글로빈 하나에는 산소 4분자가 결합한다.[6] 이 철 원자로 인해 피가 붉은색을 띈다. 이 포르피린 고리는 식물의 광합성을 하는 엽록소에도 있는 것과 같은 것이데 엽록소는 철 대신 마그네슘 원자가 들어 있다. 그래서 식물 특히 식물성 플랑크톤의 성장에도 철이 미량원소로 필요하다.
한편 헤모글로빈의 단백질 구조에 이상이 생기면 겸상 적혈구 증후군이 일어나며 적혈구의 모양의 변화와 함께 산소운반능력이 약해진다. 자세한 것은 항목을 참조.
주 역할은 생체 내에서 산소를 운반하는 일을 한다. 산소가 풍부한 폐나 아가미에서는 산소와 결합하고, 산소가 희박한 조직에 이르면 산소를 떼어낸다. 보어 효과(Bohr effect)에 따라서 산소의 방출은 pH가 낮아질수록 촉진되므로, 이산화탄소가 많고 pH가 낮은 말초조직에서는 산소를 보다 쉽게 떼어낼 수 있다. 이산화탄소가 혈장 속에 탄산의 형태로 녹아 폐로 운반되어 폐호흡으로 체외에 방출되면 pH는 다시 원상태로 돌아가고 헤모글로빈은 다시 산소와 결합한다. 한편 일부 헤모글로빈은 이산화탄소와 직접 결합하여 운반하기도 한다.
흔히 우리가 피부와 가깝게 분포되어있는 정맥의 색깔이 파란색이라서 정맥혈은 파란색이라 생각하기도 하는데 단지 정맥혈에선 헤모글로빈이 산소와 덜 결합했기 때문에 암적색을 띄고 이게 피부 색깔의 영향을 받아 약간 푸르스름하게 보이는 것 뿐이다.[7] 반대로 헤모글로빈의 산소포화도가 높은 동맥혈은 선홍색을 띤다.
헤모글로빈이 일산화탄소(CO)와 결합하면 카복시헤모글로빈이 되어 산소 운반능력을 상실한다. 산소보다 헤모글로빈 친화력이 200배 이상 좋아서, 대기 중 이산화탄소 농도인 400ppm의 일산화탄소(대기중 농도는 0.1 ppm)에 계속 노출될 경우 생명이 위험하다.[8] 이 부분도 헤모글로빈(또는 미오글로빈)의 구조적 특이성이 작동하는 부분인데, 그냥 헴의 철은 일산화탄소 친화력이 산소 친화력보다 20000배 이상 좋다! 그러나 산소 또는 일산화탄소가 결합하는 헴-단백질 포켓에 존재하는 히스티딘(His64)이 산소의 결합 방향[9] 에서 헴과 산소의 결합을 강화하고 헴과 일산화탄소의 결합[10]을 저해해 그나마 친화력을 200배 정도로 떨어뜨린다.[11] 일산화탄소 친화력이 훨씬 좋기 때문에, 중독된 환자에게 즉시 신선한 공기를 공급하더라도 카복시헤모글로빈 반감기가 3~4시간이나 걸려서 조직의 산소부족은 계속된다. 따라서 초기에 발견한 것이 아닌 이상 대부분 사망하거나 후유증을 앓는다. 그래서 고안된 고압산소요법의 경우 반감기가 15~20분 정도로 단축되며, 무엇보다 3기압 산소의 경우 혈장에 6.6% 녹을 수 있어서 헤모글로빈 도움 없이도 조직에 산소를 공급할 수 있다.
전체 혈액속 헤모글로빈중 0.1~2% 정도는 헤모글로빈의 철 이온이 산화하여(Fe2+에서 Fe3+로 됨) 산소결합 능력을 잃어버려 가스교환이나 운반등의 아무런 작용을 하지 않는 부류가 존재하는데 이것을 메트헤모글로빈이라고 한다. 정상수치는 1~2%이고, 수치가 15% 이상 되면 메트헤모글로빈혈증으로 진단된다. 심한 메트헤모글로빈혈증 환자의 경우 피가 파란색으로 보이는 경우도 있다. 50% 이상이면 발작 또는 혼수상태에 빠지고, 70% 이상이면 사망한다. 허나 개똥도 약에 쓰인다고, 시안화수소 중독이나 청산가리 해독제 작용과정에서 아주 중요한 역할을 맡는다.[12] PK결핍증이나 G6PD결핍증처럼 유전적으로 적혈구의 해당 과정이나 글루타티온 환원에 문제가 있을 경우 메트헤모글로빈 비율이 증가한다. 메트헤모글로빈혈증 치료는 메틸렌 블루(methylene blue) 1% 용액을 1~2mg/kg 농도로 5분에 걸쳐 정맥주사하여 치료한다. 만약 1시간이 지나도 정상수치를 훨씬 상회할 경우 다시 메틸렌 블루 1% 용액을 같은 농도로 5분에 걸쳐 정맥주사한다. 선천적인 만성 저농도 메트헤모글로빈혈증 환자의 경우 매일 메틸렌 블루를 경구투여해서 치료한다.
후천적인 발생원인 중 대표적인 것으로는 벤조카인(Benzocaine) 성분이 들어있는 치통 진통제를 복용한 후 드물게 수 분에서 1~2시간 이내에 나타나는 경우가 있다. 이 때문에 벤조카인 성분이 들어가 있는 많은 약의 사용설명서에는 메트헤모글로빈혈증 경고문이 있다. 대표적인 사례#. 이 사례에서는 당시 메트헤모글로빈의 혈중농도 44%, 산소포화도 67%였다고 한다.
적혈구가 파괴되면 이 헤모글로빈이 혈액 상으로 유출되는데[13], 이 헤모글로빈이 간을 거쳐서 여러 과정을 거쳐 변하면 빌리루빈(Bilirubin)이 된다. 이 빌리루빈은 쓸개에서 나오는 담즙의 주요 구성성분이 되며, 또는 소장으로 재흡수되어 대장의 세균에 의해 우로빌리노겐(Urobilinogen)으로 변한다. 우로빌리노겐은 다시 우로빌린(Urobilin)으로 변해서 오줌을 통해 배출되거나 또는 똥과 같이 배출된다. 사실 똥의 주요 색깔은 이 성분 때문에 갈색으로 띠는거지 박테리아 자체로 이런 색을 내는게 아니다.
헌혈을 하기 전 손가락 끝에서 혈액을 살짝 채취하여 헤모글로빈과 철분 수치를 측정하는데, 이 때 기준치[14](전혈은 12.5, 혈장헌혈과 혈소판 헌혈은 12.0)보다 낮으면 헌혈할 수 없다.
심해에 사는 관벌레는 헤모글로빈을 단순히 산소 운반용 뿐만아니라 황물질 운반에도 사용한다. 여기서 결합한 황물질을 몸 내부에서 공생중인 황세균에게 전달해 황세균이 화학합성을 통해 만들어낸 당과 단백질을 먹는 공생을 한다.
3. 식물계
헤모글로빈은 동물계 뿐만 아니라 식물계에서도 존재하는 중요한 단백질이다. 특히 잘 알려진 콩과 식물의 뿌리혹박테리아와의 공생관계를 보여주는 레그헤모글로빈(leghemoglobins, Lb)이 전형적이다.[15]4. 산소
적혈구 속에 있는 헤모글로빈(Hb, hemoglobin)을 철(Fe)을 함유하는 빨간 색소인 헴(heme-)과 단백질인 글로빈(-globin)의 화합물로 정의해 본다면 이는 산소(O2)를 일정 생리조건 하에서 산소와 쉽게 결합하거나 산소를 떨구어내는 기능을 할 수 있다. 따라서 주로 척추동물의 호흡에서 산소 운반에 중요한 역할을 담당한다.4.1. 철
그러나 생체 내에서 Hb(헤모글로빈, -Fe2+)의 전구체는 보통 메트헤모글로빈(methemoglobin, -Fe3+)으로 이는 불안정한 3가(-Fe3+) 철이며 사이토크롬 b5 환원효소(cytochrome b5 reductase)에 의해서 안정된 2가 철(-Fe2+)로 환원된 상태로 변형되어 헤모글로빈이 형성된다. 이러한 대사과정에서 일정량의 잔량은 정상 혈액에서도 확인할 수 있다. 그러나 손상 및 특정 산화물 같은 독물에 의해서 헤모글로빈이 메트헤모글로빈(metHb)으로 다량이 (재)역전환한다면 이것은 가역적인 산소 운반체 기능을 저해하는 불안정한 상태를 유도한다. 따라서 아질산염(NO2-)같은 [math(\mathrm{O^{-}_{2} })]에 강한 결합력을 갖는 다량(약 30% 이상)의 메트헤모글로빈(metHb)이 혈액중에 전환된다거나 또는 안정된 Hb일지라도 산소보다 결합력이 상대적으로 강한 CO(일산화 탄소)나 NO(일산화 질소)에 노출된다면 생명체는 생리기능저하, 혼수상태 또는 사망에 이르게 될 수 있다.4.2. 질소와 탄소
헤모글로빈(Hb)의 반응 강도[math(\mathrm{ Hb + NO})](니트로소 헤모글로빈) > [math(\mathrm{ Hb + CO})](카복시헤모글로빈) > [math(\mathrm{ Hb + O_2})](옥시 헤모글로빈)
CO(일산화 탄소)가 O2(산소)보다 결합력이 수백 배 강하고 다시 NO(일산화질소)가 CO(일산화탄소)보다 결합력이 수백 배 강하다고 연구결과가 보고되고 있다.
5. 이산화탄소
2,3-비스포스포글리세르산(2,3-BPG 또는 2,3-DPG)은 산소-이산화탄소 교환율(O2-CO2 exchange ratio)의 맥락(context)에서 적혈구(RBC)의 헤모글로빈(Hb)이 산소 전달율을 조절하는데 관여하는것처럼 이와 동등하게 산소의 수송능력에서와 마찬가지로 이산화탄소에서도 이와같은 수송능력을 RBC의 Hb가 유지하도록 하는 주요한 메커니즘중 하나라는 점이다.[16] 이러한 메커니즘은 체온의 조절과 신체의 pH를 조절하는 항상성에 매우 중요하다는 점에서 이산화탄소(CO2)의 중요성을 확인해볼수있다.6. 관련 문서
[1] 원자 수만 9512개다. 위의 헤모글로빈은 Adult형이다. 태아에게서 발견되는 헤모글로빈인 HbF(Fetus)는 폴리펩티드 구성이 α2γ2가 된다.[2] 일반인 성인의 경우 5~6 L의 혈액을 가지고있으니 이 안에 포함된 헤모글로빈 분자 수는 대략 6~9천경 개 정도인데, 이는 분자량을 고려했을 때 6.4 g~9.6 g 에 해당된다.[3] 위의 화학식에서도 나오지만 철 헤모글로빈 하나당 철 원자 4개만 있으면 된다. 그러나 그 4개가 없다면 헤모글로빈을 만들 수가 없어서 빈혈에 걸리게 된다.[4] 흔히 철분이 함유되었다고 알려진 시금치는 사실 철분이 그렇게 많이 든 음식이 아니다. 철분을 섭취하고 싶다면 선지국이나 순대를 먹는 것이 좋으며 이는 호불호가 갈리는 음식이여서 먹기 꺼려지면 그냥 보충제를 먹어도 된다.[5] α-글로빈과 β-글로빈이 있는데, α-글로빈 2개와 β-글로빈 2개가 헤모글로빈을 이룬다. 태아는 모체로부터 산소를 쉽게 공급받기 위하여 β-글로빈 대신 그보다 산소 친화력이 더 높은 γ-글로빈으로 헤모글로빈을 구성한다.[6] 상기된 헤모글로빈의 개수에다 적혈구의 개수까지 곱해 보자. 지금 이 순간 여러분의 신체에서 소비하고 있는 산소 분자의 양을 감을 잡을 수 있을 것이다.[7] 사람 피부는 피부 표면과 앝은 곳의 모세혈관, 멜라닌 색소 때문에 핑크빛에서 검정에 가까운 진한 갈색까지 여러 가지로 보이지만, 자체는 살짝 푸르스름하다. 피부 색이 밝은 사람이 수염 깎은 자리가 푸르게 보이는 것은 아직 피부 안에 있는 검은 수염이 피부를 거쳐 비쳐 보이기 때문이다.[8] 정상적인 혈액에서 카복시헤모글로빈의 비율은 약 0.5%이며 흡연자의 경우 몇 배 더 높다. 400ppm에서 1시간 있으면 10%에 도달하며, 이 비율이 목숨에 영향이 없는 마지노선이다.[9] 산소 분자는 이중결합을 하므로, sp2 오비탈을 갖고, 이때문에 철-헴 분자와 130도 정도의 삐딱한 각도로 결합한다.[10] 일산화탄소는 삼중결합을 하므로, sp 오비탈을 갖고 철-헴 분자와 180도 각도로 결합한다.[11] 이게 왜 중요하냐 하면, 이 기작이 없었다고 가정할 경우 공기 중에 존재하는 일산화탄소 농도만으로도 바로 일산화탄소 중독이 가능해진다. 정상적인 카복시 헤모글로빈 비율 0.5%가 50%가 될 수 있다는 이야기.[12] 아질산염, 시안화중독 치료시 헤모글로빈을 강제로 메트헤모글로빈으로 전환시켜 시안화물의 결합과 시아노메트헤모글로빈의 형성을 유도하는데 이 시안화물 부가 형성의 직접적인 목표는 사이토크롬에 자유 시안화물의 결합을 방지하는 것.[13] 이 상태의 헤모글로빈 조각을 하인츠 소체(Heinz body)라고 한다.[14] 혈색소 수치 남자:12.0~15.5g/dL, 여자:13.5~17.5g/dL[15] NIH(PubMed) Symbiotic leghemoglobins are crucial for nitrogen fixation in legume root nodules but not for general plant growth and development, Thomas Ott , Joost T van Dongen, Catrin Günther, Lene Krusell, Guilhem Desbrosses, Helene Vigeolas, Vivien Bock, Tomasz Czechowski, Peter Geigenberger, Michael K Udvardi ,PMID: 15797021 DOI: 10.1016/j.cub.2005.01.042 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15797021/[16] Investigation of the hereditary haemolytic anaemias: membrane and enzyme abnormalities ,David Roper, Mark Layton, in Dacie and Lewis Practical Haematology (Tenth Edition), 2006 #