המוגלובין מסונתז דרך סדרה של מסלולים מורכבים. מולקולת ההם בחלקה מסונתזת במיטוכונדריה ובציטוזול של תא אדום לא בוגר, בעוד שחלבון הגלובין מסונתז על ידי הריבוזומים החופשיים בציטוזול. הבניה של החלבון השלם בתא ממשיכה דרך מסלולים במח העצמות שעובר התא עצמו. בשלבים הללו יש עיבוד בגרעין התא בתאי דם אדומים של יונקים, אך לא במינים רבים של עופות לדוגמה. העיבוד וההרכבה של החלבון ממשיכים גם לאחר איבוד הגרעין.
כאשר התאים האדומים מגיעים לסוף חייהם כפונקציה של זמן מחצית חיים או עקב פקטור שגורם לתפקוד לקוי, מתפרק ההמוגלובין ומתחיל תהליך מיחזור שבו מפורקת טבעת ההם: הברזל מוסע על ידי חלבונים המכונים טרנספרינים (Transferrins) בחזרה למח העצמות, שם נעשה בו שימוש חוזר ליצירת התאים האדומים. שארית קבוצות ההם, משמשת כבסיס ליצירת בילירובין המופרש לכיס המרה, מגיע למעיים ונותן לצואה את צבעה.
תפקיד במערכת הובלת הגזים.
ההמוגלובין קושר ומשחרר חמצן בסביבות שונות כפונקציה של תנאים (חומציות, ריכוזים וכדומה). הדרישה לחמצן בשרירים וברקמות גבוהה ועל כן יש צורך שלאנזים תהיה יכולת שחרור גבוה ובמקביל יכולת קישור גבוהה לפסולת הגזית של הנשימה התאית. בהגיעו שוב לריאות התנאים משתנים וכן גם העדיפות בקישור: שחרור פחמן דו-חמצני וקישור חמצן.
תפקידו העיקרי של ההמוגלובין הוא ביצירת קשרים רופפים בלתי יציבים והפיכים עם החמצן שנקשר בריאות ולהעבירו באמצעות זרם הדם אל כל תאי הגוף. מהתאים נושא ההמוגלובין בחזרה אל הריאות חלק מהפחמן הדו-חמצני (~15-20%) ואטומי מימן (אחראי לאיזון רמת החומציות ברקמות). החמצן נקשר אל אטום הברזל של קבוצות ההם בהמוגלובין בעוד הפחמן הדו-חמצני נקשר לקצה האמיני כיון קרבמיד ואטומי המימן יוצרים אינטראקציות באתרי קישור אחרים בחלבון.
קבוצות ההם מהוות רק ארבעה אחוזים מהמסה של מולקולת ההמוגלובין. למרות זאת, החלבון הגדול שמקיף אותן אינו מיותר; חלבוני הגלובין תורמים ליצירת מבנה מרחבי המאפשר קשירה יעילה של הגזים אל אטום הברזל, כמו כן המבנה החלבוני מונע את חמצון הברזל שבקבוצת ההם. משמע, יש חשיבות למבנה המרחבי השלם של החלבון. ממצא נוסף שתומך בהנחה הזו הוא שקבוצות הם עצמאיות אינן מסוגלות לקשור חמצן באופן ספונטני.
ביוכימיה של המוגלובין.
מבנה.
ההמוגלובין בנוי מארבע תת-יחידות, אשר נמצאות בטבע בכמה מופעים דומים. כל יחידה מורכבת משרשרת פוליפפטידית בעל מספר סלילי α, הקשור באמצעות חומצת האמינו היסטדין קואורדינטיבית לקבוצת הם, ללא קבוצת ההם הקומפלקס כולו לא מתפקד זאת מכיוון שבמרכז קבוצת ההם ישנו יון ברזל בעל היכולת לקשור חמצן אטמוספירי (O2), סך הכל המוגלובין יכול לקשור בו זמנית עד ארבע מולקולות של חמצן אטמוספירי.
מבנה תת-היחידה גלובין.
בקומפלקס ההמוגלובין המצוי ביותר בגוף האדם הבוגר יש שתי תתי יחידות חלבוניות מסוג α ושתיים נוספות מסוג β, אך קיימים בטבע מופעים נוספים לתתי היחידות החלבוניות מלבד α ו-β. ההבדל בין המופעים השונים נוצר מהחלפת כמה חומצות אמינו אשר הבדלי תפקודם זניח לפעילות תת-היחידה. המשותף לכל המופעים הוא מספר סלילי אלפה, המקושרים בחלקים ללא מבנה שניוני מוגדר. כמו כן החלק הקושר בין תת-היחידה החלבונית לקבוצת ההם הוא חומצת האמינו היסטדין. ציר הקשר בין חומצת אמינו זו ליון הברזל הוא מאונך למשטח מולקולת ההם, זאת בזכות המבנה המרחבי האוקטהדרלי של יון הברזל. על ציר זה נקשר גם החמצן האטמוספירי בכיפוף מסוים הנובע מהאלקטרונים הבלתי קושרים של החמצן כפי שאפשר לראות בתרשים לקמן. בהיעדר קישור לחמצן אטמוספירי תמצא במקום מולקולת מים אשר מעניקה למולקולה יציבות. מבחינה תרמודינמית יון הברזל יכול להיקשר מלבד לחמצן אטמוספירי למספר מולקולות נוספות בכללם למולקולת פחמן דו-חמצני וגם למולקולת פחמן חד-חמצני, והגלובין מכיל מספר אתרי קישור נוספים מלבד יון הברזל. המבנה המרחבי של הגלובין מאלץ קישור זוויתי של הליגנד אל קבוצת ההם. זווית זו באמצעות אילוץ היקשרות במיקום מרחבי מאוד ספציפי הופכת את הזיקתיות של פחמן חד-חמצני לאטום הברזל לקטנה יותר ובכך מפחיתה את קשירתו, לעומת זאת החמצן באופן טבעי נקשר בכיפוף כך שהשפעת ההפרעה הסטרית על הזיקה של החמצן היא זניחה. הקטנת הזיקתיות לפחמן חד-חמצני היא תכונה חשובה זאת כיוון שהקשר של הפחמן החד-חמצני ליון הברזל הוא מאוד יציב, ונמצא בזיקה של פי 20,000 מזיקתו של חמצן אטמוספירי, ולכן ברגע שהוא נוצר הוא יכול להשבית את פעולת ההמוגלובין לזמן רב.
אלוסטריה של ההמוגלובין.
המוגלובין כנשא חמצן צריך להיות בעל יכולת לשנות בהתאם לתפקיד את הזיקה לחמצן, זאת כיוון שמלבד לשאת את החמצן הוא גם צריך לשחרר אותו. במינוח ביוכימי נאמר שעל ההמוגלובין להיות חלבון אלוסטרי. היקשרות של מולקולות בצורה המשנה את הזיקתיות של ההמוגלובין למולקולות אחרות נקראת היקשרות קואופרטיבית. אחת המולקולות הנקשרות קואופרטיבית להמוגלובין היא הליגנד עצמו, קרי חמצן אטמוספירי. כלומר בעת קישור של מולקולת חמצן לאחת מתתי היחידות של ההמוגלובין, הזיקה של ההמוגלובין לחמצן עולה בעקבות שינוי מבני של ההמוגלובין. כמו כן רמת החומציות של הסביבה בה נמצא ההמוגלובין ומולקולות נוספות משפיעות על רמת הזיקתיות.
מצב T ומצב R.
להמוגלובין עצמו מוגדרים שני מצבים מבניים עיקריים בהם הוא יכול להימצא, המבטאים את רמת הזיקתיות שלו לחמצן - מצב T (מתוח - tense) בעל זיקתיות נמוכה לחמצן ומצב R (רגוע - relaxed) בעל זיקתיות גבוהה לחמצן.
מעבר ממצב T ל-R בעקבות היקשרות חמצן.
נתבונן בתת-יחידת המוגלובין מסוימת, כאשר אין יון הברזל קשור לליגנד, אזי הקישור עם ההיסטדין מושך את הברזל לכיוון השרשרת החלבונית מחוץ למולקולת ההם. כאשר מולקולת החמצן נקשרת מצידו השני של הברזל, ההיסטדין יחד עם השרשרת החלבונית נמשך מעט לכיוון מולקולת ההם, כך שיון הברזל לאחר הקישור נמצא על מישור מולקולת ההם. דבר זה גורם לשבירת קשרי מימן בין חלקי ההמוגלובין השונים, ומשנה מבנית את תצורת הקומפלקס כולו. שינוי זה מגביר את הזיקה של הקומפלקס לחמצן.
אלוסטריה באמצעות מולקולת BPG.
המולקולה 2,3-ביספוספוגליצרט (BPG) היא מולקולה אורגנית אשר נקשרת בין שתי תת-יחידות בטא כאשר הוא נמצא בקונפורמציית T. המולקולה כפי שאפשר לראות באיור משמאל מכילה מטען שלילי וחומצות אמינו חיוביות הנמצאות באתר האלסטרי שלו ממסכות את המטען הזה באמצעות שיירים צידיים חיוביים. קישור זה מייצב את מצב ה-T ולכן ה-BPG משרה את קונפורמציית T ומשפיע על כל הטטרמר בבת אחת. כאשר יש מחסור בחמצן כגון בהרים גבוהים מאוד, הגוף מגביר את ייצור ה-BPG ובכך גורם לשחרור רב יותר של חמצן ברקמות. עם זאת עיקר השפעתו של ה-BPG מתבטאת ברקמות, אך כאשר יש ריכוז גבוה של חמצן כמו בריאות השפעתו של BPG על הקונפורמציה פוחתת.
תיאור כמותי של תפוסת ההמוגלובין בשיווי משקל.
כאשר האינטראקציה בין אתרי הנשיאה השונים חיובית באופן מקסימלי, דהיינו כל אתרי הנשיאה מלאים אם התרחש קישור בין הליגנד לנשא, המשוואה המתארת את תפוסת נשא בעל n אתרי נשיאה בריאקציית קישור ליגנד היא:
&lt;chem&gt;nL +P &lt;=&gt; PL_n&lt;/chem&gt;
כאשר P מייצג את הנשא, L מסמן את הליגנד, PLn מייצג את הנשא רווי ב-n מקומות.
לפיכך קבוע שיווי המשקל יהיה של הריאקציה יהיה:
formula_1
נגדיר formula_2 להיות אחוז הנשאים התפוסים מסך כל הנשאים:
formula_3
נקשר את תטא לקבוע שיווי המשקל באמצעות כמה פעולות אלגבריות פשוטות:
formula_4
מהוצאת לוג על שני האגפים וסידור המשוואה נקבל את המשוואה הבאה:
formula_5.
עם זאת בטבע לרוב איננו מוצאים אינטראקציה חיובית באופן מקסימלי. על כן יש לעדכן את המשוואה לפי מידת ההשפעה של היקשרות הליגנד על שאר מקומות הקישור של הנשא. החוקר ארצ'יבלד היל החליף את n בפקטור חדש בשם מקדם היל המסומן ב-formula_6 כמבטא את מידה זו. כאשר formula_7 הדבר מעיד על כך שלהיקשרות ליגנד לנשא אין השפעה על שאר מקומות הקישור בנשא. כאשר formula_8 הדבר מעיד על הפרעה להיקשרות נוספת של ליגנדים לאותו הנשא. כאשר formula_9 הדבר מעיד על עידוד היקשרויות נוספות לאותו הנשא. ישנו חסם עליון על מידת האינטראקציה האפשרית של formula_10, זאת משום שכמות האתרים בהם ניתן לקשור ליגנדים היא סופית ושווה ל-formula_11.
אפקט בוהר לזיקתיות ההמוגלובין.
כמו שהוזכר לעיל אחד המאפיינים המשפיעים על האפיניות של ההמוגלובין לחמצן הוא רמת החומציות בסביבת ההמוגלובין. נמצא כי כאשר יש חומציות גבוהה נקשרות מולקולות מימן לחומצות האמינו המרכיבות את תתי יחידות החלבוניות, ובכך יורדת הזיקתיות של ההמוגלובין לחמצן. ברקמות יש חומציות גבוהה יחסית לסביבה הריאתית, דבר זה מאפשר את שחרור החמצן דווקא ברקמות המטרה, ואת קשירת החמצן ביתר שאת בריאות.
רגולציה באמצעות פחמן דו-חמצני.
מולקולה נוספת היכולה להגיב עם ההמוגלובין היא פחמן דו-חמצני. כל חלבון מכיל שני קצוות, אחד פחמני, הנקרא הקצה הקרבונילי, ואחד המכיל קבוצת אמין, שנקרא הקצה האמיני. כמו כן הוא יכול להיקשר אל הקצה האמיני של תת-יחידת המוגלובין כקבוצת קרבומט , ליצור קשרי מלח ובכך לייצב את מצב T. בנוסף לייצוב בעזרת גשרי מלח, בריאקצייה בה הוא נקשר לקצה האמיני משתחרר פרוטון, דבר שבאמצעות אפקט בוהר מגדיל עוד יותר את היציבות של מצב T. בנוסף לזאת הפחמן הדו-חמצני המופרש מהרקמות יכול גם להגיב עם מים באמצעות האנזים קרבוניק אנהידרז וליצור ביקרבונט ויון מימן המעלה גם הוא את החומציות.