हीमोग्लोबिन : रसायनशास्त्र (The Chemistry of Hemoglobin)

हीमोग्लोबिन हे एक संयुक्त प्रथिन (Conjugate protein) आहे. त्याच्या रंगावरून त्याला क्रोमोप्रोटीन (Chromoprotein) असेही म्हणतात. हीमोग्लोबिनच्या संयुक्त रेणूमध्ये ‘हीम’ या नावाचा उपांग गट (Prosthetic group) आणि ‘ग्लोबिन’ नावाचे प्रथिन आहे. ग्लोबिन प्रथिन हे चार उपभागांनी (Unit) बनलेले आहे. रसायनशास्त्राच्या भाषेत याला चतुर्वारिक (Tetrameric) प्रथिन असे म्हणतात. प्रत्येक उपभागात एक हीम व एक ग्लोबिन बहुपेप्टाइड असते.

हीमयुक्त प्रथिन हे ऑक्सिश्वसनी (Aerobic) सजीवांचे वैशिष्ट्य आहे. विनॉक्सिश्वसनी (Anaerobic) परजीवींमध्ये असलेले हीमोग्लोबिन हे पेशीबाह्य पेशीद्रवामध्ये असते.

हीमोग्लोबिनमधील हीम हे मायोग्लोबिन (Myoglobin), सायटोक्रोम (Cytochromes) आणि पेरॉक्सिडेझ (Peroxidase) व कॅटॅलेझ (Catalase) विकरामध्ये सजीवांच्या शरीरात निर्माण होते.

हीम रेणूच्या रासायनिक रचनेस आयर्न पॉर्फायरिन वलयी (Iron porphyrin complex) रचना म्हणतात. सर्व प्राण्यांमधील हीम रेणू समान रचनेचा असतो. फक्त ग्लोबिन बहुपेप्टाइड हे जाती वैशिष्ट्यानुसार वेगवेगळे असते. ग्लोबिनची निर्मिती आहारातील ॲमिनो अम्लामधून होते. हीमोग्लोबिनचा रेणुभार ६८,००० डाल्टन इतका आहे. सर्वसाधारणपणे गोलाकार असलेल्या या रेणूमधील हीमचे वजन ३%, तर ग्लोबिन प्रथिनाचे वजन ९७% इतके असते.

हीमोग्लोबिन रेणू चार ग्लोब्युलर प्रथिन उपघटकांनी बनलेला असतो. प्रत्येक उपघटक प्रथिनविरहित हीमबरोबर घट्ट जुळलेला असतो. प्रथिन उपघटक म्हणजे आल्फा सर्पिलाकृती (Helix) मायोग्लोबिन घडीच्या साहाय्याने एकत्र आलेले असतात. या घडीमध्ये असलेल्या एका कप्प्यात हीम दृढ बंधाने जखडलेले असते. हीमोग्लोबिनमधील हीम रेणूमध्ये केंद्रभागी असलेला आयर्न (लोह) अणू (Fe⁺²) हा ऑक्सिजन बंध स्थान आहे. पॉर्फायरिनच्या केंद्रस्थानी असलेल्या आयर्नबरोबर चार नायट्रोजन बंध असतात. नायट्रोजन बंध समपातळीत असतात. दोन अतिरिक्त पाचव्या व सहाव्या स्थानी असलेले बंध प्रथिनाबरोबर, तर सहावा ऑक्सिजनबरोबर बद्ध होण्यासाठी राखीव असतो. आयर्न अणू Fe⁺² किंवा Fe⁺³ (फेरस किंवा फेरिक) स्थितीत असतो. यातील आयर्न फेरिक (Fe⁺³) स्थितीत असल्यास हीमबरोबर ऑक्सिजन वाहून नेले जाऊ शकत नाही.

हीमोग्लोबिन रेणूमध्ये बरीच विविधता आहे. वेगवेगेळ्या स्थितीत हीमोग्लोबिन अधिक किंवा कमी ऑक्सिजन वाहक ठरते. उदा., लामा या सस्तन प्राण्याचे हीमोग्लोबिन विरळ हवेत अधिक कार्यक्षम असते. लामा अँडिज पर्वतावर विरळ हवेत राहतो, तर पांढरी शेपूट असलेल्या हरिणाचे हीमोग्लोबिन सामान्य ऑक्सिजन असलेल्या हवेत अधिक कार्यक्षम असते. गर्भाचे हीमोग्लोबिन मातेच्या हीमोग्लोबिनपेक्षा अधिक कार्यक्षम असते.

प्रौढ व्यक्तीच्या शरीरातील हीमोग्लोबिन सामान्यपणे चतुर्वारिक पद्धतीचे म्हणजे चार घटक असलेल्या प्रथिनांनी बनलेले असते. याला हीमोग्लोबिन-ए असे म्हणतात. हीमोग्लोबिन-ए यामध्ये दोन आल्फा आणि दोन बीटा उपएकके असतात. याला α₂β₂ असेही म्हणण्याची पद्धत आहे. दोन्ही उपएकके समान आकाराची असून त्याचा रेणुभार १६,००० डाल्टन इतका असतो. त्यामुळे चतुर्वारिक हीमोग्लोबिन रेणूचा रेणुभार ६४,००० डाल्टन इतका होतो. हीमोग्लोबिन रेणूंपैकी हीमोग्लोबिन-ए याचा सखोल अभ्यास झालेला आहे. हीमोग्लोबिन-ए याची चारही बहुपेप्टाइडे परस्परांबरोबर साल्ट बंध, हायड्रोजन बंध आणि जलद्वेषी क्रिया करणारी असतात. हीमोग्लोबिनच्या आल्फा आणि बीटा साखळ्यांमध्ये α₁β₁ आणि α₁β₂ असे दोन संपर्क असतात.

हीमोग्लोबिनमधील ग्लोबिन रेणू अत्यंत प्राचीन आहे. रेणवीय कालगणनेसाठी या रेणूमधील स्थित्यंतराचा अभ्यास झालेला आहे. यावरून अपृष्ठवंशी व पृष्ठवंशी परस्परांपासून एक अब्ज वर्षांपूर्वी वेगळे झाल्याचा पुरावा मिळाला आहे. सजीव सृष्टीमधील नऊ संघांमध्ये ग्लोबिन आढळते. एवढेच नव्हे तर कवक व काही जीवाणूंमध्ये देखील ग्लोबिन रेणू आढळला आहे. शिंबावंत वनस्पतींच्या मुळांवरील गाठींमध्ये ग्लोबिन आढळले आहे. वनस्पतींच्या मुळांतील पेशींमध्ये ग्लोबिन बनवणारे जनुक असल्याने ग्लोबिन हे वनस्पती व प्राणी यांच्या समान पूर्वजापासून प्राणी व वनस्पती यांमध्ये पसरले असावे असे सुचवलेले आहे.

पृष्ठवंशी सजीवांमध्ये असलेले हीमोग्लोबिन देखील चतुर्वारिक प्रकारचे असते. हे हीमोग्लोबिन तांबड्या रक्तपेशीमध्ये असते. मानवी शरीरातील ९७% हीमोग्लोबिन-ए प्रकारचे तर ३% हीमोग्लोबिन-बी प्रकारचे असते.

हीमोग्लोबिन-एफ हे गर्भातील हीमोग्लोबिन असून मूल जन्मल्यावर पहिल्या काही दिवसांत या हीमोग्लोबिनऐवजी हीमोग्लोबिन-ए त्याची जागा घेते. क्वचित काही व्यक्तींमध्ये हीमोग्लोबिन-एफ आयुष्यभर तसेच राहते. HbF-fetal हीमोग्लोबिनचा ऑक्सिजनबरोबर अधिक दृढ बंध असतो. कारण ऑक्सिजन अपरेमधून गर्भापर्यंत येत असतो. यासाठी HbF मधील बीटा पॉलिपेप्टाइड साखळ्या गॅमा साखळीने बदललेल्या असतात. बीटा साखळीतील धन भार गॅमा साखळीमध्ये नसतो. यामुळे गर्भातील हीमोग्लोबिन मातेच्या हीमोग्लोबिनहून अधिक ऑक्सिजन वाहून नेऊ शकते. मातेच्या HbA मधून गर्भाच्या HbF कडे ऑक्सिजन अधिक परिणामकारकपणे वाहण्याचे हे एकमेव कारण आहे. एकदा मूल जन्माला आले म्हणजे HbF रेणू ऐवजी वेगाने HbA रेणू त्यांची जागा घेतात. ही क्रिया मूल जन्माला आल्यावर पहिल्या आठवड्यात बहुदा पूर्ण झालेली असते.

अपृष्ठवंशी सजीवांतील हीमोग्लोबिन : सजीव सृष्टीतील अनेक प्राणी व काही वनस्पतींमध्ये ऑक्सिजन वाहक प्रथिने असल्याचे आढळले आहे. जीवाणू, आदिजीव आणि काही कवकामध्ये हीमोग्लोबिनसारखी प्रथिने आहेत. यातील अनेक प्रथिने हीमोग्लोबिनप्रमाणे कार्य करतात. सपाट पॉर्फायरिन वलयी रेणू आणि ग्लोबिन प्रथिने अशी त्यांची सर्वसाधारण रचना असते. त्यांची त्रिमितीय रचना पृष्ठवंशी हीमोग्लोबिनहून सर्वस्वी भिन्न असली, तरी त्यांना हीमोग्लोबिन असेच म्हटले जाते. सजीव सृष्टीतील अप्रगत सजीवामध्ये मायोग्लोबिन (स्नायूमधील एक हीमोग्लोबिन सम प्रथिन) व हीमोग्लोबिन यातील फरक स्पष्ट होत नाही. कारण अनेक अपृष्ठवंशी सजीवांमध्ये स्नायूऊती मुळातच नाहीत किंवा त्यांच्या रक्तद्रवात ऑक्सिजन वाहक प्रथिने नसतात. उदा., कीटक रक्तद्रवामध्ये ऑक्सिजन वाहून नेणारी प्रथिने नसतात. (अपवाद – कायरोमोनास अळी). या सर्व सजीवांमध्ये हीम/ग्लोबिन असणारे रेणू ऑक्सिजन वहनाचे कार्य करतात. त्यांना ऑक्सिहीमोग्लोबिन असे म्हटले जाते. परंतु, ऑक्सिजन वहनाबरोबर हे रेणू NO, CO₂, सल्फाइड यांचेसुद्धा वहन करतात. सर्वस्वी विनॉक्सिश्वसनी माध्यमात ऑक्सिजन मिळवण्याचे त्यांचे कार्य सफाईदारपणे चाललेले असते.

सागरतळाशी असलेल्या ज्वालामुखीपासून ऊर्जा मिळवणाऱ्या (Riftia pachyptila ; Giant tube worm) नावाचा नलिकेमध्ये असणारा कृमी २.४ मी. लांबीचा असतो. याला अन्ननलिका नसते. त्यांच्या लांबीच्या ५०% भागात जीवाणूच्या वसाहती असतात. हे जीवाणू उष्ण पाण्यातील हायड्रोजन सल्फाइड आणि पाणी यांच्यापासून ऊर्जा मिळवतात. त्यांच्या नलिकेमधून बाहेर आलेल्या गडद तांबड्या रंगाचा पिसारा हा पाण्यातून जीवाणूंसाठी हायड्रोजन सल्फाइड आणि ऑक्सिजन शोषून घेतो. पाणी आणि कार्बन डाय-ऑक्साइड यांच्यापासून वनस्पतींप्रमाणे अन्न तयार करणे हे त्यांचे वैशिष्ट्य आहे. गडद तांबड्या रंगाच्या पिसाऱ्यामध्ये गुंतागुंतीची रचना असलेले हीमोग्लोबिन असते. या हीमोग्लोबिनमध्ये १४४ ग्लोबिन साखळ्या असतात. प्रत्येक ग्लोबिनबरोबर हीम असते. सल्फाइडच्या सान्निध्यात ते ऑक्सिजन वहन करतात. त्यांचे हीमोग्लोबिन सल्फाइडच्या विषारी परिणामापासून मुक्त असते.

ॲस्कॅरिस लुंब्रिकॉइडीस (Ascaris lumbricoides) म्हणजे पोटातील जंत. या गोलकृमीच्या प्रादुर्भावामुळे जगभरात एक कोटी व्यक्तींमध्ये याचा संसर्ग होतो. ॲस्कॅरिसच्या पचनसंस्थेच्या बाह्यद्रवामध्ये असणारे हीमोग्लोबिन अष्टवारिक (Octamer) प्रकारातील असते. मानवी हीमोग्लोबिनपेक्षा हे हीमोग्लोबिन २५,००० पटीने अधिक प्रभावी ऑक्सिजन बंध निर्माण करते. याचे हीमोग्लोबिन सोबत असणारे विकर नायट्रिक ऑक्साइडपासून ऑक्सिजन मुक्त करते.

पहा : रक्तारुण.

संदर्भ :