Oksijeni neden demir taşır?

H

emeglobinde demir yerine, daha fazla oksijen bağlayabilen başka bir element olsaydı bu element ne olurdu?

Hemoglobin, kanda oksijenin taşınmasından sorumlu dört yumaktan oluşan karmaşık bir proteindir ve her yumak çekirdeğinde bir geçiş metali olan demir bulunur. Bu demir heme merkezinde porfirin adlı bir halkanın dört azotuna ve globin zincirinden gelen histidin aminoasitine bağlı halde bulunur. Her bir yumakta altı bağ yapan demir son bağını ise nihayet oksijen ile yapar.

Kanda ne kadar demir vardır ve ne kadar oksijen taşıyabilir?

Hemoglobin, kandaki kırmızı kan hücrelerinde bulunur. Bir kırmızı kan hücresindeki (eritrosit) hemoglobin moleküllerinin, hem gruplarının ve demir iyonlarının sayısı, hemoglobinin tipik bileşimine ve kırmızı kan hücrelerinin özelliklerine göre tahmin edilebilir.

İnsanlarda her kırmızı kan hücresi tipik olarak yaklaşık 270 milyon hemoglobin molekülü içerir.

Her hemoglobin molekülü dört hem grubu içerdiğinden, bir eritrositte toplam 270 milyon hemoglobin molekülü * 4 hem grubu/molekül = 1,08 milyar hem grubu vardır.

Her hem grubunun merkezinde bir demir iyonu (Fe) olduğuna göre bir eritrositte 1,08 milyar demir bulunur. Tüm demir iyonlarının oksijeni bağlayabildiğini varsayar ve kırmızı kan hücrelerindeki tipik hemoglobin bileşimine dayalı kaba bir tahmin yürütürsek her bir eritrositteki demir 1.08 milyar oksijen molekülü bağlayabilir.

Bir eritrosit için bulunan bu değeri vücudumuzdaki tüm eritrositler için hesaplarsak ne buluruz?
70-80 kg olan sağlıklı bir yetişkinde kan hacmi ≈ 70 ml/kg dır. 70 ml/kg* 70 kg = 4900 ml/4,9 litre - 5,5 litre bulunur. Ortalama 5 litre kan var diyelim.

Kırmızı kan hücresi sayımı için tipik referans aralığı, kanın mikrolitresinde (5 × 10^12/L) yaklaşık 5 milyon hücredir. Mikrolitre kanda ortalama 5 milyon eritrosit.

Total 5 litre yani 5.000.000 μL kanda ise * 5 milyon hücre /μL = 25 trilyon kırmızı kan hücresi eder.

Bir eritrositteki demir 1.08 milyar oksijen molekülü bağlarsa, 25 trilyon eritrositteki demir 27*10^21 yani 27 sekstilyon oksiejen bağlayabilir.

Gerçekte ise kırmızı kan hücresi (eritrosit) içindeki hemoglobindeki demire bağlanabilen oksijen moleküllerinin sayısı, çevredeki oksijen konsantrasyonu da dahil olmak üzere çeşitli faktörlerden etkilenir. Üstelik kandaki oksijen moleküllerinin sayısı genellikle rutin klinik uygulamada doğrudan ölçülmez. Bunun yerine oksijen doygunluğu (SaO2) kavramı kullanılır.

Normal fizyolojik koşullar altında hemoglobin her zaman oksijene tam olarak doygun değildir. Oksijen doygunluğunun derecesi, çevredeki dokularda veya akciğerlerde oksijenin kısmi basıncı (pO2) gibi faktörlere bağlıdır.

Oksijen doygunluğu yüzde olarak ifade edilir ve oksijenin kapladığı hemoglobin bağlanma bölgelerinin oranını temsil eder. Ölçüm tipik olarak nabız oksimetresi adı verilen bir cihaz kullanılarak gerçekleştirilir. Oksijen bağlama kapasitesini ölçmek için kandaki oksijen doygunluğu seviyelerini değerlendirmek üzere arteriyel kan gazı analizi gibi laboratuvar ölçümleride yapılabilir.

Oksimetre nasıl çalışır?

Oksimetreler spektrofotometri prensibine, özellikle de ışığın oksijenli ve oksijensiz hemoglobin tarafından diferansiyel emilimine dayalı olarak çalışırlar.

Oksimetre, genellikle kırmızı ve kızılötesi olmak üzere iki farklı dalga boyunda ışık yayar. Bu ışıklar oksimetrenin bir tarafındaki ışık yayan diyotlardan (LED'ler) yayılır.

Yayılan ışık, parmak ucu veya kulak memesi gibi dokudan geçerek, bir fotodetektörün kendisine ulaşan ışık miktarını ölçtüğü diğer tarafa geçer. Doku ışığın bir kısmını emer ve emilen miktar hemoglobinin oksijen doygunluğuna bağlıdır.

Oksijenli hemoglobin (HbO2) ve oksijensiz hemoglobin (Hb) ışığı farklı şekilde emer. Oksijenli hemoglobin daha fazla kızılötesi ışığı emerken, oksijensiz hemoglobin daha fazla kırmızı ışığı emer.

Oksimetre, iki dalga boyundaki ışık emiliminin oranını ölçer ve oksijenli ve oksijensiz hemoglobin arasındaki emilim farklılıklarına dayalı olarak oksijen doygunluğunu hesaplar.

Hesaplanan oksijen doygunluğu seviyesi daha sonra oksimetrenin ekranında yüzde olarak görüntülenir. Bu, oksijen tarafından işgal edilen hemoglobin bağlanma bölgelerinin yüzdesini temsil eder.

Oksimetreler non-invazivdir, taşınabilir ve oksijen doygunluğu seviyelerini izlemek için hızlı ve rahat bir yol sağlamalarına karşın, zayıf perfüzyon, koyu cilt pigmentasyonu veya belirli boyaların varlığı gibi belirli durumlarda güvenilir olmayabilir.

Arteriyel kandaki oksijen doygunluğunun (SaO2) normal aralığının genellikle %95 ile %100 arasında olduğu kabul edilir. Bu, normal koşullar altında arteriyel kandaki hemoglobin bağlanma bölgelerinin %95 ila %100'ünün oksijenlendiği anlamına gelir.

Bu dolaylı ölçümler kanın oksijen taşıma kapasitesi ve etkinliği hakkında değerli bilgiler sağlayarak solunum ve dolaşım fonksiyonunun değerlendirilmesine yardımcı olur.

Kimyada "koordinasyon numarası" veya "bağlanma numarası" kavramı, bir kompleks veya bir kristalde merkezi bir atomu doğrudan çevreleyen atom veya iyon sayısını ifade eder. Birçok element çeşitli koordinasyon sayıları sergileyebilirken, bazı geçiş metallerinin özellikle yüksek koordinasyon sayılarına sahip kompleksler oluşturduğu bilinmektedir. Örneğin skandiyum (Sc) yada osmiyum (Os) elementileridir. Osmiyum, demir (Fe) ve rutenyum (Ru) ile aynı gruptadır ve 8 ve hatta daha yüksek koordinasyon sayılarına sahip kompleksler oluşturabilir. Her ne kadar ilginç bir varsayımsal senaryo olsa da geçiş metalleri kimyasal özellikleri açısından farklılık gösterir ve oksijeni bağlama ve serbest bırakma yetenekleri demirinkine eşdeğer değildir. Ayrıca, farklı geçiş metallerinin boyutu, yükü ve koordinasyon tercihleri önemli ölçüde farklılık gösterebilir ve metal-protein kompleksinin stabilitesini ve reaktivitesini etkileyebilir.

Demirin hemoglobin gibi hem proteinlerindeki oksijeni bağlama yeteneği, oksidasyon durumunda geri dönüşümlü değişikliklere uğrama yeteneğinden kaynaklanır. Hemoglobindeki demir, oksijen bağlanması ve salınması sırasında ferröz (Fe2+) ve ferrik (Fe3+) halleri arasında değişir.

Demire benzer şekilde daha fazla oksijen bağlayabilen alternatif bir element düşünecek olsaydık, birden fazla oksidasyon durumu sergileyebilen ve oksijenle stabil kompleksler oluşturabilen bir element aramamız gerekirdi. Bununla birlikte, demirin oksidasyon durumları arasında kolayca geçiş yapma ve oksijen taşınmasında merkezi bir rol oynama yeteneği açısından benzersiz olması nedeniyle, bu bağlamda demirin yerine doğrudan bir ikame bulmak zordur.

Değişken oksidasyon durumları ve oksijen bağlama açısından demirle bazı benzerlikler paylaşan elementlerden biri bakırdır. Bakır, Cu+ ve Cu2+ dahil olmak üzere birden fazla oksidasyon durumunda mevcut olabilir. Ancak bakır, oksijen taşınmasında demir ile aynı şekilde çalışmaz ve koordinasyon kimyası farklıdır. Ek olarak bakır, demire kıyasla biyolojik oksijen taşınmasında daha az rol oynar.

Doğada, benzersiz özellikleri nedeniyle demirin hemoglobin ve miyoglobinde kullanılmasını desteklemiştir. Demirdeki ferröz ve ferrik haller arasındaki geçiş, canlı organizmalarda oksijen taşınması için çok önemli bir özellik olan tersinir oksijen bağlanmasına ve serbest bırakılmasına izin verir.

Bakır ve diğer geçiş metalleri oksijenle kompleksler oluşturabilirken, özellikleri ve davranışları demirden farklıdır. Hemoglobinde oksijen bağlama rolünde farklı bir metalin kullanılması, muhtemelen proteinin yapısında ve fonksiyonunda önemli değişikliklerin yanı sıra organizmanın genel biyolojisinde adaptasyonlar gerektirecektir.

Oksijen taşınmasından ve depolanmasından sorumlu proteinler olan hemoglobin ve miyoglobinde merkezi metal olarak demirin seçilmesi, demirin onu bu biyolojik işlev için çok uygun kılan çeşitli benzersiz özelliklerine dayanır:

Tersinir Redoks Kimyası: Demir, ferröz (Fe2+) ve ferrik (Fe3+) oksidasyon durumları arasında kolaylıkla geçiş yapabilir. Bu redoks kapasitesi, oksijenin kanda taşınması sırasında oksijenin tersinir olarak bağlanmasına ve salınmasına izin verir.

Kararlı Komplekslerin Oluşumu: Demir, oksijenle stabil kompleksler oluşturarak tersinir demir-oksijen (hem-oksijen) bağları oluşturabilir. Bu, oksijen açısından zengin ortamlarda (akciğerler gibi) oksijenin verimli bir şekilde yüklenmesini ve oksijen açısından fakir ortamlarda (dokular gibi) oksijenin boşaltılmasını sağlar.

Küçük Boyut ve Optimum Bağlama Geometrisi: Demir atomunun boyutu ve hem grubundaki optimal koordinasyon geometrisi verimli oksijen bağlanmasına katkıda bulunur. Merkezinde demir bulunan hem yapısı, oksijen moleküllerinin bağlanıp salınması için uygun bir ortam sağlar.

Kullanılabilirlik ve Bolluk: Demir, yerkabuğunda bol miktarda bulunan bir elementtir ve çevrede kolaylıkla bulunabilir. Bu bolluk oksijen taşınması da dahil olmak üzere temel biyolojik işlevlerde kullanılmak üzere seçilmesinin muhtemel nedenidir.

Demirin Dünya'ya yolculuğu:

Yıldız Nükleosentezi:
Büyük Yıldızlarda Oluşum:
Demir öncelikle yeni atom çekirdeği oluşturma süreci olan nükleosentez yoluyla üretilir. Devasa bir yıldızın çekirdeğinin yoğun koşullarında hidrojen, bir dizi füzyon reaksiyonuna girerek helyumu oluşturur ve büyük miktarda enerji açığa çıkarır.

Yıldız geliştikçe çeşitli füzyon aşamalarından geçerek giderek daha ağır elementler oluşturur. Son aşamalarda nükleer kuvvetlerin benzersiz dengesi nedeniyle demir çekirdekleri sentezlenir. Demir füzyonu enerji açısından elverişli değildir, bu nedenle yıldız oluşumunda çok önemli bir noktaya işaret eder.

Süpernova Patlaması:
Devasa bir yıldız nükleer yakıtını tükettiğinde, artık kütleçekimsel çöküşe karşı kendini destekleyemez. Çekirdek hızla çöker ve dış katmanlar, süpernova olarak bilinen muhteşem bir patlamayla dışarı atılır.

Bir süpernova sırasındaki aşırı sıcaklıklar ve basınçlar, demir dahil daha ağır elementlerin oluşumuna olanak sağlar. Enerjinin patlayıcı şekilde salınması, bu yeni oluşan elementlerin çevredeki yıldızlararası uzaya saçılmasını sağlar.

Yıldızlararası Ortam ve Güneş Sistemi Oluşumu:
Yıldızlararası Ortamın Zenginleştirilmesi:
Demir ve diğer elementleri içeren süpernovadan fırlatılan malzeme yıldızlararası ortamın bir parçası haline gelir. Bu zenginleştirilmiş ortam, sonraki nesil yıldızlar ve gezegen sistemleri için "hammadde" görevi görür.

Güneş Bulutsusu ve Öngezegen Diski:
Güneş sistemimiz, daha önceki yıldız nesillerinin kalıntılarıyla zenginleştirilmiş devasa bir moleküler buluttan oluşmuştur. Bu bulutun içinde, güneş bulutsusu olarak bilinen bir bölge, yer çekiminin etkisi altında çöktü ve proto-gezegen diski adı verilen, dönen bir gaz ve toz diskinin ortaya çıkmasına neden oldu.

Demir, diğer elementlerle birlikte bu diskin bir parçası haline geldi. Disk içindeki sıcaklık ve yoğunluktaki değişiklikler, gezegenciklerin ve sonunda gezegenlerin oluşumuna yol açtı.

Dünyanın Toplanması ve Çekirdek Oluşumu:
Dünyanın Toplanması:
Öngezegen diskindeki parçacıklar çarpışıp birikerek Dünya da dahil olmak üzere daha büyük cisimler oluşturdu. Bu süreçteki yerçekimsel etkileşimler ve çarpışmalar gezegenimizin bileşimini şekillendirdi.

Demir Farklılaşması:
Devam eden birikim ve radyoaktif izotopların bozunması nedeniyle oluşan ısı nedeniyle Dünya'nın iç kısmı yüksek sıcaklıklara ulaştı. Bu koşullar altında demir de dahil olmak üzere daha ağır elementler büyüyen gezegenin merkezine doğru göç etti.

Demir açısından zengin malzeme sonunda Dünya'nın esas olarak demir ve nikelden oluşan metalik çekirdeğini oluşturdu. Bu çekirdek, katı bir iç bölgeye ve sıvı bir dış bölgeye bölünmüştür; ikincisi, Dünya'nın manyetik alanının oluşturulmasından sorumludur

Biyolojik Uyumluluk:Demir biyolojik olarak protein yapılarına nispeten kolaylıkla dahil edilebilir. Demirin hemoglobin ve miyoglobinin hem gruplarına dahil edilmesi canlı organizmalarda iyi tolere edilir.

Katalitik Özellikler: Oksijen taşınmasının ötesinde, hem grubundaki demir de katalitik özellikler sergiler. Reaktif oksijen türlerinin parçalanması ve diğer metabolik süreçler de dahil olmak üzere çeşitli enzimatik reaksiyonlarda rol oynar.

Bu özellikler toplu olarak demiri, hemoglobin ve miyoglobindeki oksijen taşınmasındaki rolü için benzersiz bir şekilde uygun hale getirir. Diğer geçiş metalleri benzer özelliklere sahipken, demirin kullanılabilirliği, redoks kimyası ve optimal koordinasyon geometrisi kombinasyonu, onu bu kritik biyolojik işlevler bağlamında oldukça etkili ve biyolojik olarak uygun bir seçim haline getirir.

"Bir de demiri indirdik ki, onda hem kuvvet  hem de insanlar için faydalar vardır.” (Hadid/25)

Uyarı Bu web sitesinin içeriği bilgilendirme amaçlıdır ve kişisel tıbbi tavsiye verme amacı taşımaz. Sağlığınızla ilgili tüm sorularınız için sağlık uzmanına başvurmalısınız.

Hayat boyu beslenme : minell's projesi , hayatboyubeslenme