شیمی خون و هموگلوبین: چرا خون قرمز است و بعضی حیوانات خون آبی یا سبز دارند؟

مقدمه

خون یکی از شگفت‌انگیزترین مایعات و سیالات در محیط زیست و طبیعت است. در انسان و بیشتر مهره داران، خون به رنگ قرمز درخشان است و تصور رنگ دیگری برای این سیال حیاتی کمی دشوار به نظر می رسد. اما در طبیعت، خون می‌تواند آبی، سبز، بنفش یا حتی بی‌رنگ باشد. این تنوع رنگ مستقیماً به شیمی رنگدانه‌های تنفسی و فلزاتی که در ساختار آن‌ها قرار دارند مربوط می‌شود. در این مقاله به شیمی هموگلوبین، نقش آهن و دلیل تفاوت رنگ خون در موجودات گوناگون می‌پردازیم. در ادامه با ما در شیمی بازار همراه باشید.

هموگلوبین: پروتئین قرمز خون ما

هموگلوبین پروتئینی است که در گلبول‌های قرمز خون وجود دارد و وظیفه‌ی اصلی آن حمل اکسیژن از ریه‌ها به بافت‌ها و بازگرداندن بخشی از دی‌اکسید کربن است. هر مولکول هموگلوبین از چهار زنجیره‌ی پروتئینی (دو زنجیره‌ی آلفا و دو زنجیره‌ی بتا در هموگلوبین بالغ انسان) تشکیل شده است. در مرکز هر زنجیره، یک گروه هِم (Heme)  قرار دارد.

گروه هِم یک حلقه‌ی پورفیرینی مسطح است که چهار اتم نیتروژن آن به یک اتم آهن متصل‌اند. آهن در حالت معمولی خود به صورت یون دوظرفیتی (Fe²⁺) است. این آهن می‌تواند به طور برگشت‌پذیر یک مولکول اکسیژن را به خود متصل کند. هر هموگلوبین چهار اتم آهن دارد و بنابراین می‌تواند تا چهار مولکول اکسیژن حمل کند.

وقتی اکسیژن به آهن متصل می‌شود، ساختار الکترونی هِم تغییر می‌کند و رنگ مولکول از قرمز تیره به قرمز روشن و درخشان تبدیل می‌شود. به همین دلیل خون سرخرگی (اکسیژن‌دار) قرمز روشن و خون سیاهرگی (کم‌اکسیژن) قرمز تیره‌تر است. توجه کنید که خون سیاهرگی آبی نیست؛ رنگ آبی رگ‌ها از زیر پوست نتیجه‌ی پراکندگی نور و خواص نوری پوست و بافت‌هاست، نه رنگ واقعی خون.

چرا خون قرمز است؟ شیمی نور و آهن

رنگ یک ماده به این بستگی دارد که چه طول‌موج‌هایی از نور مرئی را جذب و چه طول‌موج‌هایی را بازتاب می‌کند. سیستم مزدوج گسترده در حلقه‌ی پورفیرین همراه با آهن، باعث می‌شود هموگلوبین بخش‌هایی از طیف نور را جذب کند.

– اکسی‌هموگلوبین (اکسیژن‌دار) عمدتاً نور سبز–آبی را جذب می‌کند و نور قرمز را بازتاب می‌دهد پس در نتیجه  خون به رنگ قرمز روشن دیده می شود .

– دی‌اکسی‌هموگلوبین نور را در طول‌موج کمی متفاوت جذب می‌کند و رنگ تیره‌تری دارد.

آهن نقش کلیدی دارد. اگر آهن به Fe³⁺ اکسید شود (مت هموگلوبین)، توانایی حمل اکسیژن را از دست می‌دهد و رنگ خون به قهوه‌ای متمایل می‌شود. بدن ما مکانیسم‌هایی دارد که آهن را در حالت Fe²⁺ نگه دارد تا عملکرد طبیعی حفظ شود.

جالب است که اتصال اکسیژن به آهن باعث تغییر جزئی در موقعیت اتم آهن نسبت به صفحه‌ی پورفیرین می‌شود. این تغییر ساختاری کوچک به زنجیره‌های پروتئینی منتقل می‌شود و باعث همکاری بین چهار واحد هموگلوبین می‌گردد (اثر همکارانه). به همین دلیل هموگلوبین در ریه‌ها به راحتی اکسیژن می‌گیرد و در بافت‌ها به راحتی آن را رها می‌کند.

خون آبی: وقتی مس جای آهن را می‌گیرد

بسیاری از بی‌مهرگان دریایی مانند اختاپوس، ماهی مرکب، خرچنگ‌ها، عنکبوت‌ها و خرچنگ نعل‌اسبی، به جای هموگلوبین از پروتئینی به نام هموسیانین (Hemocyanin) استفاده می‌کنند. در هموسیانین به جای آهن، دو اتم مس وجود دارد که مستقیماً به آمینواسیدهای هیستیدین پروتئین متصل‌اند (نه داخل حلقه‌ی پورفیرین).

وقتی هموسیانین اکسیژن ندارد، بی‌رنگ یا بسیار کم‌رنگ است. با اتصال اکسیژن، مس از حالت Cu⁺ به Cu²⁺ اکسید می‌شود و رنگ آبی مشخصی ظاهر می‌شود. به همین دلیل خون این حیوانات آبی است.

هموسیانین معمولاً آزادانه در همولنف (مایع گردش خون) حل شده و داخل سلول‌های خونی محصور نیست. این ساختار برای محیط‌های سرد یا کم‌اکسیژن اقیانوس‌ها مناسب‌تر است، هرچند ظرفیت حمل اکسیژن آن معمولاً کمتر از هموگلوبین است.

خون سبز: کلروکروورین

در برخی کرم‌های دریایی چندتکه (پلی‌کت‌ها)، رنگدانه‌ی تنفسی کلروکروورین (Chlorocruorin) وجود دارد. این مولکول از نظر ساختاری بسیار شبیه هموگلوبین است و همچنان آهن دارد، اما گروه جانبی پورفیرین آن کمی متفاوت است (یک گروه آلدهید به جای وینیل).

کلروکروورین در محلول رقیق سبز به نظر می‌رسد و در غلظت بالا قرمز روشن. برخی گونه‌ها هم هموگلوبین و هم کلروکروورین دارند. این رنگدانه میل ترکیبی کمتری با اکسیژن نسبت به بیشتر هموگلوبین‌ها دارد.

نکته‌ی جالب دیگر درباره‌ی خون سبز: بعضی مارمولک‌های اسکینک در گینه نو خون سبز دارند، اما این رنگ به دلیل تجمع بیلی‌وردین (محصول تجزیه‌ی هموگلوبین) است، نه به خاطر رنگدانه‌ی تنفسی متفاوت. هموگلوبین آن‌ها همچنان قرمز است، اما بیلی‌وردین سبز رنگ غالب را ایجاد می‌کند.

خون بنفش یا صورتی: هماریترین

در برخی کرم‌های دریایی، بازوپایان و موجودات مشابه، پروتئینی به نام هماریترین (Hemerythrin) اکسیژن را حمل می‌کند. این پروتئین آهن دارد اما حلقه‌ی پورفیرین ندارد. دو اتم آهن مستقیماً به پروتئین متصل‌اند و اکسیژن به صورت هیدروپراکسید بین آن‌ها قرار می‌گیرد.

هماریترین بدون اکسیژن تقریباً بی‌رنگ است و با اتصال اکسیژن به رنگ بنفش–صورتی درمی‌آید. کارایی حمل اکسیژن آن کمتر از هموگلوبین است.

چرا طبیعت رنگ‌های مختلف را انتخاب کرده است؟

انتخاب فلز و ساختار رنگدانه به شرایط محیطی و نیازهای فیزیولوژیکی بستگی دارد:

– آهن در هموگلوبین بسیار کارآمد است و برای مهره‌داران با متابولیسم بالا مناسب است.

– مس در هموسیانین در محیط‌های سرد و کم‌اکسیژن عملکرد خوبی دارد و برای بی‌مهرگان بزرگ با سیستم گردش خون باز مناسب‌تر است.

– ساختارهای غیرهمی مانند هماریترین و کلروکروورین احتمالاً مسیرهای تکاملی مستقل بوده‌اند.

نکته جالب این است که حتی در میان حیوانات دارای هموگلوبین، تفاوت‌های ظریف در ساختار پروتئین باعث تغییر جزئی در طیف جذب و در نتیجه سایه‌ی رنگ می‌شود.

جمع‌بندی

رنگ خون نتیجه‌ی مستقیم شیمی فلز و سیستم مزدوج اطراف آن است. آهن در حلقه‌ی پورفیرین هموگلوبین نور را طوری جذب می‌کند که رنگ قرمز ایجاد شود. مس در هموسیانین رنگ آبی می‌سازد. تغییرات کوچک در ساختار پورفیرین یا حذف کامل آن می‌تواند خون را سبز یا بنفش کند.

این تنوع نشان می‌دهد که طبیعت برای حل یک مسئله‌ی مشترک (حمل اکسیژن) راه‌حل‌های شیمیایی متعددی پیدا کرده است. هر کدام از این راه‌حل‌ها داستان تکاملی و شیمیایی خاص خود را دارند و مطالعه‌ی آن‌ها نه تنها کنجکاوی ما را درباره‌ی رنگ خون ارضا می‌کند، بلکه درک عمیق‌تری از شیمی زیستی و سازگاری موجودات زنده به ما می‌دهد.

خون قرمز ما فقط یکی از رنگ‌های پالت گسترده‌ی طبیعت است؛ پالتی که همچنان شگفتی‌های تازه‌ای برای کشف دارد.