Tutorial:How do we get the oxygen we breathe (Czech)

Když dýcháme, je kyslík ze vzduchu rozveden krví v oběhovém systému z plic ke každé buňce našeho těla. Naše buňky využívají kyslík mimo jiné jako finální akceptor elektronů při aerobní respiraci. Aerobní respirace je proces, pomocí kterého je přeměněna energie z potravy na energii, která může být buňkami rovnou využita v podobě molekuly ATP (adenosinetrifosfát). Buňky velkých organismů, jako je člověk, využívají aerobní respirace, protože jiné možnosti přeměny energie jsou méně účinné a kyslík je snadno dostupný. (ZAMYSLETE SE: Používají aerobní respiraci i ryby?)

Přestože kyslík je krví rozveden ke každé buňce v našem těle, není v krvi rozpuštěn. Jak je tedy přenášen?

Hemoglobin, taxi pro kyslík

Bílkovina (Hb), znázorněná vpravo, je odpovědí na výzvu jak přepravit kyslík v krvi. Mnoho molekul hemoglobinu v naší krvi slouží jako „taxíky“ pro molekuly kyslíku. Molekuly kyslíku se naváží na molekuly hemoglobinu v místech, kde je kyslíku hodně, tedy v plicích; molekuly kyslíku jsou uvolněny (disociují) z molekul hemoglobinu když se dostanou do míst, kde je kyslíku málo, například u buněk, které jsou od plic daleko. Takto hemoglobin v naší krvi dopraví kyslík ke každé tělní buňce. Je nutné, aby hemoglobin vázal kyslík pevně v prostředí plic bohatém na kyslík a uvolnil ho rychle v prostředí tkání relativně chudých na kyslík. Dělá to tím nejelegantnějším a složitě vyladěným způsobem. Příběh hemoglobinu je typickým příkladem vztahu mezi strukturou a funkcí v molekule bílkoviny.

Struktura hemoglobinu

Hemoglobin je tetramer

Vpravo vidíme trojrozměrnou strukturu hemoglobinu skládající se ze dvou a dvou . (Strukturu přetočíte přetáhnutím myší. Pro přiblížení použijte kolečko myši nebo táhněte se zmáčknutým tlačítkem shift.) Toto jsou molekuly hemoglobinu znázorněné v cartoon-style representation kde jednoduchá křivka spojuje α-uhlíky aminokyselin v každém řetězci sekundární struktura α-helixy jsoz znázorněny jako zjednodušené cartoon helices. Protože molekula hemoglobinu je složena ze čtyř monometů, nazýváme ji . Dvy typy monomerů, které dohromady tvoří tetramer hemoglobinu jsou barevně rozlišeny: dva α světle modře a dva β světle zeleně. Každý α-monomer je řetězec 141 aminokyselin a každý β-monomer je řetězec 146 aminokyselin. Pozor na kontext, označení "α", or "alpha" může být matoucí: oba α- i β-monomery obsahují α-uhlíky a α-helixy. (ZAMYSLETE SE: Z kolika aminokyselin se skládá molekula hemoglobinu?) Následující náhled ukazuje in space-fill representation, s různě zbarvenými alfa a beta řetězci.

Každý monomer má hemovou skupinu

Všimněme si, že každý monomer, ať už α nebo β, má asociovanou , která je znázorněna několika malými vícebarevnými překrývajícími se spheres. Tyto molekuly se nazývají , a jsou místem vazby kyslíku na hemoglobin, na které se brzy podíváma. Znázorňují barvy spheres opravdové zbarvení hemových skupin? Ne, neznázorňují. Pamatujme, že se díváme na znázornění opravdové struktury, a v tomto případě je každý atom hemové struktury zbarven uměle podle zvyklostí nyzývaných Corey-Pauling-Koltun schéma ( C H O N S Fe ). Také si uvědomme, že i když nemůžeme změnit pozici atomů v naší pokusy zjištěné struktuře bílkoviny, můžeme si libovolně zvolit různé možnosti jak znázornit, zbarvit či spojit atomy tak, abychom co nejlépe pochopili a znázornili krásy komplexní trojrozměrné struktury. Dříve jsme znázornili atomy hemových skupiny jako jednotlivé spheres znázorněním , ale mohli jsme je stejně snadno znázornit jako velmi malé kuličky s tlustými čarami spojujícími atomy ve vazbě v takzvaném . Všimněme si, že pozice a Notice that the positions and identita atomů se nezmění. (ZAMYSLETE SE: Dříve jsme zmínili, že α- a β-monomery byly doposud znázorněny v cartoon representation. Proč nemůžeme stejně znázornit i atomy hemové skupiny?)

Vazba kyslíku

Hemoglobin váže kyslík a přenáší ho krevním řečištěm navázaný na každou ze svých . Tyto jsou prostetické skupiny; jsou to nebílkovinné chemické sloučeniny asociované s hemoglobinem, které jsou nezbytné pro jeho funkci. Každý hem je uhlíku Cabron (uhlíku), Nitrogen (dusíku), Oxygen (kyslíku) and hydrogen (vodíku), s jedním Fe²⁺ (železnatým) iontem uprostřed, koordinovaným čtyřmi okolními atomy dusíku. Každý hem je zhruba a je na svém místě v monomeru držen hydrofobními interakcemi a kovalentní vazbou mezi atomy železa a dusíku v postranním řetězci aminokyseliny nazývané . Jiný histidin nazývaný napomáhá vazbě kyslíku tím, že zabraňuje oxidaci železa (která by zabránila navázání kyslíku) a navázání jiných molekul.

When oxygen is abundant, an in the heme group (Molecular oxygen (O₂) is represented by two red spheres). (THINK: Are there other changes besides the oxygen binding to the iron ion? Why might there be other changes?) We can watch oxygen binding in the (colored in rainbow colors from the N terminus of the monomer to its C terminus) or in a of the heme group.

When oxygen binds the heme, we notice a conformation change in the hemoglobin monomer holding the heme that bound oxygen -- in other words, when oxygen binds, the monomer changes shape. The difference in conformation between the oxygenated and deoxygenated monomer turns out to be crucial for the function of hemoglobin. Remember that hemoglobin does not exist as a monomer, but rather as a tetramer. As a result, when one monomer in a deoxygenated hemoglobin molecule binds oxygen, that monomer’s conformation change forces a similar conformation change in the remaining three monomers, causing them to adopt a conformation more favorable to oxygen binding. Said differently, as soon as one monomer in the tetramer of the hemoglobin molecule binds oxygen, the other three monomers are much more likely to bind oxygen than they were before. This mechanism of accelerated binding through monomer conformation propagation is called cooperative binding.

Carbon monoxide also binds the heme

Here is where the laws of chemistry present us with an interesting problem: The heme group has the chemical and structural capabilities to capture an , but an oxygen molecule (O₂) happens to be similar in shape and chemistry to a molecule of (CO). The result is that carbon monoxide can also bind to the iron in the heme groups of hemoglobin, although the distal histidine helps prevent this. In fact, carbon monoxide binds to the heme with about 230 times the affinity of oxygen, meaning that if both gases are available, carbon monoxide will outcompete oxygen for heme binding sites. (THINK: We often install carbon monoxide detectors in our homes to alert us to high concentrations of this gas. Why might carbon monoxide gas pose a danger to human beings?)

Mutated hemoglobin causes sickle-cell disease

A mutation in the gene coding for hemoglobin causes a disease called sickle-cell anemia. The results in red blood cells with a diseased, sickle shape instead of a healthy, disk shape. These sickle cells can block blood vessels due to their abnormal shape and cause damage to tissue and organs. (OBSERVE: Does the mutated hemoglobin look different than normal hemoglobin?)

, shown here in spacefilling representation, differs from normal hemoglobin at a single amino acid. In the mutant, the amino acid valine takes the place of glutamate as the sixth amino acid in the beta monomer chain. Glutamate, a hydrophilic amino acid, is replaced by valine, a hydrophobic amino acid, at a location on the surface of the protein, and this creates a . There is near the heme binding pocket in the beta-monomer that is present in both normal and sickle-cell deoxygenated hemoglobin. (OBSERVE: Can you find the two hydrophobic spots on the two beta-monomers in sickle-cell hemoglobin?) This second hydrophobic spot sticks to the first hydrophobic spot, present only in the mutant, causing the hemoglobin molecules to into long fibers. We show just two hemoglobin molecules stuck together, but this fiber can extend to include a large number of hemoglobin molecules in a long fiber. A shows us the valine from the first, mutant, hydrophobic spot in hydrophobic interaction with the alanine and leucine from the second hydrophobic spot. (THINK: Why might these hemoglobin fibers cause sickle-cell red blood cell shape?)