Tento tutoriál je určen pro střední školy a základní kurzy univerzitní přípravy (věk 14-19). Detailnější materiál je dostupný na
HemoglobinKdyž 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, dusíku Nitrogen, kyslíku Oxygen and vodíku hydrogen, 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.
Když je kyslíku dostatek, hemové skupiny (molekula kyslíku (O2) je znázorněna dvěma červenýma kuličkama). (ZAMYSLETE SE: Jsou zde i jiné změny než vazby kyslíku na železnatý iont? Pokud ano, proč?) Můžeme pozorovat vazbu kyslíku v (zbarven barvami duhy od N konce monomeru k jeho C konci) nebo hemové skupiny.
Když dojde k vazbě kyslíku na hem, pozorujeme změnu konformace monomeru hemoglobinu, který obsahuje hem vázající kyslík -- jinými slovy: když se naváže kyslík, monomer změní tvar. Změna konformaci po vazbě kyslíku (resp. rozdíl v konformacích monomeru hemoglobinu s navázaným kyslíkem a bez něj) je zásadní pro funkci hemoglobinu. Připomeňme si, že hemoglobin se nevyskytuje jako monomer, ale jako tetramer. Výsledkem toho je, že pokud jeden monomer hemoglobinu, který dosun nevázal kyslík (deoxyhemoglobin - hemoglobin bez navázené molekuly kyslíku) kyslík naváže a následně změní tvar, vynutí tato změna tvaru jednoho monomeru stejnou změnu tvaru zbývajících tří monomerů molekuly hemoglobinu. I tyto tři monomery pak mají tvar, který je příznivější pro navázání molekuly kyslíku. Jinak řečeno, jakmile jedne monomer molekuly hemoglobinu naváže molekulu kyslíku, je mnohem pravděpodobnější, že kyslík naváží i zbylé tři monomery. Tento mechanismus urychlené vazby pomocí pomocí šíření konformace monomeru se nazývá cooperative binding.
Oxid uhelnatý se také váže na hem
Tady mám chemiské zákonitosti připravily zajímavý problém: Hemová skupina může díky své struktuře a chemickým vlastnostem vázat , ale molekula kyslíku (O2) má shodou okolností podobný tvar i chemické vlastnosti jako molekula (CO). Výsledkem toho je, že oxid uhelnatý se také váže na železnatý iont hemové skupiny hemoglobinu, i když distální histidin tomu pomáhá zabránit. Ve skutečnosti se oxid uhelnatý váže na hem se zhruba 230 krát větší afinitou než kyslík. To znamená, že pokud jsou přítomny oba plyny, oxid uhelnatý obsadí vazebná místa hemu dříve než kyslík. (ZAMYSLETE SE: Často v budovách instalujeme čidla oxidu uhelnatého, aby nás upozornila na přítomnost tohoto plynu. Proč je oxid uhelnatý pro lidi nebezpečný?)
Mutovaný hemoglobin způsobuje srpkovitou anémii
Mutace genu kódujícího hemoglobin způsobuje onemocnění srpkovitou anémii. Takto je příčinou změněného, srpkovitého tvaru červených krvinek namísto normálního bikonkávního (dvojdutého) tvaru. Tyto srpkovité červené krvinky mohou kvůli svému tvaru ucpávat cévy a způsobovat tak poškození tkání a orgánů. (POZORUJTE: Vypadá mutovaný hemoglobin jinak než normální hemoglobin?)
, ukázaný zde v spacefilling representation, se od normálního hemoglobinu liší v jediné aminokyselině. V mutované bílkovině je v řetězci beta monomeru šestá aminokyselina valin místo původního glutamátu. Glutamát, hydroflní aminokyselina, je nahrazen valinem, hydrofobní aminokyselinou, v místě, které je na povrchu sbalené bílkoviny. To způsobí přítomnost . V molekule zdravého i mutovaného hemoglobinu v blízkosti kapsy na beta-monomeru, která váže hem. (POZORUJTE: Najdete dvě hydrofobní místa na dvou beta-monomerech mutovaného hemoglobinu?) Toto druhé hydrofobní místo se přilepí na hydrofobní místo vzniklé mutací a tak způsobí shlukování molekul hemoglobinu dlouhých vláken. Ukazujeme pouze dvě molekuly hemoglobinu, které se k sobě shlukly, i když ve skutečnosti vznikají dlouhá vlákna obsahující mnoho molekul hemoglobinu. Blizší nám odhalí valine z prvního, mutovaného hydrofobního místa a jeho hydrofobní vazbu s alaninem and leucinem z druhého hydrofobního místa. (ZAMYSLETE SE: Proč mohou takto vzniklá vlákna hemoglobinu způsobit srpkovitý tvar červených krvinek?)
