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

Když dýcháme, je kyslík ze vzduchu rozveden krví v oběhovém systému od plic ke každé buňce našeho těla. Kyslík slouží našim buňkám mimo jiné jako konečný příjemce elektronů při aerobní respiraci. Aerobní respirace je proces, během něhož je přeměněna energie z potravy na energii vázanou v makroergických vazbách molekuly ATP(adenosinetrifosfát) z nichž může být následně buňkami využita. Buňky velkých organismů, jako je člověk, využívají dominantně aerobní respirace, protože jiné možnosti přeměny energie jsou méně účinné a kyslík je v jejich životním prostředí snadno dostupný. (K ZAMYŠLENÍ: Používají aerobní respiraci i ryby?)

Přestože kyslík je krví rozváděn ke každé buňce v našem těle, není v krvi rozpuštěn tak jako třeba dusík či vzácné plyny. Nabízí se otázka jak je tedy v krvi vázán?

Hemoglobin, taxi pro kyslík

Bílkovina (Hb), znázorněná vpravo, je evoluční odpovědí na výzvu jak efektivně přepravit kyslík v krvi. Mnoho molekul hemoglobinu v naší krvi slouží jako „taxíky“ pro molekuly kyslíku. Molekuly kyslíku se naváží na hemoglobin v orgánu, kde je vysoká koncentrace kyslíku, tedy v plicích; molekuly kyslíku jsou uvolněny (disociují) z molekul hemoglobinu když se dostanou do orgánů, kde je nižší koncentrace kyslíku, například u buněk, které jsou od plic daleko. Takto hemoglobin v naší krvi dopraví kyslík ke každé tělní buňce. Aby byl naznačený mechanismus dostatečně efektivní i pro velké živočichy, 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 řetězců a dvou řetězců označených . (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-helixů je znázorněna jako zjednodušené cartoon helices. Protože molekula hemoglobinu je složena ze čtyř monomerů, nazýváme ji . Dva 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", nebo "alfa" může být matoucí: oba α- i β-monomery obsahují α-uhlíky a α-helixy. (K ZAMYŠLENÍ: Z kolika aminokyselin se skládá molekula hemoglobinu?) Následující náhled ukazuje kalotový model molekuly, 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 koulemi. Tyto molekuly se nazývají , a jsou místem vazby kyslíku na hemoglobin, na které se brzy podíváme. Nenechte se zmást barvymi v modelu hemoglobinu které zde používáme - mějte na paměti, že se díváme na model a každý atom hemové struktury je zbarven uměle podle zvyklostí nazývaných Corey-Pauling-Koltunovo schéma ( C H O N S Fe ). Také si uvědomme, že i když v našem modelu nemůžeme změnit pozici atomů, můžeme si libovolně zvolit různé možnosti jak znázornit, zbarvit či vizualizovat spoje mezi atomy tak, abychom co nejlépe pochopili a znázornili krásy komplexní trojrozměrné struktury. Dříve jsme znázornili atomy hemových skupiny jako jednotlivé koule 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 identita atomů se nezmění. (K ZAMYŠLENÍ: 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 právě na své a přenáší jej tak krevním řečištěm. Tyto jsou prostetické skupiny; to znamená že jsou to nebílkovinné chemické sloučeniny asociované s hemoglobinem, které jsou nezbytné pro jeho funkci, zároveň ale nejsou součástí součástí řetězce aminokyselin dílčích monomerů. Každý hem je víceméně molekula složená z uhlíku C, dusíku N, kyslíku O and vodíku, s jedním Fe²⁺ železnatým iontem uprostřed, fixovaným čtyřmi okolními atomy dusíku, přesněji řečeno je držen hydrofobními interakcemi a kovalentní vazbou mezi atomy železa a dusíku v postranním řetězci aminokyseliny nazývané . Další histidin nazývaný napomáhá vazbě kyslíku tím, že zabraňuje oxidaci železa (která by zabránila navázání kyslíku) a navázání jiných molekul.

Když je vysoká koncentrace kyslíku, hemové skupiny (molekula kyslíku O₂) je znázorněna dvěma červenýma kuličkama). (K ZAMYŠLENÍ: 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 u 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. To znamená, že jakmile jeden monomer molekuly hemoglobinu naváže molekulu kyslíku, je mnohem pravděpodobnější, že kyslík naváží i zbylé tři monomery. Tento mechanismus urychlené vazby pomocí šíření konformace monomeru se nazývá cooperative binding.

Oxid uhelnatý se také váže na hem

Tady mám chemické zákonitosti připravily zajímavý problém: hemová skupina může díky své struktuře a chemickým vlastnostem vázat (O₂), která má ale má shodou okolností podobný tvar i chemické vlastnosti jako molekula (CO). Důsledkem této podobnosti je, že oxid uhelnatý se také váže na železnatý iont hemové skupiny hemoglobinu, ačkoli distální histidin tomu nežádoucímu jevu pomáhá zabránit. Ve skutečnosti se oxid uhelnatý váže na hem se zhruba 230× větší afinitou než kyslík. To znamená, že pokud jsou přítomny oba plyny, oxid uhelnatý obsadí vazebná místa hemu dříve než kyslík. (K ZAMYŠLENÍ: Pečlivě sledovanou emisí spalovacích motorů aut je oxid uhelnatý. Proč je oxid uhelnatý pro lidi nebezpečný?)

Mutovaný hemoglobin způsobuje srpkovitou anémii

Změny v genovém zápisu označujeme jako mutace, projevují se změnou v sekvenci aminokyselin formujících bílkovinu. Známá mutace genu kódujícího hemoglobin se projevuje onemocněním které se nazývá srpkovitá anémie. 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 vytvoření . 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 přilne na hydrofobní místo vzniklé mutací a tak způsobí shlukování molekul hemoglobinu do 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 valin z prvního, mutovaného hydrofobního místa a jeho hydrofobní vazbu s alaninem and leucinem z druhého hydrofobního místa. (K ZAMYŠLENÍ: Proč mohou takto vzniklá vlákna hemoglobinu způsobit srpkovitý tvar červených krvinek?)