Περιεχόμενο
- TL · DR (Πολύ μακρύ;
- Τι είναι η αιμοσφαιρίνη;
- Μια επισκόπηση της δομής των πρωτεϊνών
- Δομή πολυπεπτιδίου
- Δομή τριτοταγούς και τεταρτοταγούς πρωτεΐνης
- Περιγράψτε τη δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης
- Λειτουργίες ενός μορίου αιμοσφαιρίνης
- Πώς αλλοιωμένη δομή αιμοσφαιρίνης επηρεάζει τη λειτουργία
- Αιμοσφαιρίνη και μελλοντικές ιατρικές θεραπείες
Τα θηλαστικά εισπνέουν οξυγόνο από τον αέρα μέσω των πνευμόνων τους. Το οξυγόνο χρειάζεται έναν τρόπο να μεταφερθεί από τους πνεύμονες στο υπόλοιπο σώμα για διάφορες βιολογικές διεργασίες. Αυτό συμβαίνει μέσω του αίματος, συγκεκριμένα της πρωτεΐνης αιμοσφαιρίνης, που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια. Η αιμοσφαιρίνη εκτελεί αυτή τη λειτουργία εξαιτίας των τεσσάρων επιπέδων πρωτεϊνικής δομής της: την πρωταρχική δομή της αιμοσφαιρίνης, τη δευτεροταγή δομή και τις τριτοταγείς και τεταρτογενείς δομές.
TL · DR (Πολύ μακρύ;
Η αιμοσφαιρίνη είναι η πρωτεΐνη στα ερυθρά αιμοσφαίρια που της προσδίδει ένα κόκκινο χρώμα. Η αιμοσφαιρίνη επίσης εκτελεί το βασικό καθήκον της ασφαλούς παροχής οξυγόνου σε όλο το σώμα, και το κάνει αυτό χρησιμοποιώντας τα τέσσερα επίπεδα πρωτεϊνικής δομής.
Τι είναι η αιμοσφαιρίνη;
Αιμοσφαιρίνη είναι ένα μεγάλο πρωτεϊνικό μόριο που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια. Στην πραγματικότητα, η αιμοσφαιρίνη είναι η ουσία που προσδίδει στο αίμα την κόκκινη της απόχρωση. Ο μοριακός βιολόγος Max Perutz ανακάλυψε την αιμοσφαιρίνη το 1959. Η Perutz χρησιμοποίησε κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ για να προσδιορίσει την ειδική δομή της αιμοσφαιρίνης. Θα ανακαλύψει επίσης τελικά την κρυσταλλική δομή της αποξυγονωμένης μορφής του, καθώς και τις δομές άλλων σημαντικών πρωτεϊνών.
Η αιμοσφαιρίνη είναι το μόριο φορέα οξυγόνου στα τρισεκατομμύρια των κυττάρων του σώματος, που απαιτούνται για να ζουν άνθρωποι και άλλα θηλαστικά. Μεταφέρει οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα.
Αυτή η λειτουργία οφείλεται στο μοναδικό σχήμα της αιμοσφαιρίνης, το οποίο είναι σφαιρικό και αποτελείται από τέσσερις υπομονάδες πρωτεϊνών που περιβάλλουν μια ομάδα σιδήρου. Η αιμοσφαιρίνη υφίσταται αλλαγές στο σχήμα της για να καταστήσει πιο αποτελεσματική τη λειτουργία της μεταφοράς οξυγόνου. Για να περιγράψουμε τη δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης, πρέπει να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο οργανώνονται οι πρωτεΐνες.
Μια επισκόπηση της δομής των πρωτεϊνών
Μια πρωτεΐνη είναι ένα μεγάλο μόριο που παράγεται από μια αλυσίδα μικρότερων μορίων που ονομάζεται αμινοξέα. Όλες οι πρωτεΐνες έχουν οριστική δομή λόγω της σύνθεσής τους. Υπάρχουν είκοσι αμινοξέα και όταν συνδέονται μαζί, δημιουργούν μοναδικές πρωτεΐνες ανάλογα με την αλληλουχία τους στην αλυσίδα.
Τα αμινοξέα αποτελούνται από μια αμινομάδα, έναν άνθρακα, μια ομάδα καρβοξυλικού οξέος και μια συνημμένη πλευρική αλυσίδα ή ομάδα R που την καθιστά μοναδική. Αυτή η ομάδα R βοηθά να προσδιοριστεί εάν ένα αμινοξύ θα είναι υδρόφοβο, υδρόφιλο, θετικά φορτισμένο, αρνητικά φορτισμένο ή μια κυστεΐνη με δισουλφιδικούς δεσμούς.
Δομή πολυπεπτιδίου
Όταν τα αμινοξέα ενώνονται μαζί, σχηματίζουν έναν πεπτιδικό δεσμό και κάνουν α πολυπεπτιδική δομή. Αυτό συμβαίνει μέσω αντίδρασης συμπύκνωσης, με αποτέλεσμα ένα μόριο νερού. Μόλις τα αμινοξέα δημιουργήσουν μια πολυπεπτιδική δομή με μια συγκεκριμένη σειρά, αυτή η αλληλουχία αποτελεί α πρωτογενή πρωτεϊνική δομή.
Ωστόσο, τα πολυπεπτίδια δεν παραμένουν σε ευθεία γραμμή, αλλά κάμπτονται και διπλώνονται για να σχηματίσουν ένα τρισδιάστατο σχήμα που μπορεί είτε να μοιάζει με σπείρα άλφα έλικα) ή ένα είδος μορφής ακορντεόν (α βήτα-πτυχωτό φύλλο). Αυτές οι πολυπεπτιδικές δομές συνιστούν α δευτερεύουσα δομή πρωτεΐνης. Αυτά συνενώνονται μέσω δεσμών υδρογόνου.
Δομή τριτοταγούς και τεταρτοταγούς πρωτεΐνης
Δομή τριτοταγούς πρωτεΐνης περιγράφει μία τελική μορφή μιας λειτουργικής πρωτεΐνης που αποτελείται από τα συστατικά της δευτεροταγούς δομής. Η τριτοταγής δομή θα έχει συγκεκριμένες εντολές στα αμινοξέα, αλφα έλικες και β-πτυχωτά φύλλα, όλα τα οποία θα διπλωθούν στην σταθερή τριτοταγή δομή. Οι τριτογενείς δομές συχνά σχηματίζονται σε σχέση με το περιβάλλον τους, με υδρόφοβα τμήματα στο εσωτερικό μιας πρωτεΐνης και υδρόφιλα στο εξωτερικό (όπως στο κυτταρόπλασμα), για παράδειγμα.
Ενώ όλες οι πρωτεΐνες διαθέτουν αυτές τις τρεις δομές, μερικές αποτελούνται από πολλαπλές αλυσίδες αμινοξέων. Αυτός ο τύπος πρωτεϊνικής δομής καλείται τεταρτοταγής δομή, κάνοντας μια πρωτεΐνη πολλαπλών αλυσίδων με διάφορες μοριακές αλληλεπιδράσεις. Αυτό αποδίδει ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών.
Περιγράψτε τη δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης
Μόλις μπορεί κανείς να περιγράψει τη δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης, είναι ευκολότερο να αντιληφθεί πώς σχετίζεται η δομή και η λειτουργία της αιμοσφαιρίνης. Η αιμοσφαιρίνη είναι δομικά παρόμοια με τη μυοσφαιρίνη, που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση οξυγόνου στους μυς. Ωστόσο, η τεταρτοταγής δομή της αιμοσφαιρίνης το διαχωρίζει.
Η τεταρτοταγής δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης περιλαμβάνει τέσσερις αλυσίδες πρωτεϊνών τριτοταγούς δομής, δύο από τις οποίες είναι άλφα έλικες και δύο από αυτές είναι βήτα πτυχωτά φύλλα.
Μεμονωμένα, κάθε άλφα έλικα ή βήτα-πτυχωμένο φύλλο είναι μια δευτερογενής πολυπεπτιδική δομή κατασκευασμένη από αλυσίδες αμινοξέων. Τα αμινοξέα με τη σειρά τους είναι η κύρια δομή της αιμοσφαιρίνης.
Οι τέσσερις δευτερεύουσες δομικές αλυσίδες περιέχουν ένα άτομο σιδήρου που στεγάζεται σε αυτό που ονομάζεται α heme ομάδα, μια δακτυλιοειδής μοριακή δομή. Όταν τα θηλαστικά αναπνέουν οξυγόνο, δεσμεύεται με το σίδηρο στην ομάδα αιμάτωσης. Υπάρχουν τέσσερις θέσεις heme για να δεσμεύεται το οξυγόνο στην αιμοσφαιρίνη. Το μόριο συγκρατείται μαζί με την τοποθέτηση ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου. Χωρίς αυτό το δίχτυ ασφαλείας, η αιμοσφαιρίνη θα μπορούσε εύκολα να χωρίσει.
Η δέσμευση του οξυγόνου σε μια αίμη ξεκινά τις δομικές αλλαγές στην πρωτεΐνη, γεγονός που αναγκάζει τις γειτονικές πολυπεπτιδικές υπομονάδες να αλλάξουν επίσης. Το πρώτο οξυγόνο είναι το πιο δύσκολο για σύνδεση, αλλά τα τρία πρόσθετα οξυγόνα είναι στη συνέχεια σε θέση να δεσμεύσουν γρήγορα.
Η μεταβολή του δομικού σχήματος οφείλεται στη δέσμευση του οξυγόνου στο άτομο σιδήρου στην ομάδα της αίμης. Αυτό μετατοπίζει το αμινοξύ ιστιδίνη, το οποίο με τη σειρά του μεταβάλλει την άλφα έλικα. Οι αλλαγές συνεχίζονται μέσω των υπομονάδων της άλλης αιμοσφαιρίνης.
Το οξυγόνο εισπνέεται και δεσμεύεται στην αιμοσφαιρίνη στο αίμα μέσω των πνευμόνων. Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει αυτό το οξυγόνο στην κυκλοφορία του αίματος, παρέχοντας οξυγόνο όπου χρειάζεται. Καθώς το διοξείδιο του άνθρακα αυξάνεται στο σώμα και το επίπεδο οξυγόνου μειώνεται, το οξυγόνο απελευθερώνεται και η μορφή της αιμοσφαιρίνης αλλάζει πάλι. Τελικά και τα τέσσερα μόρια οξυγόνου απελευθερώνονται.
Λειτουργίες ενός μορίου αιμοσφαιρίνης
Η αιμοσφαιρίνη όχι μόνο μεταφέρει οξυγόνο μέσω της κυκλοφορίας του αίματος, αλλά συνδέεται επίσης με άλλα μόρια. Το μονοξείδιο του αζώτου μπορεί να δεσμεύεται στην κυστεΐνη σε αιμοσφαιρίνη καθώς και σε ομάδες αιμέλης. Αυτό το νιτρικό οξείδιο απελευθερώνει τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων και μειώνει την αρτηριακή πίεση.
Δυστυχώς, το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί επίσης να συνδεθεί με την αιμοσφαιρίνη σε μια ολέθρια σταθερή διαμόρφωση, εμποδίζοντας το οξυγόνο και οδηγώντας σε ασφυξία των κυττάρων. Το μονοξείδιο του άνθρακα το κάνει γρήγορα, καθιστώντας την έκθεση σε αυτό πολύ επικίνδυνη, καθώς είναι ένα τοξικό, αόρατο και άοσμο αέριο.
Οι αιμοσφαιρίνες δεν απαντώνται μόνο στα θηλαστικά. Υπάρχει ακόμη και ένας τύπος αιμοσφαιρίνης στα όσπρια, που ονομάζεται νευρογλοβουλίνη. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό βοηθά τα βακτήρια να καθορίσουν το άζωτο στις ρίζες των όσπριων. Έχει περάσει ομοιότητα με την ανθρώπινη αιμοσφαιρίνη, κυρίως λόγω του συνδετικού με το σίδηρο ιστιδίνης αμινοξέος.
Πώς αλλοιωμένη δομή αιμοσφαιρίνης επηρεάζει τη λειτουργία
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η δομή της αιμοσφαιρίνης αλλάζει παρουσία οξυγόνου. Σε ένα υγιές άτομο, είναι φυσιολογικό να υπάρχουν μερικές μεμονωμένες διαφορές στην αρχική δομή των αμινοξέων της αιμοσφαιρίνης. Οι γενετικές μεταβολές στους πληθυσμούς αποκαλύπτονται όταν υπάρχουν προβλήματα με τη δομή της αιμοσφαιρίνης.
Σε δρεπανοκυτταρική αναιμία, μια μετάλλαξη στην αλληλουχία αμινοξέων οδηγεί σε συσσώρευση αποξυγονωμένων αιμοσφαιρινών. Αυτό αλλάζει το σχήμα των ερυθρών αιμοσφαιρίων έως ότου μοιάζουν με σχήμα δρεπάνι ή ημισελήνου.
Αυτή η γενετική παραλλαγή μπορεί να αποδειχθεί επιβλαβής. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια των βλαστικών κυττάρων είναι ευάλωτα σε βλάβες και απώλεια αιμοσφαιρίνης. Αυτό με τη σειρά του έχει ως αποτέλεσμα την αναιμία ή το χαμηλό σίδηρο. Τα άτομα με δρεπανοκυτταρικές αιμοσφαιρίνες έχουν ένα πλεονέκτημα σε περιοχές επιρρεπείς σε ελονοσία.
Στην θαλασσαιμία, οι άλφα έλικες και τα βήτα-πτυχωτά φύλλα δεν παράγονται με τον ίδιο τρόπο, επηρεάζοντας αρνητικά την αιμοσφαιρίνη.
Αιμοσφαιρίνη και μελλοντικές ιατρικές θεραπείες
Λόγω των προκλήσεων όσον αφορά την αποθήκευση αίματος και την αντιστοίχιση των τύπων αίματος, οι ερευνητές αναζητούν έναν τρόπο για να κάνουν τεχνητό αίμα. Οι εργασίες συνεχίζονται νέους τύπους αιμοσφαιρίνης, όπως ένα με δύο υπολείμματα γλυκίνης που το διατηρούν δεσμευμένο μαζί σε διάλυμα, αντί να ξεκολλήσουν απουσία προστατευτικού ερυθροκυττάρου.
Η γνώση των τεσσάρων επιπέδων πρωτεϊνικής δομής της αιμοσφαιρίνης βοηθά τους επιστήμονες να βρουν τρόπους για να κατανοήσουν καλύτερα τη λειτουργία της. Με τη σειρά του, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα στόχευση φαρμακευτικών και άλλων ιατρικών θεραπειών στο μέλλον.