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

This page, as it appeared on August 2, 2012, was featured in this article in the journal Biochemistry and Molecular Biology Education.

Tento tutoriál je určen pro střední školy a základní kurzy univerzitní přípravy (věk 14-19). Detailnější materiál je dostupný na stránce Hemoglobin

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 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 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 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?)

Podívejte se také naPodívejte se také na

Hemoglobin
PDB položka 1hho (oxyhemoglobin, 2.1 Å)
PDB položka 1hga (deoxyhemoglobin, 2.1 Å)
PDB položka 1hbs (deoxyhemoglobin, mutace srpkovité anémie, 3.0 Å)

Externí zdrojeExterní zdroje

Hemoglobin in Wikipedia

Hemoglobin Causes Net Diffusion of Oxygen (Interactive Demo) - Oxygen diffuses freely across oxygen-permeable membranes such as those found where capillaries (small blood vessels) in the lungs make contact with the air we breathe. When oxygen diffuses from the air in our lungs across the walls of these capillaries and into our blood, it is taken up by hemoglobin -- this causes even more oxygen to diffuse into the blood in order to balance the concentration (partial pressure) of free oxygen in our blood with that in the air in our lungs. Explore the interactive demonstration to see this diffusion in action.

PřispěvateléPřispěvatelé

Tato stránka obsahuje vizualizace, struktury a myšlenky přejaté od Eric Martz, Frieda S. Reichsman a Angel Herraez respektive vznikla jako překlad anglického originálu.