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

Při dýchání je kyslík ze vzduchu rozveden krví v krevním řečišti z plic ke každé buňce našeho těla. Naše buňky kyslík nutně potřebují mimo jiné jako konečného příjemce elektronů při přeměně energie z potravy na energii vázanou v makroergních vazbách molekuly ATP(adenosinetrifosfát) z nichž může být následně buňkami snáze využita. Tento proces nazýváme aerobní respirace. Lidské buňky, stejně jako buňky dalších velkých organismů, využívají k přeměně energie zejména aerobní respiraci, protože jiné možnosti přeměny energie jsou méně účinné a kyslík je v pro nás snadno dostupný. (K ZAMYŠLENÍ: Používají aerobní respiraci i ryby?)

Přestože kyslík je krví rozváděn ke každé buňce našeho těla, není v krvi rozpuštěn tak jako třeba dusík či vzácné plyny. Jak je tedy v krvi vázán?

Hemoglobin jako taxi pro kyslík

Evoluční odpovědí na výzvu efektivní přepravy kyslíku krví po těle je bílkovina (Hb), znázorněná vpravo, je . Molekul hemoglobinu máme v naší krvi obrovské množství a jako „taxíky“ společně přepraví obrovské množství molekul kyslíku. Molekuly kyslíku se na hemoglobin váží v plicích, kde je vysoká koncentrace kyslíku; 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 se kládá ze čtyř podjednotek

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 tak, že je vidět pouze sekundární struktura α šroubovic. Protože molekula hemoglobinu je složena ze čtyř podjednotek, nazýváme ji . Dva typy podjednotek, které dohromady tvoří tetramer hemoglobinu, jsou barevně rozlišeny: dvě α světle modře a dvě β světle zeleně. Každá α-podjednotka je sbalený řetězec 141 aminokyselin a každá β-podjednotka je sbalena ze 146 aminokyselin. Upozorňujeme, že je potřeba dát si pozor na kontext, označení "α", nebo "alfa" se může vztahovat k různým částem molekuly: obě α- i β-podjednotky obsahují α-uhlíky a α-helixy. (K ZAMYŠLENÍ: Z kolika aminokyselin se skládá molekula hemoglobinu?)

Následující náhled ukazuje , s modře zbarvenými alfa podjednotkami a žlutě zbarvenými beta podjednotkami.

Každá podjednotka má hemovou skupinu

Všimněme si, že každá podjednotka, ať už α nebo β, má asociovanou , která je znázorněna několika malými vícebarevnými překrývajícími se kuličkami. Tyto molekuly se nazývají a jsou místem vazby kyslíku na hemoglobin. Nenechme se zmást barvymi v modelu hemoglobinu, které zde používáme - mějme 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 či zbarvit vazby mezi atomy tak, abychom co nejlépe pochopili a znázornili krásy komplexní trojrozměrné struktury. Dříve jsme znázornili atomy hemových skupiny jako jednotlivé kuličky , 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 druh atomů se nezmění. (K ZAMYŠLENÍ: Dříve jsme zmínili, že α- a β-podjednotky byly doposud znázorněny v pouze jako sekundární struktury. Proč nemůžeme stejně znázornit i atomy hemové skupiny?)

Vazba kyslíku

Hemoglobin váže kyslík na a takto navázaný jej přenáší krevním řečištěm. jsou tzv. prostetické skupiny; to znamená, že jsou to nebílkovinné chemické sloučeniny asociované s hemoglobinem, které jsou nezbytné pro jeho funkci. Každý hem je víceméně molekula složená z uhlíku C, dusíku N, kyslíku O and vodíku H, s jedním železnatým iontem uprostředFe²⁺. Železnatý iont je fixovaným čtyřmi okolními atomy dusíku, přesněji řečeno 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 červenými kuličkami). (K ZAMYŠLENÍ: Vidíte i jiné změny než vazbu 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, konformace (tvar) podjednotky hemoglobinu, která obsahuje daný hem vázající kyslík, se změní. Změna konformaci po vazbě kyslíku (resp. rozdíl v konformacích podjednotky hemoglobinu s navázaným kyslíkem a bez něj) je zásadní pro funkci hemoglobinu. Připomeňme si, že hemoglobin se nevyskytuje jako pouze jedna podjednotka (monomer), ale je složený ze čtyř podjednotek (jedná se o tetramer). Výsledkem toho je, že pokud jedna podjednotka hemoglobinu, která dosud nevázala kyslík (deoxyhemoglobin - hemoglobin bez navázené molekuly kyslíku) kyslík naváže a následně změní tvar, vynutí tato změna tvaru jedné podjednotky stejnou změnu tvaru zbývajících tří podjednotek molekuly hemoglobinu. I tyto tři podjednotky pak mají tvar, který je příznivější pro navázání molekuly kyslíku. To znamená, že jakmile jedna podjednotka molekuly hemoglobinu naváže molekulu kyslíku, je mnohem pravděpodobnější, že kyslík naváží i zbylé tři podjednotky. Tento mechanismus urychlené vazby pomocí šíření konformace podjednotky se nazývá cooperative binding.

Oxid uhelnatý se také váže na hem

Tady nám 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 (sekvenci DNA - proklik na českou wiki?) označujeme jako mutace. Pokud jsou v místě tzv. genu, které kóduje strukturu bílkovin, projevují se změnou v sekvenci aminokyselin. Známá mutace genu kódujícího hemoglobin se projevuje onemocněním, které se nazývá srpkovitá anémie. je příčinou pozměněného, 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?)

se od normálního hemoglobinu liší pouze v jediné (šesté) aminokyselině beta podjednotky. Díky změně v DNA (GAG sekvence kódující kyselinu glutamovou je změněn na GTG sekvenci, která kóduje valin). Původní hydrofilní kyselina glutamová je na povrchu sbalené bílkoviny nahrazena hydrofobním valinem. To způsobí vytvoření v místě, které je vystaveno do vnějšího prostředí. V molekule zdravého i mutovaného hemoglobinu je na povrchu beta podjednotky ještě další v blízkosti kapsy, která váže hem. (POZORUJTE: Najdete dvě hydrofobní místa na dvou beta-podjednotkách mutovaného hemoglobinu?) Toto druhé hydrofobní místo přilne na hydrofobní místo vzniklé mutací a tak způsobí shlukování molekul hemoglobinu do dlouhých vláken. Jsou ukázány pouze dvě molekuly hemoglobinu, které se k sobě shlukly, i když ve skutečnosti vznikají dlouhá vlákna ze spousty molekul hemoglobinu. Bližší 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?)

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 na Wikipedii

PřispěvateléPřispěvatelé

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