Indhold
- TL; DR (for lang; læste ikke)
- Hvad er hæmoglobin?
- En oversigt over proteinstruktur
- Polypeptidstruktur
- Tertiær og kvartær proteinstruktur
- Beskriv strukturen af en hæmoglobinmolekyle
- Funktioner af en Hemoglobin Molecule
- Hvordan ændret hæmoglobinstruktur påvirker funktion
- Hemoglobin og fremtidige medicinske behandlinger
Pattedyr inhalerer ilt fra luft gennem deres lunger. Oxygen har brug for en måde, der skal transporteres fra lungerne til resten af kroppen til forskellige biologiske processer. Dette sker via blodet, specifikt proteinhæmoglobinet, der findes i røde blodlegemer. Hemoglobin udfører denne funktion på grund af dets fire niveauer af proteinstruktur: den primære struktur af hæmoglobin, den sekundære struktur og de tertiære og kvartære strukturer.
TL; DR (for lang; læste ikke)
Hemoglobin er proteinet i røde blodlegemer, der giver det en rød farve. Hemoglobin udfører også den essentielle opgave med sikker iltlevering i hele kroppen, og det gør dette ved at bruge dets fire niveauer af proteinstruktur.
Hvad er hæmoglobin?
Hæmoglobin er et stort proteinmolekyle, der findes i røde blodlegemer. Faktisk er hæmoglobin det stof, der giver blod dets røde nuance. Molekylærbiolog Max Perutz opdagede hæmoglobin i 1959. Perutz anvendte røntgenkrystallografi til at bestemme den specielle struktur af hæmoglobin. Han opdagede også efterhånden krystalstrukturen i dets deoxygenerede form samt strukturer af andre vigtige proteiner.
Hemoglobin er bærermolekylet af ilt til billionerne af celler i kroppen, der kræves for at mennesker og andre pattedyr skal leve. Det transporterer både ilt og kuldioxid.
Denne funktion forekommer på grund af hæmoglobins unikke form, som er kugleformet og lavet af fire underenheder af proteiner, der omgiver en jerngruppe. Hemoglobin gennemgår ændringer i sin form for at hjælpe med at gøre det mere effektivt i sin funktion af at transportere ilt. For at beskrive strukturen af et hæmoglobinmolekyle skal man forstå den måde, hvorpå proteiner er arrangeret.
En oversigt over proteinstruktur
Et protein er et stort molekyle fremstillet af en kæde af mindre molekyler kaldet aminosyrer. Alle proteiner har en endelig struktur på grund af deres sammensætning. Der findes tyve aminosyrer, og når de bindes sammen, fremstiller de unikke proteiner afhængigt af deres sekvens i kæden.
Aminosyrer består af en aminogruppe, en carbon, en carboxylsyregruppe og en tilknyttet sidekæde eller R-gruppe, der gør den unik. Denne R-gruppe hjælper med at bestemme, om en aminosyre vil være hydrofob, hydrofil, positivt ladet, negativt ladet eller en cystein med disulfidbindinger.
Polypeptidstruktur
Når aminosyrer går sammen, danner de en peptidbinding og danner en polypeptidstruktur. Dette sker via en kondensationsreaktion, hvilket resulterer i et vandmolekyle. Når først aminosyrer udgør en polypeptidstruktur i en bestemt rækkefølge, udgør denne sekvens en primær proteinstruktur.
Polypeptider forbliver imidlertid ikke i en lige linje, men snarere bøjer de sig og foldes for at danne en tredimensionel form, der enten kan ligne en spiral (en alfa helix) eller en slags trekkspilform (a beta-plisseret ark). Disse polypeptidstrukturer udgør en sekundær proteinstruktur. Disse holdes sammen via brintbindinger.
Tertiær og kvartær proteinstruktur
Tertiær proteinstruktur beskriver en endelig form for et funktionelt protein, der består af dets sekundære strukturkomponenter. Den tertiære struktur har specifikke ordrer på dens aminosyrer, alfa-helikser og beta-plisserede lag, som alle vil blive foldet ind i den stabile tertiære struktur. Tertiære strukturer dannes ofte i forhold til deres miljø med hydrofobe dele på det indre af et protein og hydrofile strukturer udvendigt (som for eksempel i cytoplasma).
Mens alle proteiner har disse tre strukturer, består nogle af flere aminosyrekæder. Denne type proteinstruktur kaldes kvartær struktur, hvilket fremstiller et protein af flere kæder med forskellige molekylære interaktioner. Dette giver et proteinkompleks.
Beskriv strukturen af en hæmoglobinmolekyle
Når man først kan beskrive strukturen af et hæmoglobinmolekyle, er det lettere at forstå, hvordan hæmoglobins struktur og funktion er forbundet. Hemoglobin svarer strukturelt til myoglobin, der bruges til at opbevare ilt i muskler. Imidlertid adskiller hemoglobins kvartære struktur det.
Den kvartære struktur af et hæmoglobinmolekyle inkluderer fire tertiære struktur-proteinkæder, hvoraf to er alfa-helixer, og hvoraf to er beta-plisserede ark.
Hver alfa-helix eller beta-plisseret ark er hver en sekundær polypeptidstruktur fremstillet af aminosyrekæder. Aminosyrerne er til gengæld den primære struktur af hæmoglobin.
De fire sekundære strukturkæder indeholder et jernatom indeholdt i det, der kaldes a heme gruppe, en ringformet molekylstruktur. Når pattedyr indånder ilt, binder det sig til jernet i hemmegruppen. Der er fire hemmesteder, hvor ilt kan binde til i hæmoglobin. Molekylet holdes sammen af dets hus i en rød blodlegeme. Uden dette sikkerhedsnet ville hæmoglobin let komme fra hinanden.
Oxygen's binding til et heme initierer strukturelle ændringer i proteinet, hvilket også får de tilstødende polypeptidsubenheder til at ændre sig. Det første ilt er det mest udfordrende at binde, men de tre yderligere oxygener er derefter i stand til at binde hurtigt.
Den strukturelle form ændres på grund af iltbinding til jernatom i hemmegruppen. Dette skifter aminosyren histidin, som igen ændrer alfa-helixen. Ændringerne fortsætter gennem de andre hæmoglobin-underenheder.
Oxygen indåndes og binder sig til hæmoglobin i blodet via lungerne. Hemoglobin bærer det ilt i blodbanen og leverer ilt til det, hvor det er nødvendigt. Når kuldioxid stiger i kroppen og iltniveauet falder, frigives ilt, og hæmoglobins form ændres igen. Til sidst frigøres alle fire iltmolekyler.
Funktioner af en Hemoglobin Molecule
Hemoglobin fører ikke kun ilt gennem blodbanen, det binder også med andre molekyler. Nitrogenoxid kan binde til cystein i hæmoglobin såvel som til hemmegrupper. At nitrogenoxid frigiver blodkarvægge og sænker blodtrykket.
Desværre kan kulilte også binde til hæmoglobin i en perniciously stabil konfiguration, hvilket blokerer for ilt og fører til kvælning af celler. Kulmonoxid gør dette hurtigt, hvilket gør eksponering for det meget farligt, da det er en giftig, usynlig og lugtfri gas.
Hæmoglobiner findes ikke kun hos pattedyr. Der er endda en type hæmoglobin i bælgplanter, kaldet benhemoglobin. Forskere mener, at dette hjælper bakterier med at fikse nitrogen ved bælgplanter. Det bærer passerende lighed med humant hæmoglobin, hovedsageligt på grund af dets jernbindende histidinaminosyre.
Hvordan ændret hæmoglobinstruktur påvirker funktion
Som nævnt ovenfor ændrer hæmoglobins struktur i tilstedeværelsen af ilt. Hos en sund person er det normalt at have nogle individuelle forskelle i hæmoglobins primære struktur af aminosyrekonfigurationer. Genetiske variationer i populationer afslører sig selv, når der er problemer med hæmoglobinstruktur.
I sigdcelleanæmi, fører en mutation i aminosyresekvensen til en sammenklumpning af deoxygenerede hæmoglobiner. Dette ændrer formen på røde blodlegemer, indtil de ligner en segl eller halvmåneform.
Denne genetiske variation kan vise sig at være skadelig. Røde blodlegemer fra sigdeceller er sårbare for skader og hæmoglobintab. Dette resulterer igen i anæmi eller lavt jern. Personer med seglcellehemoglobiner har en fordel i områder, der er tilbøjelige til malaria.
Ved thalassæmi produceres alfa-helikser og beta-plisserede ark ikke på samme måde, hvilket påvirker hæmoglobin negativt.
Hemoglobin og fremtidige medicinske behandlinger
På grund af udfordringer med opbevaring af blod og matchende blodtyper søger forskere en måde at fremstille kunstigt blod på. Arbejdet fortsætter med at skabe nye hæmoglobintyper, såsom en med to glycinrester, der holder den bundet sammen i opløsning, snarere end at adskilles i fravær af en beskyttende røde blodlegemer.
At kende de fire niveauer af proteinstruktur i hæmoglobin hjælper forskere med at finde ud af måder til bedre at forstå dens funktion. Dette kan igen føre til en ny målretning af lægemidler og anden medicinsk behandling i fremtiden.