Jak hemoglobin ukazuje čtyři úrovně struktury bílkovin?

Savci vdechují kyslík ze vzduchu svými plícemi. Kyslík je třeba přenášet z plic do zbytku těla pro různé biologické procesy. To se děje krví, konkrétně proteinem hemoglobinem, který se nachází v červených krvinkách. Hemoglobin plní tuto funkci díky svým čtyřem úrovním proteinové struktury: primární struktuře hemoglobinu, sekundární struktuře a terciárním a kvartérním strukturám.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Hemoglobin je bílkovina v červených krvinkách, která mu dodává červenou barvu. Hemoglobin také plní základní úkol bezpečného dodávání kyslíku do celého těla, a to pomocí čtyř úrovní proteinové struktury.

Hemoglobin je velká molekula proteinu nacházející se v červených krvinkách. Ve skutečnosti je hemoglobin látkou, která propůjčuje krvi její červený odstín. Molekulární biolog Max Perutz objevil hemoglobin v roce 1959. Perutz použil rentgenovou krystalografii ke stanovení speciální struktury hemoglobinu. Také by nakonec objevil krystalovou strukturu jeho deoxygenované formy a struktury dalších důležitých proteinů.

Hemoglobin je nosná molekula kyslíku k bilionům buněk v těle, která je nezbytná pro život lidí a dalších savců. Přenáší kyslík i oxid uhličitý.

K této funkci dochází díky jedinečnému tvaru hemoglobinu, který je kulovitý a je tvořen čtyřmi podjednotkami proteinů obklopujících skupinu železa. Hemoglobin prochází změnami svého tvaru, aby mu pomohla zefektivnit funkci přenosu kyslíku. Při popisu struktury molekuly hemoglobinu je třeba porozumět způsobu, jakým jsou uspořádány proteiny.

Protein je velká molekula vyrobená z řetězce menších molekul zvaných aminokyseliny. Všechny proteiny mají díky svému složení definitivní strukturu. Existuje dvacet aminokyselin, a když se spojí, vytvoří jedinečné proteiny v závislosti na jejich sekvenci v řetězci.

Aminokyseliny se skládají z aminoskupiny, uhlíku, skupiny karboxylové kyseliny a připojeného postranního řetězce nebo R-skupiny, což je činí jedinečnými. Tato skupina R pomáhá určit, zda bude aminokyselina hydrofobní, hydrofilní, kladně nabitá, záporně nabitá nebo cysteinová s disulfidovými vazbami.

Když se aminokyseliny spojí, vytvoří peptidovou vazbu a vytvoří struktura polypeptidů. K tomu dochází kondenzační reakcí, která vede k molekule vody. Jakmile aminokyseliny vytvoří strukturu polypeptidu ve specifickém pořadí, tato sekvence tvoří a primární proteinová struktura.

Polypeptidy však nezůstávají v přímce, ale spíše se ohýbají a skládají, aby vytvořily trojrozměrný tvar, který může vypadat jako spirála ( alfa šroubovice) nebo jakýsi tvar akordeonu (a skládaný list beta). Tyto polypeptidové struktury tvoří a sekundární proteinová struktura. Ty jsou drženy pohromadě pomocí vodíkových vazeb.

Struktura terciárního proteinu popisuje konečnou formu funkčního proteinu složeného z jeho složek sekundární struktury. Terciární struktura bude mít specifické pořadí pro své aminokyseliny, alfa helixy a beta skládané listy, které všechny budou složeny do stabilní terciární struktury. Terciární struktury se často tvoří ve vztahu k jejich prostředí, například s hydrofobními částmi uvnitř proteinu a hydrofilními částmi na vnější straně (jako v cytoplazmě).

Zatímco všechny proteiny mají tyto tři struktury, některé se skládají z více aminokyselinových řetězců. Tento typ proteinové struktury se nazývá kvartérní struktura, čímž se vytvoří protein z více řetězců s různými molekulárními interakcemi. Tak se získá proteinový komplex.

Jakmile lze popsat strukturu molekuly hemoglobinu, je snazší pochopit, jak struktura a funkce hemoglobinu souvisí. Hemoglobin je strukturálně podobný myoglobinu, který se používá k ukládání kyslíku ve svalech. Kvartérní struktura hemoglobinu ji však odlišuje.

Kvartérní struktura molekuly hemoglobinu zahrnuje čtyři proteinové řetězce terciární struktury, které jsou všechny alfa helixy.

Každá alfa spirála je individuálně sekundární polypeptidová struktura vytvořená z aminokyselinových řetězců. Aminokyseliny jsou zase primární strukturou hemoglobinu.

Čtyři řetězce sekundární struktury obsahují atom železa obsažený v tzv. A heme skupina, prstencová molekulární struktura. Když savci dýchají kyslík, váže se na železo ve skupině hemu. Existují čtyři hemová místa, na která se kyslík váže v hemoglobinu. Molekula je držena pohromadě svým pouzdrem červené krvinky. Bez této ochranné sítě by se hemoglobin snadno rozpadl.

Vazba kyslíku na hem iniciuje strukturální změny v proteinu, což způsobí také změnu sousedních polypeptidových podjednotek. První kyslík je nejnáročnější pro vazbu, ale další tři kyslíky jsou pak schopné rychle se vázat.

Strukturální tvar se mění v důsledku vazby kyslíku na atom železa ve skupině hemu. To posune aminokyselinu histidin, která zase změní alfa šroubovici. Změny pokračují prostřednictvím dalších podjednotek hemoglobinu.

Kyslík je vdechován a váže se na hemoglobin v krvi prostřednictvím plic. Hemoglobin nese tento kyslík v krevním řečišti a dodává kyslík všude tam, kde je potřeba. Jak se v těle zvyšuje oxid uhličitý a klesá hladina kyslíku, uvolňuje se kyslík a tvar hemoglobinu se znovu mění. Nakonec se uvolní všechny čtyři molekuly kyslíku.

Hemoglobin nejen přenáší kyslík krví, ale také se váže na další molekuly. Oxid dusnatý se může vázat na cystein v hemoglobinu i na hemové skupiny. Oxid dusnatý uvolňuje stěny cév a snižuje krevní tlak.

Oxid uhelnatý se bohužel může také vázat na hemoglobin v perniciálně stabilní konfiguraci, blokovat kyslík a vést k udušení buněk. Oxid uhelnatý to dělá rychle, takže jeho vystavení je velmi nebezpečné, protože se jedná o toxický, neviditelný plyn bez zápachu.

Hemoglobiny se nenacházejí pouze u savců. V luštěninách dokonce existuje druh hemoglobinu, který se nazývá leghemoglobin. Vědci si myslí, že to pomáhá bakteriím fixovat dusík v kořenech luštěnin. Nese podobnou podobu s lidským hemoglobinem, zejména kvůli své histidinové aminokyselině vázající železo.

Jak bylo uvedeno výše, struktura hemoglobinu se za přítomnosti kyslíku mění. U zdravého člověka je normální mít určité individuální rozdíly v primární struktuře konfigurací aminokyselin hemoglobinu. Genetické variace v populacích se projeví, když nastanou problémy se strukturou hemoglobinu.

v srpkovitá anémiemutace v aminokyselinové sekvenci vede ke shlukování deoxygenovaných hemoglobinů. To mění tvar červených krvinek, dokud se podobají srpkovitému nebo srpkovitému tvaru.

Tato genetická variace se může ukázat jako škodlivá. Srpkovité červené krvinky jsou citlivé na poškození a ztrátu hemoglobinu. To zase vede k anémii nebo nedostatku železa. Jedinci se srpkovitými hemoglobiny mají výhodu v oblastech náchylných k malárii.

U talasémie nejsou alfa šroubovice produkovány stejným způsobem, což negativně ovlivňuje hemoglobin.

Kvůli problémům při skladování krve a shodě krevních skupin hledají vědci způsob, jak vyrobit umělou krev. Práce pokračují v tvorbě nové typy hemoglobinu, jako je například jeden se dvěma glycinovými zbytky, které ho udržují navázané v roztoku, místo aby se rozpadl v nepřítomnosti ochranné červené krvinky.

Znalost čtyř úrovní proteinové struktury v hemoglobinu pomáhá vědcům přijít na způsoby, jak lépe porozumět jeho funkci. To by zase mohlo v budoucnu vést k novému zacílení na farmaceutika a další lékařské ošetření.