Hvordan viser hæmoglobin de fire proteinniveauer?

Pattedyr indånder ilt fra luft gennem lungerne. Oxygenet har brug for en måde, der kan transporteres fra lungerne til resten af ​​kroppen til forskellige biologiske processer. Dette sker via blodet, specifikt proteinet hæmoglobin, der findes i røde blodlegemer. Hæmoglobin udfører denne funktion på grund af dets fire niveauer af proteinstruktur: den primære struktur af hæmoglobin, den sekundære struktur og de tertiære og kvaternære strukturer.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

Hæmoglobin er proteinet i røde blodlegemer, der giver det en rød farve. Hæmoglobin udfører også den væsentlige opgave med sikker iltlevering i hele kroppen, og det gør det ved at bruge dets fire niveauer af proteinstruktur.

Hæmoglobin er et stort proteinmolekyle, der findes i røde blodlegemer. Faktisk er hæmoglobin det stof, der giver blod sin røde nuance. Molekylærbiolog Max Perutz opdagede hæmoglobin i 1959. Perutz brugte røntgenkrystallografi til at bestemme den specielle struktur af hæmoglobin. Han ville også til sidst opdage krystalstrukturen i dens deoxygenerede form såvel som strukturer af andre vigtige proteiner.

Hæmoglobin er bærermolekylet af ilt til billioner af celler i kroppen, der kræves for at mennesker og andre pattedyr skal leve. Det transporterer både ilt og kuldioxid.

Denne funktion opstår på grund af hæmoglobins unikke form, som er kugleformet og lavet af fire underenheder af proteiner, der omgiver en jerngruppe. Hæmoglobin gennemgår ændringer i sin form for 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.

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. Tyve aminosyrer findes, og når de binder sammen, danner de unikke proteiner afhængigt af deres sekvens i kæden.

Aminosyrer består af en aminogruppe, et carbon, en carboxylsyregruppe og en fastgjort 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.

Når aminosyrer forbinder hinanden, danner de en peptidbinding og danner en polypeptidstruktur. Dette sker via en kondensationsreaktion, hvilket resulterer i et vandmolekyle. Når aminosyrer først har dannet 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 alpha helix) eller en slags harmonikaform (a beta-plisseret ark). Disse polypeptidstrukturer udgør en sekundær proteinstruktur. Disse holdes sammen via hydrogenbindinger.

Tertiær proteinstruktur beskriver en endelig form for et funktionelt protein bestående af dets sekundære strukturkomponenter. Den tertiære struktur vil have specifikke ordrer til dens aminosyrer, alpha helices og beta-plisserede ark, som alle vil blive foldet ind i den stabile tertiære struktur. Tertiære strukturer dannes ofte i forhold til deres miljø med f.eks. Hydrofobe dele på det indre af et protein og hydrofile på det ydre (som i cytoplasma).

Mens alle proteiner har disse tre strukturer, består nogle af flere aminosyrekæder. Denne type proteinstruktur kaldes kvaternær struktur, fremstiller et protein af flere kæder med forskellige molekylære interaktioner. Dette giver et proteinkompleks.

Når man først kan beskrive strukturen i et hæmoglobinmolekyle, er det lettere at forstå, hvordan hæmoglobins struktur og funktion er relateret. Hæmoglobin ligner strukturelt myoglobin, der bruges til at lagre ilt i musklerne. Hæmoglobins kvaternære struktur adskiller det dog.

Den kvaternære struktur af et hæmoglobinmolekyle inkluderer fire tertiære struktur proteinkæder, som alle er alfa-helices.

Hver enkelt alfa-helix er en sekundær polypeptidstruktur lavet af aminosyrekæder. Aminosyrerne er igen den primære struktur af hæmoglobin.

De fire sekundære strukturkæder indeholder et jernatom indeholdt i det, der kaldes a heme gruppe, en ringformet molekylær struktur. Når pattedyr indånder ilt, binder det sig til jernet i hæmgruppen. Der er fire hæmesteder, hvor ilt kan bindes i hæmoglobin. Molekylet holdes sammen af ​​huset af en rød blodlegeme. Uden dette sikkerhedsnet ville hæmoglobin let komme fra hinanden.

Oxygenbinding til et hæm initierer strukturelle ændringer i proteinet, hvilket også medfører, at de nærliggende polypeptidsubenheder ændres. 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 jernatomet i hæmgruppen. Dette forskyder 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. Hæmoglobin bærer det ilt i blodbanen og leverer ilt til det sted, hvor det er nødvendigt. Da kuldioxid stiger i kroppen, og iltniveauet falder, frigives ilt, og hæmoglobins form ændres igen. Til sidst frigives alle fire iltmolekyler.

Hæmoglobin bærer ikke kun ilt gennem blodbanen, det binder også med andre molekyler. Nitrogenoxid kan binde til cystein i hæmoglobin såvel som til hæmgrupper. At nitrogenoxid frigiver blodkarvæggene og sænker blodtrykket.

Desværre kan kulilte også binde til hæmoglobin i en skadelig stabil konfiguration, hvilket blokerer ilt og fører til kvælning af celler. Kulilte gør dette hurtigt, hvilket gør eksponering for det meget farligt, da det er en giftig, usynlig og lugtfri gas.

Hæmoglobiner findes ikke kun i pattedyr. Der er endda en type hæmoglobin i bælgfrugter, kaldet leghemoglobin. Forskere mener, at dette hjælper bakterier med at fikse kvælstof ved bælgplanterne. Det ligner human hæmoglobin, hovedsagelig på grund af dets jernbindende histidinaminosyre.

Som nævnt ovenfor ændres hæmoglobins struktur i nærvær 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 seglcelleanæmi, en mutation i aminosyresekvensen fører til en sammenklumpning af deoxygenerede hæmoglobiner. Dette ændrer formen på røde blodlegemer, indtil de ligner en segl eller halvmåne.

Denne genetiske variation kan vise sig at være skadelig. Seglcelle røde blodlegemer er sårbare over for skader og hæmoglobin tab. Dette resulterer igen i anæmi eller lavt jernindhold. Personer med seglcellehæmoglobiner har en fordel i områder, der er tilbøjelige til malaria.

I thalassæmi produceres alpha helices ikke på samme måde, hvilket påvirker hæmoglobin negativt.

På grund af udfordringer i opbevaring af blod og matchende blodtyper søger forskere en måde at fremstille kunstigt blod på. Arbejdet fortsætter med at lave nye hæmoglobintyper, såsom en med to glycinrester, der holder den bundet sammen i opløsning snarere end at komme fra hinanden i fravær af en beskyttende rød blodlegeme.

At kende de fire niveauer af proteinstruktur i hæmoglobin hjælper forskere med at finde måder til bedre at forstå dets funktion. Dette kan igen føre til ny målretning mod lægemidler og andre medicinske behandlinger i fremtiden.