Πώς δείχνει η αιμοσφαιρίνη τα τέσσερα επίπεδα δομής πρωτεϊνών;

Τα θηλαστικά εισπνέουν οξυγόνο από τον αέρα μέσω των πνευμόνων τους. Το οξυγόνο χρειάζεται έναν τρόπο μεταφοράς από τους πνεύμονες στο υπόλοιπο σώμα για διάφορες βιολογικές διαδικασίες. Αυτό συμβαίνει μέσω του αίματος, συγκεκριμένα της πρωτεΐνης αιμοσφαιρίνης, που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια. Η αιμοσφαιρίνη εκτελεί αυτή τη λειτουργία λόγω των τεσσάρων επιπέδων της πρωτεϊνικής δομής της: της πρωτογενούς δομής της αιμοσφαιρίνης, της δευτερεύουσας δομής και των τριτοταγών και τεταρτοταγών δομών.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Η αιμοσφαιρίνη είναι η πρωτεΐνη στα ερυθρά αιμοσφαίρια που της δίνει κόκκινο χρώμα. Η αιμοσφαιρίνη εκτελεί επίσης το βασικό καθήκον της ασφαλούς παροχής οξυγόνου σε όλο το σώμα και το κάνει χρησιμοποιώντας τα τέσσερα επίπεδα δομής πρωτεϊνών.

Αιμοσφαιρίνη είναι ένα μεγάλο μόριο πρωτεΐνης που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια. Στην πραγματικότητα, η αιμοσφαιρίνη είναι η ουσία που προσδίδει στο αίμα την κόκκινη απόχρωση. Ο μοριακός βιολόγος Max Perutz ανακάλυψε την αιμοσφαιρίνη το 1959. Ο Perutz χρησιμοποίησε κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ για τον προσδιορισμό της ειδικής δομής της αιμοσφαιρίνης. Θα ανακαλύψει επίσης τελικά την κρυσταλλική δομή της αποοξυγονωμένης μορφής του, καθώς και τις δομές άλλων σημαντικών πρωτεϊνών.

Η αιμοσφαιρίνη είναι το μόριο φορέα του οξυγόνου στα τρισεκατομμύρια κύτταρα του σώματος, που απαιτείται για να ζήσουν άνθρωποι και άλλα θηλαστικά. Μεταφέρει τόσο οξυγόνο όσο και διοξείδιο του άνθρακα.

Αυτή η λειτουργία συμβαίνει λόγω του μοναδικού σχήματος της αιμοσφαιρίνης, το οποίο είναι σφαιρικό και αποτελείται από τέσσερις υπομονάδες πρωτεϊνών που περιβάλλουν μια ομάδα σιδήρου. Η αιμοσφαιρίνη υφίσταται αλλαγές στο σχήμα της για να την καταστήσει πιο αποτελεσματική στη λειτουργία της μεταφοράς οξυγόνου. Για να περιγράψουμε τη δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης, πρέπει να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο τακτοποιούνται οι πρωτεΐνες.

Μια πρωτεΐνη είναι ένα μεγάλο μόριο φτιαγμένο από μια αλυσίδα μικρότερων μορίων που ονομάζεται αμινοξέα. Όλες οι πρωτεΐνες έχουν μια οριστική δομή λόγω της σύνθεσής τους. Υπάρχουν είκοσι αμινοξέα και όταν συνδέονται μεταξύ τους, δημιουργούν μοναδικές πρωτεΐνες ανάλογα με την αλληλουχία τους στην αλυσίδα.

Τα αμινοξέα αποτελούνται από μια αμινομάδα, έναν άνθρακα, μια ομάδα καρβοξυλικού οξέος και μια συνδεδεμένη πλευρική αλυσίδα ή ομάδα R που την καθιστά μοναδική. Αυτή η ομάδα R βοηθά στον προσδιορισμό του κατά πόσον ένα αμινοξύ θα είναι υδρόφοβο, υδρόφιλο, θετικά φορτισμένο, αρνητικά φορτισμένο ή κυστεΐνη με δισουλφιδικούς δεσμούς.

Όταν τα αμινοξέα ενώνονται, σχηματίζουν έναν πεπτιδικό δεσμό και δημιουργούν ένα δομή πολυπεπτιδίου. Αυτό συμβαίνει μέσω αντίδρασης συμπύκνωσης, με αποτέλεσμα ένα μόριο νερού. Μόλις τα αμινοξέα σχηματίσουν μια δομή πολυπεπτιδίου σε μια συγκεκριμένη σειρά, αυτή η αλληλουχία αποτελεί ένα πρωταρχική δομή πρωτεΐνης.

Ωστόσο, τα πολυπεπτίδια δεν παραμένουν σε ευθεία γραμμή, αλλά κάμπτονται και διπλώνουν για να σχηματίσουν ένα τρισδιάστατο σχήμα που μπορεί είτε να μοιάζει με σπείρα (ένα άλφα έλικα) ή ένα είδος σχήματος ακορντεόν (α βήτα πτυχωτό φύλλο). Αυτές οι πολυπεπτιδικές δομές αποτελούν ένα δευτερογενής δομή πρωτεϊνών. Αυτά συγκρατούνται μαζί μέσω δεσμών υδρογόνου.

Τριτογενής πρωτεϊνική δομή περιγράφει μια τελική μορφή μιας λειτουργικής πρωτεΐνης που αποτελείται από τα συστατικά της δευτερεύουσας δομής. Η τριτογενής δομή θα έχει συγκεκριμένες παραγγελίες για τα αμινοξέα, τις άλφα έλικες και τα βήτα πτυχωτά φύλλα, τα οποία θα διπλωθούν στη σταθερή τριτογενή δομή. Οι τριτογενείς δομές συχνά σχηματίζονται σε σχέση με το περιβάλλον τους, με υδρόφοβα τμήματα στο εσωτερικό μιας πρωτεΐνης και υδρόφιλα στο εξωτερικό (όπως στο κυτταρόπλασμα), για παράδειγμα.

Ενώ όλες οι πρωτεΐνες διαθέτουν αυτές τις τρεις δομές, μερικές αποτελούνται από πολλαπλές αλυσίδες αμινοξέων. Αυτός ο τύπος πρωτεϊνικής δομής ονομάζεται τεταρτοταγή δομή, κάνοντας μια πρωτεΐνη πολλαπλών αλυσίδων με διάφορες μοριακές αλληλεπιδράσεις. Αυτό αποδίδει ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο.

Μόλις κάποιος μπορεί να περιγράψει τη δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης, είναι ευκολότερο να κατανοήσουμε πώς σχετίζονται η δομή και η λειτουργία της αιμοσφαιρίνης. Η αιμοσφαιρίνη είναι δομικά παρόμοια με τη μυοσφαιρίνη, που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση οξυγόνου στους μυς. Ωστόσο, η τεταρτογενής δομή της αιμοσφαιρίνης το ξεχωρίζει.

Η τεταρτοταγής δομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης περιλαμβάνει τέσσερις αλυσίδες πρωτεΐνης τριτοταγούς δομής, οι οποίες είναι όλες άλφα έλικες.

Μεμονωμένα, κάθε άλφα έλικα είναι μια δευτερεύουσα πολυπεπτιδική δομή κατασκευασμένη από αλυσίδες αμινοξέων. Τα αμινοξέα με τη σειρά τους είναι η κύρια δομή της αιμοσφαιρίνης.

Οι τέσσερις αλυσίδες δευτερεύουσας δομής περιέχουν ένα άτομο σιδήρου που στεγάζεται σε αυτό που ονομάζεται α ομάδα αίματος, μοριακή δομή σε σχήμα δακτυλίου. Όταν τα θηλαστικά αναπνέουν οξυγόνο, συνδέεται με το σίδηρο στην ομάδα αίμης. Υπάρχουν τέσσερις θέσεις αίμης για την πρόσδεση οξυγόνου στην αιμοσφαιρίνη. Το μόριο συγκρατείται μαζί από το περίβλημα ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου. Χωρίς αυτό το δίχτυ ασφαλείας, η αιμοσφαιρίνη θα μπορούσε να διαχωριστεί εύκολα.

Η δέσμευση του οξυγόνου σε ένα αίμα προκαλεί δομικές αλλαγές στην πρωτεΐνη, γεγονός που προκαλεί την αλλαγή των γειτονικών πολυπεπτιδικών υπομονάδων. Το πρώτο οξυγόνο είναι το πιο δύσκολο να συνδεθεί, αλλά τα τρία επιπλέον οξυγόνα μπορούν τότε να συνδεθούν γρήγορα.

Το δομικό σχήμα αλλάζει λόγω της πρόσδεσης οξυγόνου στο άτομο σιδήρου στην ομάδα αίμης. Αυτό μετατοπίζει το αμινοξύ ιστιδίνη, το οποίο με τη σειρά του αλλάζει την άλφα έλικα. Οι αλλαγές συνεχίζονται μέσω των άλλων υπομονάδων αιμοσφαιρίνης.

Το οξυγόνο εισπνέεται και συνδέεται με την αιμοσφαιρίνη στο αίμα μέσω των πνευμόνων. Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει αυτό το οξυγόνο στην κυκλοφορία του αίματος, παρέχοντας οξυγόνο όπου χρειάζεται. Καθώς το διοξείδιο του άνθρακα αυξάνεται στο σώμα και το επίπεδο οξυγόνου μειώνεται, το οξυγόνο απελευθερώνεται και το σχήμα της αιμοσφαιρίνης αλλάζει ξανά. Τελικά απελευθερώνονται και τα τέσσερα μόρια οξυγόνου.

Η αιμοσφαιρίνη όχι μόνο μεταφέρει οξυγόνο μέσω της κυκλοφορίας του αίματος, αλλά δεσμεύεται και με άλλα μόρια. Το μονοξείδιο του αζώτου μπορεί να συνδεθεί με την κυστεΐνη στην αιμοσφαιρίνη καθώς και σε ομάδες αίματος. Αυτό το οξείδιο του αζώτου απελευθερώνει τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων και μειώνει την αρτηριακή πίεση.

Δυστυχώς, το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί επίσης να συνδεθεί με την αιμοσφαιρίνη σε μια ολέθρια σταθερή διαμόρφωση, αποκλείοντας το οξυγόνο και οδηγώντας σε ασφυξία των κυττάρων. Το μονοξείδιο του άνθρακα το κάνει γρήγορα, κάνοντας την έκθεση σε αυτό πολύ επικίνδυνο, καθώς είναι ένα τοξικό, αόρατο και άοσμο αέριο.

Οι αιμοσφαιρίνες δεν βρίσκονται μόνο στα θηλαστικά. Υπάρχει ακόμη και ένας τύπος αιμοσφαιρίνης στα όσπρια, που ονομάζεται λεγεμοσφαιρίνη. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό βοηθά τα βακτήρια να στερεώσουν το άζωτο στις ρίζες των οσπρίων. Έχει ομοιότητα με την ανθρώπινη αιμοσφαιρίνη, κυρίως λόγω του αμινοξέος της ιστιδίνης που δεσμεύει τον σίδηρο.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η δομή της αιμοσφαιρίνης αλλάζει παρουσία οξυγόνου. Σε ένα υγιές άτομο, είναι φυσιολογικό να υπάρχουν κάποιες μεμονωμένες διαφορές στην κύρια δομή των διαμορφώσεων αμινοξέων της αιμοσφαιρίνης. Οι γενετικές μεταβολές στους πληθυσμούς αποκαλύπτονται όταν υπάρχουν προβλήματα με τη δομή της αιμοσφαιρίνης.

Σε δρεπανοκυτταρική αναιμία, μια μετάλλαξη στην αλληλουχία αμινοξέων οδηγεί σε συσσώρευση αποοξυγονωμένων αιμοσφαιρινών. Αυτό αλλάζει το σχήμα των ερυθρών αιμοσφαιρίων έως ότου μοιάζει με δρεπάνι ή μισοφέγγαρο.

Αυτή η γενετική παραλλαγή μπορεί να αποδειχθεί επιβλαβής. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια των δρεπανοκυττάρων είναι ευάλωτα σε βλάβες και απώλεια αιμοσφαιρίνης. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε αναιμία ή χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο. Τα άτομα με δρεπανοκυτταρικές αιμοσφαιρίνες έχουν πλεονέκτημα σε περιοχές επιρρεπείς στην ελονοσία.

Στη θαλασσαιμία, οι άλφα έλικες δεν παράγονται με τον ίδιο τρόπο, επηρεάζοντας αρνητικά την αιμοσφαιρίνη.

Λόγω των προκλήσεων στην αποθήκευση του αίματος και στην αντιστοίχιση των τύπων αίματος, οι ερευνητές αναζητούν έναν τρόπο με τον οποίο μπορούν να κάνουν τεχνητό αίμα. Οι εργασίες συνεχίζονται στην κατασκευή νέοι τύποι αιμοσφαιρίνης, όπως ένα με δύο υπολείμματα γλυκίνης που το διατηρούν ενωμένο σε διάλυμα, αντί να διασπώνται απουσία προστατευτικού ερυθρού αιμοσφαιρίου.

Η γνώση των τεσσάρων επιπέδων πρωτεϊνικής δομής στην αιμοσφαιρίνη βοηθά τους επιστήμονες να βρουν τρόπους να κατανοήσουν καλύτερα τη λειτουργία του. Με τη σειρά του, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα στόχευση φαρμακευτικών προϊόντων και άλλων ιατρικών θεραπειών στο μέλλον.