Kuidas näitab hemoglobiin valgu struktuuri nelja taset?

Imetajad hingavad hapnikku õhust läbi kopsude. Hapnik vajab mitmesuguste bioloogiliste protsesside jaoks viisi, kuidas viia kopsudest ülejäänud kehasse. See juhtub vere, täpsemalt punaste vereliblede valgu hemoglobiini kaudu. Hemoglobiin täidab seda funktsiooni tänu oma neljale valgu struktuuri tasemele: hemoglobiini esmane struktuur, sekundaarne struktuur ning tertsiaarne ja kvaternaarne struktuur.

TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)

Hemoglobiin on punaste vereliblede valk, mis annab sellele punase värvi. Hemoglobiin täidab ka hädavajalikku hapniku kohaletoimetamise ülesannet kogu kehas ja teeb seda, kasutades oma nelja valgu struktuuri.

Hemoglobiin on suur valgumolekul, mida leidub punastes verelibledes. Tegelikult on hemoglobiin aine, mis annab verele punase tooni. Molekulibioloog Max Perutz avastas hemoglobiini 1959. aastal. Hemoglobiini erilise struktuuri määramiseks kasutas Perutz röntgenkristallograafiat. Lõpuks avastab ta ka selle hapnikuvaba vormi kristallstruktuuri ning teiste oluliste valkude struktuuri.

Hemoglobiin on triljonite keharakkude hapniku kandemolekul, mis on vajalik inimeste ja teiste imetajate eluks. See transpordib nii hapnikku kui ka süsinikdioksiidi.

See funktsioon tekib hemoglobiini ainulaadse kuju tõttu, mis on kerajas ja koosneb neljast rauarühma ümbritsevast valgu alaühikust. Hemoglobiini kuju muutub, et muuta see hapniku kandmise tõhusamaks. Hemoglobiini molekuli struktuuri kirjeldamiseks tuleb mõista valkude paigutamise viisi.

Valk on suur molekul, mis on valmistatud väiksemate molekulide ahelast, mida nimetatakse aminohapped. Kõigil valkudel on oma koostise tõttu lõplik struktuur. Eksisteerib kakskümmend aminohapet ja kui nad omavahel kokku liinuvad, moodustavad nad ainulaadseid valke sõltuvalt nende järjestusest ahelas.

Aminohapped koosnevad aminorühmast, süsinikust, karboksüülhappe rühmast ja kinnitatud külgahelast või R-rühmast, mis muudab selle ainulaadseks. See R-rühm aitab kindlaks teha, kas aminohape on hüdrofoobne, hüdrofiilne, positiivselt laetud, negatiivselt laetud või disulfiidsidemetega tsüsteiin.

Kui aminohapped ühinevad, moodustavad nad peptiidsideme ja moodustavad a polüpeptiidi struktuur. See toimub kondenseerumisreaktsiooni kaudu, mille tulemuseks on veemolekul. Kui aminohapped muudavad polüpeptiidstruktuuri kindlas järjekorras, moodustab see järjestus a esmane valgu struktuur.

Kuid polüpeptiidid ei jää sirgjooneliseks, vaid pigem painduvad ja klappivad, moodustades kolmemõõtmelise kuju, mis võib välja näha kas spiraalina ( alfa-heeliks) või mingi akordioni kuju (a beetavolditud leht). Need polüpeptiidstruktuurid moodustavad a sekundaarne valgu struktuur. Neid hoitakse koos vesiniksidemete kaudu.

Tertsiaarvalgu struktuur kirjeldab funktsionaalse valgu lõplikku vormi, mis koosneb selle sekundaarsetest struktuuri komponentidest. Tertsiaarsel struktuuril on aminohapete, alfa-heeliksite ja beeta-volditud lehtede spetsiifilised tellimused, mis kõik volditakse stabiilsesse tertsiaarsesse struktuuri. Tertsiaarsed struktuurid moodustuvad sageli nende keskkonna suhtes, hüdrofoobsete osadega valgu siseküljel ja hüdrofiilsete osadega välisküljel (nagu tsütoplasmas).

Kuigi kõigil valkudel on need kolm struktuuri, koosnevad mõned mitmest aminohappeahelast. Seda tüüpi valkude struktuuri nimetatakse kvaternaarne struktuur, saades mitmest ahelast koosneva valgu, millel on erinev molekulaarne interaktsioon. Nii saadakse valgukompleks.

Kui on võimalik kirjeldada hemoglobiini molekuli struktuuri, on lihtsam mõista, kuidas hemoglobiini struktuur ja funktsioon on omavahel seotud. Hemoglobiin on struktuurilt sarnane müoglobiiniga, mida kasutatakse hapniku ladustamiseks lihastes. Kuid hemoglobiini kvaternaarne struktuur eristab seda.

Hemoglobiini molekuli kvaternaarne struktuur sisaldab nelja tertsiaarse struktuuriga valguahelat, mis kõik on alfa-heeliksid.

Iga alfa-spiraal on eraldi aminohappeahelatest koosnev sekundaarne polüpeptiidstruktuur. Aminohapped on omakorda hemoglobiini peamine struktuur.

Neli sekundaarset struktuuri ahelat sisaldavad raua aatomit, mis on paigutatud nn heemi rühm, rõngakujuline molekulaarne struktuur. Kui imetajad hingavad hapnikku, seondub see heemirühmas oleva rauaga. Hemoglobiinis on hapniku sidumiseks neli heemi saiti. Molekuli hoiab koos punaste vereliblede korpus. Ilma selle turvavõrguta laguneks hemoglobiin kergesti.

Hapniku seondumine heemiga algatab valgus struktuurimuutusi, mis põhjustab ka naaberpolüpeptiidi alaühikute muutumist. Esimene hapnik on kõige keerulisem sidumiseks, kuid kolm täiendavat hapnikku on seejärel võimelised kiiresti siduma.

Struktuurne kuju muutub hapniku sidumisel heemirühma rauaatomiga. See nihutab aminohapet histidiini, mis omakorda muudab alfa-heeliksi. Muudatused jätkuvad teiste hemoglobiini alaühikute kaudu.

Hapnik hingatakse sisse ja seondub kopsude kaudu veres oleva hemoglobiiniga. Hemoglobiin kannab seda hapnikku vereringes, viies hapnikku sinna, kuhu seda vaja on. Kui süsinikdioksiid suureneb kehas ja hapniku tase väheneb, vabaneb hapnik ja hemoglobiini kuju muutub uuesti. Lõpuks vabanevad kõik neli hapniku molekuli.

Hemoglobiin kannab hapnikku mitte ainult läbi vereringe, see seondub ka teiste molekulidega. Lämmastikoksiid võib seonduda nii hemoglobiini tsüsteiiniga kui ka heemirühmadega. See lämmastikoksiid vabastab veresoonte seinad ja alandab vererõhku.

Kahjuks võib süsinikmonooksiid seonduda ka hemoglobiiniga kahjulikult stabiilses konfiguratsioonis, blokeerides hapniku ja põhjustades rakkude lämbumist. Süsinikmonooksiid teeb seda kiiresti, muutes sellega kokkupuute väga ohtlikuks, kuna see on mürgine, nähtamatu ja lõhnatu gaas.

Hemoglobiine ei leidu ainult imetajatel. Kaunviljades leidub isegi teatud tüüpi hemoglobiini, mida nimetatakse leghemoglobiiniks. Teadlaste arvates aitab see bakteritel kaunviljade juurtes lämmastikku siduda. See kannab mööduvat sarnasust inimese hemoglobiiniga, peamiselt rauda siduva histidiini aminohappe tõttu.

Nagu eespool mainitud, muutub hemoglobiini struktuur hapniku olemasolul. Tervel inimesel on normaalne, et aminohapete konfiguratsioonide hemoglobiini esmases struktuuris on mõningaid individuaalseid erinevusi. Geneetilised variatsioonid populatsioonides avalduvad, kui on probleeme hemoglobiini struktuuriga.

Sisse sirprakuline aneemia, põhjustab aminohapete järjestuse mutatsioon hapnikuvaene hemoglobiinide kokkukleepumise. See muudab punaste vereliblede kuju, kuni need sarnanevad sirbi või poolkuu kujuga.

See geneetiline variatsioon võib osutuda kahjulikuks. Sirprakkude punased verelibled on kahjustuste ja hemoglobiini kadu suhtes tundlikud. Selle tulemuseks on omakorda aneemia ehk madal rauasisaldus. Sirprakuliste hemoglobiinidega inimestel on malaariale kalduvates piirkondades eelis.

Talasseemia korral ei teki alfa heeliksid samal viisil, mõjutades negatiivselt hemoglobiini.

Vere säilitamise ja veregruppide sobitamise probleemide tõttu otsivad teadlased viisi, kuidas teha kunstverd. Töö jätkub valmistamisega uued hemoglobiinitüübidnagu näiteks kahe glütsiini jäägiga, mis hoiavad seda lahuses seotuna, selle asemel, et eralduda kaitsva punaliblede puudumisel.

Hemoglobiini valgu struktuuri nelja taseme tundmine aitab teadlastel leida võimalusi selle funktsiooni paremaks mõistmiseks. See võib omakorda viia tulevikus ravimite ja muude meditsiiniliste ravimite uudse sihtimiseni.