יונקים שואפים חמצן מהאוויר דרך ריאותיהם. החמצן זקוק לדרך להובלה מהריאות לשאר חלקי הגוף לתהליכים ביולוגיים שונים. זה קורה דרך הדם, במיוחד החלבון המוגלובין, שנמצא בתאי הדם האדומים. ההמוגלובין מבצע פונקציה זו בשל ארבע רמות מבנה החלבון: המבנה הראשוני של ההמוגלובין, המבנה המשני והמבנה השלישי והרביעי.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
המוגלובין הוא החלבון בתאי הדם האדומים המעניק לו צבע אדום. המוגלובין מבצע גם את המשימה החיונית של אספקת חמצן בטוחה בכל הגוף, והיא עושה זאת באמצעות ארבע רמות מבנה החלבון.
מהו המוגלובין?
הֵמוֹגלוֹבִּין היא מולקולת חלבון גדולה המצויה בתאי דם אדומים. למעשה, המוגלובין הוא החומר המעניק לדם את הגוון האדום שלו. הביולוג המולקולרי מקס פרוץ גילה את המוגלובין בשנת 1959. פרוץ השתמש בקריסטלוגרפיה של רנטגן כדי לקבוע את המבנה המיוחד של ההמוגלובין. בסופו של דבר הוא גם יגלה את מבנה הגביש של צורתו המופחתת של חמצן, כמו גם את המבנים של חלבונים חשובים אחרים.
המוגלובין הוא מולקולת המוביל של חמצן לטריליוני התאים בגוף, הנדרשת לאנשים ויונקים אחרים לחיות. הוא מעביר חמצן וגם פחמן דו חמצני.
פונקציה זו מתרחשת בגלל הצורה הייחודית של המוגלובין, שהיא כדורית ועשויה מארבע יחידות משנה של חלבונים המקיפים קבוצת ברזל. המוגלובין עובר שינויים בצורתו כדי לעזור לו להתייעל בתפקודו של נשיאת חמצן. כדי לתאר את המבנה של מולקולת המוגלובין, יש להבין את אופן סידור החלבונים.
סקירה כללית של מבנה החלבון
חלבון הוא מולקולה גדולה העשויה משרשרת של מולקולות קטנות יותר הנקראת חומצות אמינו. לכל החלבונים יש מבנה סופי בשל הרכבם. עשרים חומצות אמינו קיימות, וכאשר הן מתחברות יחד, הן מייצרות חלבונים ייחודיים בהתאם לרצף שלהם בשרשרת.
חומצות אמינו מורכבות מקבוצת אמינו, פחמן, קבוצת חומצות קרבוקסיליות ושרשרת צד צמודה או קבוצת R ההופכת אותה לייחודית. קבוצת R זו מסייעת לקבוע אם חומצת אמינו תהיה הידרופובית, הידרופילית, טעונה באופן חיובי, טעונה שלילית או ציסטאין עם קשרים דו-גופריים.
מבנה פוליפפטיד
כאשר חומצות אמינו מתחברות זו לזו, הן יוצרות קשר פפטיד ויוצרות a מבנה פוליפפטיד. זה קורה באמצעות תגובת עיבוי, וכתוצאה מכך מולקולת מים. ברגע שחומצות אמינו יוצרות מבנה פוליפפטיד בסדר מסוים, רצף זה מהווה a מבנה חלבון ראשוני.
עם זאת, פוליפפטידים אינם נשארים בקו ישר, אלא הם מתכופפים ומתקפלים כדי ליצור צורה תלת מימדית שיכולה להיראות כמו ספירלה ( סליל אלפא) או מעין צורת אקורדיון (א יריעת קפלים בטא). מבני פוליפפטיד אלה מהווים א מבנה חלבון משני. אלה מוחזקים יחד באמצעות קשרי מימן.
מבנה חלבון שלישוני ורבעוני
מבנה חלבון שלישוני מתאר צורה סופית של חלבון פונקציונלי המורכב ממרכיבי המבנה המשניים שלו. למבנה השלישוני יהיו סדרים ספציפיים לחומצות האמינו שלו, סלילי אלפא ויריעות קפלים בטא, כולם מקופלים למבנה השלישוני היציב. מבנים שלישוניים נוצרים לעיתים קרובות ביחס לסביבתם, עם חלקים הידרופוביים בחלקו הפנימי של חלבון וחלקים הידרופיליים מבחוץ (כמו בציטופלזמה), למשל.
אמנם כל החלבונים מחזיקים בשלושת המבנים הללו, אך חלקם מורכבים ממספר שרשראות חומצות אמינו. סוג זה של מבנה חלבון נקרא מבנה רביעי, יצירת חלבון ממספר שרשראות עם אינטראקציות מולקולריות שונות. זה מניב קומפלקס חלבונים.
תאר את המבנה של מולקולת המוגלובין
ברגע שאפשר לתאר את המבנה של מולקולת המוגלובין, קל יותר להבין איך קשורים המבנה והתפקוד של ההמוגלובין. המוגלובין דומה מבנית למיוגלובין, המשמש לאחסון חמצן בשרירים. עם זאת, המבנה הרביעי של ההמוגלובין מייחד אותו.
המבנה הרביעי של מולקולת המוגלובין כולל ארבע שרשראות חלבון בעלות מבנה שלישוני, שכולן סלילי אלפא.
באופן אינדיבידואלי, כל סליל אלפא הוא מבנה פוליפפטיד משני העשוי משרשראות חומצות אמינו. חומצות האמינו הן בתורן המבנה העיקרי של המוגלובין.
ארבע שרשראות המבנה המשניות מכילות אטום ברזל השוכן במה שמכונה a קבוצת heme, מבנה מולקולרי בצורת טבעת. כאשר יונקים נושמים פנימה חמצן, הוא נקשר לברזל בקבוצת ההם. ישנם ארבעה אתרי heme עבור חמצן להיקשר המוגלובין. המולקולה מוחזקת יחד על ידי ביתה של כדוריות דם אדומות. ללא רשת ביטחון זו, המוגלובין יתפרק בקלות.
קשירת החמצן להם יוצרת שינויים מבניים בחלבון, הגורמים לשינוי גם יחידות תת הפוליפפטיד הסמוכות. החמצן הראשון הוא המאתגר ביותר להיקשר, אך שלושת החמצן הנוספים מסוגלים להיקשר במהירות.
הצורה המבנית משתנה עקב קשירת חמצן לאטום הברזל בקבוצת ההם. זה מעביר את חומצת האמינו היסטידין, אשר בתורו משנה את סליל האלפא. השינויים נמשכים באמצעות יתר יחידות המוגלובין האחרות.
חמצן נושם פנימה ונקשר להמוגלובין בדם דרך הריאות. המוגלובין נושא את החמצן בזרם הדם, ומעביר חמצן לכל מקום בו הוא נחוץ. כאשר פחמן דו חמצני עולה בגוף ורמת החמצן יורדת, החמצן משתחרר וצורת ההמוגלובין משתנה שוב. בסופו של דבר כל ארבע מולקולות החמצן משתחררות.
פונקציות של מולקולת המוגלובין
המוגלובין לא רק מביא חמצן דרך זרם הדם, אלא גם נקשר עם מולקולות אחרות. תחמוצת החנקן יכולה להיקשר לציסטאין בהמוגלובין כמו גם לקבוצות המם. תחמוצת החנקן משחררת את דפנות כלי הדם ומורידה את לחץ הדם.
למרבה הצער, חד תחמוצת הפחמן יכול גם להיקשר להמוגלובין בתצורה יציבה בצורה מזיקה, ולחסום חמצן ולהוביל לחנק של תאים. פחמן חד חמצני עושה זאת במהירות, מה שהופך את החשיפה אליו למסוכנת מאוד, מכיוון שהוא גז רעיל, בלתי נראה וריח.
המוגלובינים נמצאים לא רק ביונקים. יש אפילו סוג של המוגלובין בקטניות, הנקרא לגמוגלובין. מדענים חושבים שזה עוזר לחיידקים לקבוע חנקן בשורשי הקטניות. יש לו דמיון חולף להמוגלובין האנושי, בעיקר בגלל חומצת האמינו ההיסטידינית המחייבת אותו.
כיצד משפיע מבנה המוגלובין על תפקוד
כאמור לעיל, מבנה ההמוגלובין משתנה בנוכחות חמצן. באדם בריא, זה נורמלי שיש כמה הבדלים פרטניים במבנה העיקרי של המוגלובין בתצורות חומצות אמיניות. וריאציות גנטיות באוכלוסיות חושפות את עצמן כאשר יש בעיות במבנה ההמוגלובין.
ב אנמיה חרמשית, מוטציה ברצף חומצות האמינו מובילה להצטברות המוגלובינים deoxygenated. זה משנה את הצורה של כדוריות הדם האדומות עד שהן דומות לצורת מגל או חצי סהר.
וריאציה גנטית זו יכולה להתגלות כמזיקת. תאי דם אדומים של מגל פגיעים לנזק ולאובדן המוגלובין. זה בתורו גורם לאנמיה, או לברזל נמוך. לאנשים עם המוגלובינים של מגל יש יתרון באזורים המועדים למלריה.
בתלסמיה, סלילי האלפא אינם מיוצרים באותו אופן, ומשפיעים לרעה על המוגלובין.
המוגלובין וטיפולים רפואיים עתידיים
בגלל האתגרים באחסון הדם והתאמת סוגי הדם, החוקרים מחפשים דרך לייצר דם מלאכותי. העבודה ממשיכה לייצור סוגי המוגלובין חדשים, כגון אחד עם שני שאריות גליצין השומרים על קשירתו בתמיסה, במקום להתפרק בהיעדר כדוריות דם אדומות מגנות.
הכרת ארבע רמות מבנה החלבון בהמוגלובין מסייעת למדענים להמציא דרכים להבין טוב יותר את תפקודו. בתורו, זה יכול להוביל למיקוד חדשני של תרופות וטיפולים רפואיים אחרים בעתיד.
