Zoogdieren ademen zuurstof uit de lucht via hun longen. De zuurstof heeft een manier nodig om van de longen naar de rest van het lichaam te worden vervoerd voor verschillende biologische processen. Dit gebeurt via het bloed, met name het eiwit hemoglobine, dat in rode bloedcellen wordt aangetroffen. Hemoglobine vervult deze functie vanwege de vier niveaus van eiwitstructuur: de primaire structuur van hemoglobine, de secundaire structuur en de tertiaire en quaternaire structuren.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Hemoglobine is het eiwit in rode bloedcellen dat het een rode kleur geeft. Hemoglobine vervult ook de essentiële taak van veilige zuurstoftoevoer door het lichaam, en doet dit door gebruik te maken van zijn vier niveaus van eiwitstructuur.
Wat is hemoglobine?
Hemoglobine is een groot eiwitmolecuul dat wordt aangetroffen in rode bloedcellen. In feite is hemoglobine de stof die bloed zijn rode tint geeft. Moleculair bioloog Max Perutz ontdekte hemoglobine in 1959. Perutz gebruikte röntgenkristallografie om de speciale structuur van hemoglobine te bepalen. Hij zou uiteindelijk ook de kristalstructuur van zijn zuurstofarme vorm ontdekken, evenals de structuren van andere belangrijke eiwitten.
Hemoglobine is het dragermolecuul van zuurstof voor de biljoenen cellen in het lichaam, die mensen en andere zoogdieren nodig hebben om te leven. Het transporteert zowel zuurstof als koolstofdioxide.
Deze functie vindt plaats vanwege de unieke vorm van hemoglobine, die bolvormig is en bestaat uit vier subeenheden van eiwitten die een ijzergroep omringen. Hemoglobine ondergaat vormveranderingen om het efficiënter te maken in zijn functie van zuurstoftransport. Om de structuur van een hemoglobinemolecuul te beschrijven, moet men de manier begrijpen waarop eiwitten zijn gerangschikt.
Een overzicht van de eiwitstructuur
Een eiwit is een groot molecuul gemaakt van een keten van kleinere moleculen genaamd aminozuren. Alle eiwitten hebben door hun samenstelling een definitieve structuur. Er bestaan twintig aminozuren en wanneer ze aan elkaar binden, maken ze unieke eiwitten, afhankelijk van hun volgorde in de keten.
Aminozuren bestaan uit een aminogroep, een koolstof, een carbonzuurgroep en een aangehechte zijketen of R-groep die het uniek maakt. Deze R-groep helpt bepalen of een aminozuur hydrofoob, hydrofiel, positief geladen, negatief geladen of een cysteïne met disulfidebindingen zal zijn.
Polypeptide structuur
Wanneer aminozuren samenkomen, vormen ze een peptidebinding en maken ze een polypeptide structuur. Dit gebeurt via een condensatiereactie, waardoor een watermolecuul ontstaat. Zodra aminozuren een polypeptidestructuur in een specifieke volgorde maken, vormt deze sequentie a primaire eiwitstructuur.
Polypeptiden blijven echter niet in een rechte lijn, maar ze buigen en vouwen om een driedimensionale vorm te vormen die eruit kan zien als een spiraal (een alfa-helix) of een soort accordeonvorm (a beta-geplooid blad). Deze polypeptidestructuren vormen a secundaire eiwitstructuur. Deze worden bij elkaar gehouden via waterstofbruggen.
Tertiaire en quaternaire eiwitstructuur
Tertiaire eiwitstructuur beschrijft een uiteindelijke vorm van een functioneel eiwit dat bestaat uit zijn secundaire structuurcomponenten. De tertiaire structuur zal specifieke orders hebben voor zijn aminozuren, alfa-helices en beta-geplooide vellen, die allemaal in de stabiele tertiaire structuur zullen worden gevouwen. Tertiaire structuren vormen zich vaak in relatie tot hun omgeving, met hydrofobe delen aan de binnenkant van een eiwit en hydrofiele aan de buitenkant (zoals in cytoplasma), bijvoorbeeld.
Hoewel alle eiwitten deze drie structuren bezitten, bestaan sommige uit meerdere aminozuurketens. Dit type eiwitstructuur wordt genoemd quaternaire structuur, het maken van een eiwit van meerdere ketens met verschillende moleculaire interacties. Dit levert een eiwitcomplex op.
Beschrijf de structuur van een hemoglobinemolecuul
Als men eenmaal de structuur van een hemoglobinemolecuul kan beschrijven, is het gemakkelijker te begrijpen hoe de structuur en functie van hemoglobine verband houden. Hemoglobine is structureel vergelijkbaar met myoglobine, dat wordt gebruikt om zuurstof in spieren op te slaan. De quaternaire structuur van hemoglobine onderscheidt het echter.
De quaternaire structuur van een hemoglobinemolecuul omvat vier eiwitketens met tertiaire structuur, die allemaal alfa-helices zijn.
Individueel is elke alfa-helix een secundaire polypeptidestructuur gemaakt van aminozuurketens. De aminozuren zijn op hun beurt de primaire structuur van hemoglobine.
De vier secundaire structuurketens bevatten een ijzeratoom dat is gehuisvest in wat a. wordt genoemd heem groep, een ringvormige moleculaire structuur. Wanneer zoogdieren zuurstof inademen, bindt het zich aan het ijzer in de heemgroep. Er zijn vier heemplaatsen waar zuurstof zich aan kan binden in hemoglobine. Het molecuul wordt bij elkaar gehouden door de behuizing van een rode bloedcel. Zonder dit vangnet zou hemoglobine gemakkelijk uit elkaar vallen.
De binding van zuurstof aan een heem initieert structurele veranderingen in het eiwit, waardoor ook de naburige polypeptide-subeenheden veranderen. De eerste zuurstof is het moeilijkst om te binden, maar de drie extra zuurstofatomen kunnen dan snel binden.
De structurele vorm verandert door zuurstofbinding aan het ijzeratoom in de heemgroep. Dit verschuift het aminozuur histidine, dat op zijn beurt de alfa-helix verandert. De veranderingen gaan door via de andere hemoglobine-subeenheden.
Zuurstof wordt ingeademd en bindt zich via de longen aan hemoglobine in het bloed. Hemoglobine vervoert die zuurstof in de bloedbaan en levert zuurstof waar het nodig is. Naarmate koolstofdioxide in het lichaam toeneemt en het zuurstofgehalte daalt, komt er zuurstof vrij en verandert de vorm van hemoglobine weer. Uiteindelijk komen alle vier de zuurstofmoleculen vrij.
Functies van een hemoglobinemolecuul
Hemoglobine vervoert niet alleen zuurstof door de bloedbaan, het bindt zich ook met andere moleculen. Stikstofmonoxide kan zowel aan de cysteïne in hemoglobine als aan heemgroepen binden. Dat stikstofmonoxide maakt de wanden van bloedvaten vrij en verlaagt de bloeddruk.
Helaas kan koolmonoxide zich ook binden aan hemoglobine in een verderfelijk stabiele configuratie, zuurstof blokkerend en leidend tot verstikking van cellen. Koolmonoxide doet dit snel, waardoor blootstelling eraan zeer gevaarlijk is, aangezien het een giftig, onzichtbaar en geurloos gas is.
Hemoglobines komen niet alleen voor bij zoogdieren. Er is zelfs een soort hemoglobine in peulvruchten, leghemoglobine genaamd. Wetenschappers denken dat dit bacteriën helpt om stikstof vast te leggen aan de wortels van peulvruchten. Het vertoont overeenkomsten met menselijk hemoglobine, voornamelijk vanwege het ijzerbindende histidine-aminozuur.
Hoe veranderde hemoglobinestructuur de functie beïnvloedt?
Zoals hierboven vermeld, verandert de structuur van hemoglobine in aanwezigheid van zuurstof. Bij een gezond persoon is het normaal om enkele individuele verschillen te hebben in de primaire structuur van aminozuurconfiguraties van hemoglobine. Genetische variaties in populaties komen aan het licht wanneer er problemen zijn met de hemoglobinestructuur.
In sikkelcelanemieleidt een mutatie in de aminozuursequentie tot een klontering van gedeoxygeneerde hemoglobines. Dit verandert de vorm van rode bloedcellen totdat ze lijken op een sikkel of halve maan.
Deze genetische variatie kan schadelijk blijken te zijn. Sikkelcel rode bloedcellen zijn kwetsbaar voor schade en hemoglobineverlies. Dit resulteert op zijn beurt in bloedarmoede of een laag ijzergehalte. Personen met sikkelcelhemoglobines hebben een voordeel in gebieden die vatbaar zijn voor malaria.
Bij thalassemie worden de alfa-helices niet op dezelfde manier geproduceerd, wat een negatief effect heeft op hemoglobine.
Hemoglobine en toekomstige medische behandelingen
Vanwege de uitdagingen bij het opslaan van bloed en het matchen van bloedgroepen, zoeken onderzoekers naar een manier om kunstbloed te maken. Er wordt verder gewerkt aan het maken nieuwe hemoglobinetypes, zoals een met twee glycineresiduen die het in oplossing aan elkaar houden, in plaats van uit elkaar te vallen bij afwezigheid van een beschermende rode bloedcel.
Het kennen van de vier niveaus van eiwitstructuur in hemoglobine helpt wetenschappers om manieren te bedenken om de functie ervan beter te begrijpen. Dit zou op zijn beurt kunnen leiden tot nieuwe targeting van geneesmiddelen en andere medische behandelingen in de toekomst.
