Hvordan viser hemoglobin de fire nivåene av proteinstruktur?

Pattedyr inhalerer oksygen fra luft gjennom lungene. Oksygenet trenger en måte å bære fra lungene til resten av kroppen for forskjellige biologiske prosesser. Dette skjer via blodet, spesielt proteinet hemoglobin, som finnes i røde blodlegemer. Hemoglobin utfører denne funksjonen på grunn av sine fire nivåer av proteinstruktur: den primære strukturen til hemoglobin, den sekundære strukturen og de tertiære og kvartære strukturer.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Hemoglobin er proteinet i røde blodlegemer som gir det en rød farge. Hemoglobin utfører også den essensielle oppgaven med sikker oksygenforsyning i hele kroppen, og det gjør det ved å bruke de fire nivåene av proteinstruktur.

Hemoglobin er et stort proteinmolekyl som finnes i røde blodlegemer. Faktisk er hemoglobin stoffet som gir blod sin røde fargetone. Molekylærbiolog Max Perutz oppdaget hemoglobin i 1959. Perutz brukte røntgenkrystallografi for å bestemme den spesielle strukturen til hemoglobin. Han vil også til slutt oppdage krystallstrukturen til den deoksygenerte formen, så vel som strukturene til andre viktige proteiner.

Hemoglobin er bærermolekylet av oksygen til billioner av celler i kroppen, som kreves for at mennesker og andre pattedyr skal leve. Den transporterer både oksygen og karbondioksid.

Denne funksjonen oppstår på grunn av hemoglobins unike form, som er kuleformet og består av fire underenheter av proteiner som omgir en jerngruppe. Hemoglobin gjennomgår endringer i formen for å gjøre det mer effektivt i sin funksjon av oksygen. For å beskrive strukturen til et hemoglobinmolekyl, må man forstå måten proteiner er ordnet på.

Et protein er et stort molekyl laget av en kjede av mindre molekyler som kalles aminosyrer. Alle proteiner har en endelig struktur på grunn av deres sammensetning. Tjue aminosyrer eksisterer, og når de binder seg sammen, lager de unike proteiner avhengig av sekvensen i kjeden.

Aminosyrer består av en aminogruppe, et karbon, en karboksylsyregruppe og en festet sidekjede eller R-gruppe som gjør den unik. Denne R-gruppen hjelper til med å bestemme om en aminosyre vil være hydrofob, hydrofil, positivt ladet, negativt ladet eller et cystein med disulfidbindinger.

Når aminosyrer slår seg sammen, danner de en peptidbinding og danner en polypeptidstruktur. Dette skjer via en kondensasjonsreaksjon, noe som resulterer i et vannmolekyl. Når aminosyrer har laget en polypeptidstruktur i en bestemt rekkefølge, utgjør denne sekvensen en primær proteinstruktur.

Polypeptider forblir imidlertid ikke i en rett linje, men de bøyer seg og brettes for å danne en tredimensjonal form som enten kan se ut som en spiral (en alfa helix) eller en slags trekkspillform (a beta-plissert ark). Disse polypeptidstrukturene utgjør en sekundær proteinstruktur. Disse holdes sammen via hydrogenbindinger.

Tertiær proteinstruktur beskriver en endelig form av et funksjonelt protein bestående av dets sekundære strukturkomponenter. Tertiærstrukturen vil ha spesifikke ordrer til aminosyrene, alfa-helikser og beta-plisserte ark, som alle vil bli brettet inn i den stabile tertiærstrukturen. Tertiære strukturer dannes ofte i forhold til miljøet, med hydrofobe deler på det indre av et protein og hydrofile på utsiden (som i cytoplasma), for eksempel.

Mens alle proteiner har disse tre strukturene, består noen av flere aminosyrekjeder. Denne typen proteinstruktur kalles kvaternær struktur, lage et protein av flere kjeder med forskjellige molekylære interaksjoner. Dette gir et proteinkompleks.

Når man kan beskrive strukturen til et hemoglobinmolekyl, er det lettere å forstå hvordan hemoglobins struktur og funksjon er relatert. Hemoglobin er strukturelt lik myoglobin, brukt til å lagre oksygen i muskler. Imidlertid skiller hemoglobins kvaternære struktur det fra hverandre.

Den kvaternære strukturen til et hemoglobinmolekyl inkluderer fire proteinkjeder av tertiær struktur, som alle er alfahelixer.

Hver enkelt alfa-helix er en sekundær polypeptidstruktur laget av aminosyrekjeder. Aminosyrene er i sin tur den primære strukturen til hemoglobin.

De fire sekundære strukturkjedene inneholder et jernatom som ligger i det som kalles a heme gruppe, en ringformet molekylær struktur. Når pattedyr puster inn oksygen, binder det seg til jernet i hemgruppen. Det er fire hemesteder for oksygen å binde seg til i hemoglobin. Molekylet holdes sammen av huset av en rød blodcelle. Uten dette sikkerhetsnettet ville hemoglobin lett skille seg fra hverandre.

Oksygenens binding til et hem initierer strukturelle endringer i proteinet, noe som også får nabopolypeptidunderenhetene til å endres. Det første oksygenet er det mest utfordrende å binde, men de tre ytterligere oksygene kan da binde seg raskt.

Den strukturelle formen endres på grunn av oksygenbinding til jernatomet i hemgruppen. Dette forskyver aminosyren histidin, som igjen endrer alfa-helixen. Endringene fortsetter gjennom de andre hemoglobin-underenhetene.

Oksygen pustes inn og binder seg til hemoglobin i blodet via lungene. Hemoglobin bærer det oksygenet i blodet og leverer oksygen til hvor det er behov for det. Når karbondioksid øker i kroppen og oksygenivået synker, frigjøres oksygen og hemoglobins form endres igjen. Til slutt frigjøres alle fire oksygenmolekylene.

Hemoglobin fører ikke bare oksygen gjennom blodet, det binder seg også med andre molekyler. Nitrogenoksid kan binde seg til cystein i hemoglobin så vel som til hemgrupper. At nitrogenoksid frigjør blodkarveggene og senker blodtrykket.

Dessverre kan karbonmonoksid også binde seg til hemoglobin i en skadelig stabil konfigurasjon, blokkere oksygen og føre til kvelning av celler. Karbonmonoksid gjør dette raskt, noe som gjør eksponering for det veldig farlig, da det er en giftig, usynlig og luktfri gass.

Hemoglobiner finnes ikke bare hos pattedyr. Det er til og med en type hemoglobin i belgfrukter, kalt leghemoglobin. Forskere tror dette hjelper bakterier med å fikse nitrogen ved røtter av belgfrukter. Det har likhet med humant hemoglobin, hovedsakelig på grunn av dets jernbindende histidinaminosyre.

Som nevnt ovenfor endres hemoglobins struktur i nærvær av oksygen. Hos en sunn person er det normalt å ha noen individuelle forskjeller i hemoglobins primære struktur av aminosyrekonfigurasjoner. Genetiske variasjoner i populasjoner avslører seg når det er problemer med hemoglobinstrukturen.

I sigdcelleanemi, fører en mutasjon i aminosyresekvensen til en klumping av deoksygenerte hemoglobiner. Dette endrer formen på røde blodlegemer til de ligner en sigd eller halvmåne.

Denne genetiske variasjonen kan vise seg å være skadelig. Røde blodceller i sigdceller er sårbare for skade og hemoglobin tap. Dette resulterer igjen i anemi, eller lite jern. Personer med sigdcellehemoglobiner har en fordel i områder som er utsatt for malaria.

I thalassemia produseres ikke alfa helices på samme måte, noe som påvirker hemoglobin negativt.

På grunn av utfordringer med å lagre blod og matche blodtyper, søker forskere en måte å lage kunstig blod på. Arbeidet fortsetter med å lage nye typer hemoglobin, for eksempel en med to glycinrester som holder den bundet sammen i oppløsning, i stedet for å skilles fra hverandre i fravær av en beskyttende rød blodcelle.

Å kjenne de fire nivåene av proteinstruktur i hemoglobin hjelper forskere med å finne måter å bedre forstå funksjonen. Dette kan igjen føre til ny målretting mot legemidler og andre medisinske behandlinger i fremtiden.