Hur visar hemoglobin de fyra proteinnivåerna?

Däggdjur andas in syre från luft genom lungorna. Syret behöver ett sätt att transporteras från lungorna till resten av kroppen för olika biologiska processer. Detta händer via blodet, särskilt proteinet hemoglobin, som finns i röda blodkroppar. Hemoglobin utför denna funktion på grund av dess fyra nivåer av proteinstruktur: den primära strukturen för hemoglobin, den sekundära strukturen och de tertiära och kvartära strukturerna.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Hemoglobin är proteinet i röda blodkroppar som ger det en röd färg. Hemoglobin utför också den väsentliga uppgiften med säker syreförsörjning i hela kroppen, och det gör det genom att använda sina fyra nivåer av proteinstruktur.

Hemoglobin är en stor proteinmolekyl som finns i röda blodkroppar. I själva verket är hemoglobin ämnet som ger blod sin röda nyans. Molekylärbiologen Max Perutz upptäckte hemoglobin 1959. Perutz använde röntgenkristallografi för att bestämma hemoglobins speciella struktur. Han skulle också så småningom upptäcka kristallstrukturen i dess deoxigenerade form, liksom strukturerna hos andra viktiga proteiner.

Hemoglobin är bärarmolekylen av syre till biljoner celler i kroppen, som krävs för att människor och andra däggdjur ska leva. Den transporterar både syre och koldioxid.

Denna funktion uppstår på grund av hemoglobins unika form, som är klotformad och består av fyra underenheter av proteiner som omger en järngrupp. Hemoglobin genomgår förändringar i sin form för att göra det mer effektivt i att bära syre. För att beskriva strukturen för en hemoglobinmolekyl måste man förstå hur proteiner är ordnade.

Ett protein är en stor molekyl tillverkad av en kedja av mindre molekyler som kallas aminosyror. Alla proteiner har en definitiv struktur på grund av deras sammansättning. Tjugo aminosyror finns, och när de binder ihop, skapar de unika proteiner beroende på deras sekvens i kedjan.

Aminosyror består av en aminogrupp, ett kol, en karboxylsyragrupp och en fäst sidokedja eller R-grupp som gör den unik. Denna R-grupp hjälper till att bestämma om en aminosyra kommer att vara hydrofob, hydrofil, positivt laddad, negativt laddad eller en cystein med disulfidbindningar.

När aminosyror går ihop bildar de en peptidbindning och bildar en polypeptidstruktur. Detta händer via en kondensationsreaktion, vilket resulterar i en vattenmolekyl. När aminosyror väl har bildat en polypeptidstruktur i en specifik ordning utgör denna sekvens en primär proteinstruktur.

Polypeptider förblir emellertid inte i en rak linje utan snarare böjer sig och viks för att bilda en tredimensionell form som antingen kan se ut som en spiral (en alfa-helix) eller ett slags dragspel (a beta-veckat ark). Dessa polypeptidstrukturer utgör en sekundär proteinstruktur. Dessa hålls samman via vätebindningar.

Tertiär proteinstruktur beskriver en slutlig form av ett funktionellt protein bestående av dess sekundära strukturkomponenter. Den tertiära strukturen kommer att ha specifika ordningar på dess aminosyror, alfa-helixer och beta-veckade ark, som alla kommer att vikas in i den stabila tertiära strukturen. Tertiära strukturer bildas ofta i förhållande till deras miljö, med hydrofoba delar på det inre av ett protein och hydrofila sådana på utsidan (som i cytoplasma), till exempel.

Medan alla proteiner har dessa tre strukturer, består vissa av flera aminosyrakedjor. Denna typ av proteinstruktur kallas kvartärstruktur, framställning av ett protein av flera kedjor med olika molekylära interaktioner. Detta ger ett proteinkomplex.

När man väl kan beskriva strukturen för en hemoglobinmolekyl är det lättare att förstå hur hemoglobins struktur och funktion är relaterade. Hemoglobin liknar strukturellt myoglobin, som används för att lagra syre i musklerna. Men hemoglobins kvaternära struktur skiljer det ut.

Den kvartära strukturen i en hemoglobinmolekyl innefattar fyra proteinkedjor av tertiär struktur, som alla är alfahelixer.

Varje alfa-helix är en sekundär polypeptidstruktur gjord av aminosyrakedjor. Aminosyrorna är i sin tur den primära strukturen för hemoglobin.

De fyra sekundära strukturkedjorna innehåller en järnatom inrymd i det som kallas a hemgrupp, en ringformad molekylär struktur. När däggdjur andas in syre binder det till järnet i hemgruppen. Det finns fyra hemställen för syre att binda till i hemoglobin. Molekylen hålls samman genom att den rymmer en röd blodkropp. Utan detta skyddsnät skulle hemoglobin lätt lossna.

Syrebindning till ett heme initierar strukturella förändringar i proteinet, vilket också gör att närliggande polypeptidsubenheter förändras. Det första syret är det mest utmanande att binda, men de tre ytterligare oxygenerna kan sedan binda snabbt.

Den strukturella formen förändras på grund av syrebindning till järnatomen i hemgruppen. Detta förskjuter aminosyran histidin, vilket i sin tur förändrar alfa-helixen. Förändringarna fortsätter genom de andra hemoglobinunderenheterna.

Syre andas in och binder till hemoglobin i blodet via lungorna. Hemoglobin bär det syret i blodomloppet och levererar syre till vart det behövs. När koldioxid ökar i kroppen och syrehalten minskar frigörs syre och hemoglobins form ändras igen. Så småningom frigörs alla fyra syremolekylerna.

Hemoglobin transporterar inte bara syre genom blodomloppet, det binder också med andra molekyler. Kväveoxid kan bindas till cystein i hemoglobin såväl som till hemgrupper. Att kväveoxid släpper ut blodkärlens väggar och sänker blodtrycket.

Tyvärr kan kolmonoxid också bindas till hemoglobin i en skadlig stabil konfiguration, vilket blockerar syre och leder till kvävning av celler. Kolmonoxid gör detta snabbt, vilket gör exponering för det mycket farligt, eftersom det är en giftig, osynlig och luktfri gas.

Hemoglobiner finns inte bara hos däggdjur. Det finns till och med en typ av hemoglobin i baljväxter, kallad leghemoglobin. Forskare tror att detta hjälper bakterier att fixera kväve vid baljväxternas rötter. Det liknar humant hemoglobin, främst på grund av dess järnbindande histidinaminosyra.

Som nämnts ovan förändras hemoglobins struktur i närvaro av syre. Hos en frisk person är det normalt att ha vissa individuella skillnader i hemoglobins primära struktur av aminosyrakonfigurationer. Genetiska variationer i populationer avslöjar sig när det finns problem med hemoglobinstrukturen.

I sicklecellanemi, en mutation i aminosyrasekvensen leder till en hopklumpning av deoxigenerade hemoglobiner. Detta förändrar formen på röda blodkroppar tills de liknar en skär eller halvmåneform.

Denna genetiska variation kan visa sig vara skadlig. Röda blodkroppar av segelceller är utsatta för skador och förlust av hemoglobin. Detta resulterar i sin tur i anemi eller lågt järn. Individer med seglcellshemoglobiner har en fördel i områden som är benägna att malaria.

I talassemi produceras inte alfahelixerna på samma sätt, vilket påverkar hemoglobin negativt.

På grund av utmaningar när det gäller lagring av blod och matchande blodtyper, söker forskare ett sätt att göra konstgjort blod. Arbetet fortsätter med att göra nya typer av hemoglobin, såsom en med två glycinrester som håller den bunden ihop i lösning, snarare än att komma ifrån varandra i frånvaro av en skyddande röd blodkropp.

Att känna till de fyra nivåerna av proteinstrukturen i hemoglobin hjälper forskare att komma på sätt att bättre förstå dess funktion. I sin tur kan detta leda till ny inriktning på läkemedel och andra medicinska behandlingar i framtiden.