เฮโมโกลบินแสดงโครงสร้างโปรตีนสี่ระดับอย่างไร?

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหายใจเอาออกซิเจนจากอากาศผ่านปอด ออกซิเจนต้องการวิธีการลำเลียงจากปอดไปยังส่วนอื่นๆ ของร่างกายสำหรับกระบวนการทางชีววิทยาต่างๆ สิ่งนี้เกิดขึ้นทางเลือด โดยเฉพาะโปรตีนเฮโมโกลบิน ที่พบในเซลล์เม็ดเลือดแดง เฮโมโกลบินทำหน้าที่นี้เนื่องจากโครงสร้างโปรตีนสี่ระดับ: โครงสร้างหลักของเฮโมโกลบิน โครงสร้างทุติยภูมิ และโครงสร้างตติยภูมิและควอเทอร์นารี

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

เฮโมโกลบินเป็นโปรตีนในเซลล์เม็ดเลือดแดงที่ให้สีแดง เฮโมโกลบินยังทำหน้าที่สำคัญในการส่งออกซิเจนไปทั่วร่างกายอย่างปลอดภัย และทำสิ่งนี้โดยใช้โครงสร้างโปรตีนสี่ระดับ

เฮโมโกลบิน เป็นโมเลกุลโปรตีนขนาดใหญ่ที่พบในเซลล์เม็ดเลือดแดง อันที่จริง เฮโมโกลบินเป็นสารที่ให้สีแดงแก่เลือด นักชีววิทยาระดับโมเลกุล Max Perutz ค้นพบเฮโมโกลบินในปี 2502 Perutz ใช้ผลึกเอ็กซ์เรย์เพื่อกำหนดโครงสร้างพิเศษของเฮโมโกลบิน ในที่สุดเขาก็จะค้นพบโครงสร้างผลึกของรูปแบบ deoxygenated เช่นเดียวกับโครงสร้างของโปรตีนที่สำคัญอื่นๆ

เฮโมโกลบินเป็นโมเลกุลพาหะของออกซิเจนไปยังเซลล์หลายล้านล้านในร่างกาย ซึ่งจำเป็นสำหรับมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ มันขนส่งทั้งออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์

ฟังก์ชันนี้เกิดขึ้นเนื่องจากรูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์ของเฮโมโกลบิน ซึ่งเป็นทรงกลมและประกอบด้วยโปรตีนสี่หน่วยย่อยที่อยู่ล้อมรอบกลุ่มเหล็ก เฮโมโกลบินเปลี่ยนแปลงรูปร่างเพื่อช่วยให้เฮโมโกลบินทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพื่ออธิบายโครงสร้างของโมเลกุลเฮโมโกลบิน เราต้องเข้าใจลักษณะที่โปรตีนถูกจัดเรียง

โปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นจากสายโซ่ของโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียกว่า กรดอะมิโน. โปรตีนทั้งหมดมีโครงสร้างที่ชัดเจนเนื่องจากองค์ประกอบ มีกรดอะมิโนอยู่ 20 ชนิด และเมื่อพวกมันจับกัน พวกมันจะสร้างโปรตีนที่มีลักษณะเฉพาะขึ้นกับลำดับของพวกมันในสายโซ่

กรดอะมิโนประกอบด้วยหมู่อะมิโน คาร์บอน กลุ่มกรดคาร์บอกซิลิก และสายโซ่ข้างเคียงหรือหมู่ R ที่ทำให้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว หมู่ R นี้ช่วยกำหนดว่ากรดอะมิโนจะไม่ชอบน้ำ ชอบน้ำ มีประจุบวก มีประจุลบ หรือซิสเทอีนที่มีพันธะไดซัลไฟด์

เมื่อกรดอะมิโนมารวมกันจะเกิดพันธะเปปไทด์และทำให้เกิด โครงสร้างโพลีเปปไทด์. สิ่งนี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาควบแน่นทำให้เกิดโมเลกุลของน้ำ เมื่อกรดอะมิโนสร้างโครงสร้างโพลีเปปไทด์ในลำดับเฉพาะ ลำดับนี้จะประกอบเป็น โครงสร้างโปรตีนเบื้องต้น.

อย่างไรก็ตาม โพลีเปปไทด์ไม่คงอยู่ในแนวเส้นตรง แต่จะงอและพับเป็นรูปทรงสามมิติที่มีลักษณะเป็นเกลียว (ก เกลียวอัลฟ่า) หรือรูปทรงหีบเพลง (a แผ่นพับเบต้า). โครงสร้างโพลีเปปไทด์เหล่านี้ประกอบขึ้นเป็น โครงสร้างโปรตีนรอง. สิ่งเหล่านี้ถูกยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะไฮโดรเจน

โครงสร้างโปรตีนระดับอุดมศึกษา อธิบายรูปแบบสุดท้ายของโปรตีนที่ใช้งานได้ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบโครงสร้างทุติยภูมิ โครงสร้างระดับตติยภูมิจะมีลำดับเฉพาะสำหรับกรดอะมิโน อัลฟาเฮลิซ และแผ่นจีบเบต้า ซึ่งทั้งหมดจะถูกพับเป็นโครงสร้างตติยภูมิที่มั่นคง โครงสร้างตติยภูมิมักก่อตัวขึ้นโดยสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมของพวกมัน เช่น ส่วนที่ไม่ชอบน้ำที่ด้านในของโปรตีนและส่วนที่ชอบน้ำที่ด้านนอก

ในขณะที่โปรตีนทั้งหมดมีโครงสร้างทั้งสามนี้ โปรตีนบางชนิดประกอบด้วยสายกรดอะมิโนหลายสาย โครงสร้างโปรตีนชนิดนี้เรียกว่า โครงสร้างสี่ส่วนทำให้เป็นโปรตีนหลายสายที่มีปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลต่างๆ ทำให้ได้โปรตีนที่ซับซ้อน

เมื่อสามารถอธิบายโครงสร้างของโมเลกุลเฮโมโกลบินได้ ก็จะเข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าโครงสร้างและหน้าที่ของเฮโมโกลบินมีความสัมพันธ์กันอย่างไร เฮโมโกลบินมีโครงสร้างคล้ายกับ myoglobin ซึ่งใช้เก็บออกซิเจนในกล้ามเนื้อ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างควอเทอร์นารีของเฮโมโกลบินทำให้มันแตกต่างออกไป

โครงสร้างควอเทอร์นารีของโมเลกุลเฮโมโกลบินประกอบด้วยสายโปรตีนโครงสร้างตติยภูมิสี่สาย ซึ่งเป็นกลุ่มอัลฟาเฮลิซทั้งหมด

อย่างเฉพาะเจาะจง เกลียวอัลฟาแต่ละอันเป็นโครงสร้างโพลีเปปไทด์ทุติยภูมิที่ทำจากสายกรดอะมิโน กรดอะมิโนเป็นโครงสร้างหลักของเฮโมโกลบิน

โซ่โครงสร้างทุติยภูมิสี่สายมีอะตอมของเหล็กอยู่ในสิ่งที่เรียกว่าa กลุ่มฮีมซึ่งเป็นโครงสร้างโมเลกุลรูปวงแหวน เมื่อสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหายใจเอาออกซิเจนเข้าไป มันจะจับกับธาตุเหล็กในกลุ่มฮีม มีไซต์ heme สี่แห่งสำหรับออกซิเจนที่จับกับฮีโมโกลบิน โมเลกุลถูกยึดเข้าด้วยกันโดยที่อยู่อาศัยของเซลล์เม็ดเลือดแดง หากไม่มีตาข่ายนิรภัยนี้ เฮโมโกลบินก็จะแยกออกจากกันได้ง่าย

การจับของออกซิเจนกับ heme ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างในโปรตีน ซึ่งทำให้หน่วยย่อยของโพลีเปปไทด์ที่อยู่ใกล้เคียงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ออกซิเจนตัวแรกเป็นพันธะที่ท้าทายที่สุด แต่ออกซิเจนเพิ่มเติมอีกสามชนิดก็สามารถเกาะติดกันได้อย่างรวดเร็ว

รูปร่างโครงสร้างเปลี่ยนไปเนื่องจากออกซิเจนจับกับอะตอมของเหล็กในกลุ่มฮีม สิ่งนี้จะเปลี่ยนกรดอะมิโนฮิสติดีนซึ่งจะเปลี่ยนเกลียวอัลฟา การเปลี่ยนแปลงจะดำเนินต่อไปผ่านหน่วยย่อยของเฮโมโกลบินอื่นๆ

ออกซิเจนถูกหายใจเข้าและจับกับฮีโมโกลบินในเลือดผ่านทางปอด เฮโมโกลบินนำออกซิเจนนั้นไปในกระแสเลือด โดยส่งออกซิเจนไปยังทุกที่ที่ต้องการ เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ในร่างกายเพิ่มขึ้นและระดับออกซิเจนลดลง ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาและรูปร่างของเฮโมโกลบินจะเปลี่ยนไปอีกครั้ง ในที่สุดโมเลกุลออกซิเจนทั้งสี่จะถูกปล่อยออกมา

เฮโมโกลบินไม่เพียงแต่นำออกซิเจนผ่านกระแสเลือดเท่านั้น แต่ยังจับกับโมเลกุลอื่นๆ ด้วย ไนตริกออกไซด์สามารถจับกับซิสเทอีนในเฮโมโกลบินได้เช่นเดียวกับกลุ่มฮีม ไนตริกออกไซด์นั้นปล่อยผนังหลอดเลือดและลดความดันโลหิต

น่าเสียดายที่คาร์บอนมอนอกไซด์ยังสามารถจับกับเฮโมโกลบินในรูปแบบที่เสถียรอย่างเป็นอันตราย ปิดกั้นออกซิเจนและทำให้เซลล์หายใจไม่ออก คาร์บอนมอนอกไซด์ทำสิ่งนี้ได้อย่างรวดเร็ว ทำให้สัมผัสกับคาร์บอนมอนอกไซด์ที่อันตรายมาก เนื่องจากเป็นก๊าซพิษที่มองไม่เห็นและไม่มีกลิ่น

เฮโมโกลบินไม่ได้พบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเท่านั้น มีฮีโมโกลบินชนิดหนึ่งในพืชตระกูลถั่วที่เรียกว่าเลเฮโมโกลบิน นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสิ่งนี้ช่วยให้แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่รากของพืชตระกูลถั่วได้ มีความคล้ายคลึงกันกับเฮโมโกลบินของมนุษย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากกรดอะมิโนฮิสทิดีนที่จับกับธาตุเหล็ก

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น โครงสร้างของเฮโมโกลบินเปลี่ยนแปลงเมื่อมีออกซิเจน ในคนที่มีสุขภาพดี เป็นเรื่องปกติที่จะมีความแตกต่างบางประการในโครงสร้างหลักของการกำหนดค่ากรดอะมิโนของเฮโมโกลบิน ความแปรปรวนทางพันธุกรรมในประชากรเปิดเผยเมื่อมีปัญหากับโครงสร้างเฮโมโกลบิน

ใน โรคโลหิตจางเซลล์เคียวการกลายพันธุ์ในลำดับกรดอะมิโนทำให้เกิดการรวมตัวของเฮโมโกลบินที่ปราศจากออกซิเจน สิ่งนี้จะเปลี่ยนรูปร่างของเซลล์เม็ดเลือดแดงจนกว่าจะมีรูปร่างคล้ายเคียวหรือเสี้ยว

การแปรผันทางพันธุกรรมนี้สามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นอันตราย เซลล์เม็ดเลือดแดงรูปเคียวมีความเสี่ยงต่อความเสียหายและการสูญเสียฮีโมโกลบิน ส่งผลให้เป็นโรคโลหิตจางหรือธาตุเหล็กต่ำ บุคคลที่มีเฮโมโกลบินเซลล์รูปเคียวมีความได้เปรียบในพื้นที่เสี่ยงต่อโรคมาลาเรีย

ในโรคธาลัสซีเมีย เอ็นแอลฟาไม่ได้ผลิตในลักษณะเดียวกัน ซึ่งส่งผลเสียต่อฮีโมโกลบิน

เนื่องจากความท้าทายในการจัดเก็บเลือดและการจับคู่กรุ๊ปเลือด นักวิจัยจึงแสวงหาวิธีที่จะทำเลือดเทียม งานยังคงดำเนินต่อไป ฮีโมโกลบินชนิดใหม่เช่น สารที่มีไกลซีนตกค้าง 2 ตัวที่เกาะติดกันในสารละลาย แทนที่จะแยกออกจากกันโดยที่เซลล์เม็ดเลือดแดงไม่มีการป้องกัน

การรู้โครงสร้างโปรตีนสี่ระดับในเฮโมโกลบินช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถหาวิธีทำความเข้าใจการทำงานของมันได้ดียิ่งขึ้น ในทางกลับกัน อาจนำไปสู่การกำหนดเป้าหมายแบบใหม่ของเภสัชภัณฑ์และการรักษาพยาบาลอื่นๆ ในอนาคต