Hemoglobin jako taxík pro kyslík

Dýcháme-li, kyslík je z atmosféry přijímán plícemi do krve a pak předán do buňky prostřednictvím oběhového systému.

Naše buňky mimo jiné využívají kyslík jako konečný akceptor elektronů při aerobním dýchání, kdy se přeměňuje energii v potravě a živinách na formu energie, kterou může buňka snadno využít (ATP). Buňky velkých organismů, jako jsou lidé, využívají aerobní dýchání, protože jiné formy výroby energie jsou méně účinné a kyslíku je dostatek. Anaerobní dýchání naproti tomu využívají rostliny a třeba také bakterie, je mnohem méně účinné. Některým bakteriím to k přežití stačí, ale živočichové by se bez kyslíku neobešli.

 Typickým příkladem může být alkoholového kvašení glukózy na etanol:C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2 + energie. [1]

Přestože je kyslík krví transportován do každé buňky, dobře se zde nerozpouští. 

Jak se tedy kyslík v krvi přenáší?

Hemoglobin, kyslíkový taxík

Protein zvaný hemoglobin (Hb), dole, je odpovědí na problém transportu kyslíku v krvi. Mnoho molekul hemoglobinu v naší krvi slouží jako „taxi“ pro molekuly kyslíku: molekuly kyslíku se vážou na molekuly hemoglobinu v oblastech, kde je kyslíku dostatek jako jsou plíce, a molekuly kyslíku se pak oddělují od hemoglobinu, když se dostanou do oblastí s nedostatkem kyslíku, například v blízkosti buněk daleko od plic. Tímto způsobem hemoglobin v naší krvi přenáší kyslík do každé buňky v našem těle. Hb se potřebuje pevně vázat na kyslík v atmosféře plic bohaté na kyslík a musí být schopen rychle uvolňovat kyslík v relativně na kyslík chudém prostředí tkání. Dělá to nanejvýš elegantním a složitě koordinovaným způsobem. Taková vazba s hemoglobinem je typickým příkladem vztahu mezi strukturou a funkcí v molekule proteinu.

Struktura hemoglobinu – Hb je tetramer

V trojrozměrné struktuře hemoglobinu dole lze pozorovat dva světle modré řetězce a dva světle zelené řetězce. Protože se Hb skládá ze čtyř monomerů, nazývá se tetramer. Dva typy monomerů, které tvoří tetramer hemoglobinu, se liší svou barvou: dva α-monomery ve světle modré a dva β-monomery ve světle zelené. Každý α-monomer je řetězec 141 aminokyselin a každý β-monomer je řetězec 146 aminokyselin (α- i β-monomery obsahují α-uhlíky a α-helixy). 

Struktura hemoglobinu

Hemová skupina

aždý monomer, ať už α nebo β, má spojenu molekulu, která je reprezentována několika vícebarevnými, překrývajícími se malými kuličkami. Tyto molekuly se nazývají hemové skupiny a na nich se váže kyslík na hemoglobin. Barvy kuliček nereprezentují  skutečné barvy hemové skupiny. Každý atom byl uměle obarven podle běžného barevného schématu zvaného Corey-Pauling-Koltun schéma ( C H O N S Fe ). 

Chytání kyslíku

Hemoglobin zachycuje kyslík a transportuje ho krevním řečištěm vazbou kyslíku na každou ze svých čtyř hemových skupin. Tyto hemové skupiny jsou protetické skupiny; jsou to neproteinové chemické sloučeniny, které jsou spojeny s hemoglobinem a jsou nezbytné pro jeho funkci. Každý hem je kruhová molekula složená z uhlíku, dusíku, kyslíku a vodíku, s jedním Fe2+ (železným) iontem ve svém středu, koordinovaným čtyřmi okolními dusíky. Každý hem je zhruba rovinný a je držen na místě v monomeru hydrofobními interakcemi a kovalentní vazbou mezi iontem železa a atomem dusíku v postranním řetězci toho, co se nazývá proximální histidin (pro člověka esenciální aminokyselina). Další histidin, nazývaný distální histidin, pomáhá při vazbě kyslíku tím, že brání oxidaci atomu železa (což by bránilo navázání kyslíku) a tím, že zabraňuje vázání jiných molekul.

Když je kyslíku dostatek, jeho molekula se váže na železo v hemové skupině.

Když se kyslík váže, monomer mění tvar. Rozdíl v konformaci mezi okysličeným a odkysličeným monomerem se ukazuje jako zásadní pro funkci Hb. Hb neexistuje jako monomer, ale spíše jako tetramer. Výsledkem je, že když jeden monomer v deoxygenované molekule Hb váže kyslík, tato konformační změna monomeru vynutí podobnou konformační změnu ve zbývajících třech monomerech, což způsobí, že přijmou konformaci příznivější pro vazbu kyslíku. Řečeno jinak, jakmile jeden monomer v tetrameru molekuly Hb váže kyslík, ostatní tři monomery budou mnohem pravděpodobněji vázat kyslík, než tomu bylo dříve. Tento mechanismus zrychlené vazby prostřednictvím propagace konformace monomeru se nazývá kooperativní vazba.

Oxid uhelnatý také váže hem

Zde je místo, kde nám zákony chemie staví zajímavý problém: Skupina hemů má chemické a strukturální schopnosti zachytit molekulu kyslíku, ale molekula kyslíku (O2) je tvarem a chemií podobná molekule oxidu uhelnatého (CO). Tzn. že oxid uhelnatý se také může vázat na železo v hemových skupinách hemoglobinu, i když distální histidin tomu pomáhá předcházet. Oxid uhelnatý se ve skutečnosti váže na hem s asi 230krát vyšší afinitou než kyslík, což znamená, že pokud jsou k dispozici oba plyny, oxid uhelnatý bude soutěžit s kyslíkem o vazebná místa pro hem. 

Zmutovaný hemoglobin způsobuje srpkovitou anémii

Mutace v genu kódujícím hemoglobin způsobuje onemocnění zvané srpkovitá anémie. Mutovaný hemoglobin má za následek vznik červených krvinek s nemocným srpkovitým tvarem namísto zdravého tvaru disku. Tyto srpkovité buňky mohou blokovat krevní cévy kvůli svému abnormálnímu tvaru a způsobit poškození tkání a orgánů.

Srpkovitý hemoglobin se liší od normálního hemoglobinu v jediné aminokyselině. V mutantu aminokyselina valin zaujímá místo glutamátu jako šestá aminokyselina v řetězci beta monomeru. Glutamát, hydrofilní aminokyselina, je nahrazen valinem, hydrofobní aminokyselinou v místě na povrchu proteinu, tím vznikne hydrofobní skvrna. V blízkosti kapsy vázající hem v beta-monomeru je další relevantní hydrofobní místo, které je přítomno jak v normálním hemoglobinu, tak v srpkovitém deoxygenovaném hemoglobinu. Tato druhá hydrofobní skvrna se přilepí na první hydrofobní skvrnu přítomnou pouze u mutanta, což způsobí, že se molekuly hemoglobinu shlukují do dlouhých vláken.

Průběh nemoci

Zdroje:  [1] Dýchání [online]. edisco, 2022 [cit. 2022-11-28]. Dostupné z: https://edisco.cz/biologie/dychani.php

[2] Hemoglobinopatie [online]. WikiSkripta, 2022 [cit. 2022-11-28]. Dostupné z: https://www.wikiskripta.eu/w/Hemoglobinopatie

Zbytek a struktura hemoglobinu z  Prilusky J, Hodis E, 2013, „How do we get the oxygen we breathe“, Proteopedia, DOI: https://dx.doi.org/10.14576/431679.1869588

2 názory na “Hemoglobin jako taxík pro kyslík”

Diskuze

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *