ฮีโมโกลบินแสดงโครงสร้างโปรตีนสี่ระดับอย่างไร?

เนื้อหา

• TL; DR (ยาวเกินไปไม่ได้อ่าน)
• เฮโมโกลบินคืออะไร?
• ภาพรวมของโครงสร้างโปรตีน
• โครงสร้างโพลีเปปไทด์
• โครงสร้างโปรตีนระดับอุดมศึกษาและควอเทอร์นารี
• อธิบายโครงสร้างของโมเลกุลเฮโมโกลบิน
• หน้าที่ของโมเลกุลเฮโมโกลบิน
• โครงสร้างฮีโมโกลบินที่เปลี่ยนแปลงนั้นมีผลต่อการทำงานอย่างไร
• ฮีโมโกลบินและการรักษาทางการแพทย์ในอนาคต

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสูดดมออกซิเจนจากอากาศผ่านปอดของพวกเขา ออกซิเจนต้องการวิธีการที่จะดำเนินการจากปอดไปยังส่วนที่เหลือของร่างกายสำหรับกระบวนการทางชีวภาพต่างๆ สิ่งนี้เกิดขึ้นทางเลือดโดยเฉพาะโปรตีนฮีโมโกลบินที่พบในเซลล์เม็ดเลือดแดง เฮโมโกลบินทำหน้าที่นี้เนื่องจากโครงสร้างโปรตีนสี่ระดับ: โครงสร้างหลักของเฮโมโกลบินโครงสร้างรองและโครงสร้างตติยภูมิและโครงสร้างสี่ส่วน

TL; DR (ยาวเกินไปไม่ได้อ่าน)

เฮโมโกลบินเป็นโปรตีนในเซลล์เม็ดเลือดแดงที่ให้สีแดง เฮโมโกลบินยังทำหน้าที่สำคัญในการส่งออกซิเจนอย่างปลอดภัยทั่วร่างกายและทำได้โดยใช้โครงสร้างโปรตีนสี่ระดับ

เฮโมโกลบินคืออะไร?

เฮโมโกลบิน เป็นโมเลกุลโปรตีนขนาดใหญ่ที่พบในเซลล์เม็ดเลือดแดง ในความเป็นจริงเฮโมโกลบินเป็นสารที่ให้เลือดสีแดง นักชีววิทยาโมเลกุล Max Perutz ค้นพบเฮโมโกลบินในปี 1959 Perutz ใช้การทำผลึกรังสีเอกซ์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างพิเศษของเฮโมโกลบิน ในที่สุดเขาก็จะค้นพบโครงสร้างผลึกของรูปแบบ deoxygenated เช่นเดียวกับโครงสร้างของโปรตีนที่สำคัญอื่น ๆ

เฮโมโกลบินเป็นโมเลกุลของออกซิเจนพาหะนำไปสู่ล้านล้านเซลล์ในร่างกายซึ่งจำเป็นสำหรับคนและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ ในการดำรงชีวิต มันขนส่งทั้งออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์

ฟังก์ชั่นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากรูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์ของฮีโมโกลบินซึ่งเป็นทรงกลมและทำจากสี่หน่วยย่อยของโปรตีนรอบกลุ่มเหล็ก เฮโมโกลบินได้รับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเพื่อช่วยให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจน เพื่ออธิบายโครงสร้างของโมเลกุลเฮโมโกลบินเราต้องเข้าใจวิธีการจัดเรียงของโปรตีน

ภาพรวมของโครงสร้างโปรตีน

โปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ทำจากสายโซ่ของโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียกว่า กรดอะมิโน. โปรตีนทั้งหมดมีโครงสร้างที่ชัดเจนเนื่องจากองค์ประกอบของพวกเขา มีกรดอะมิโนอยู่ยี่สิบตัวและเมื่อรวมเข้าด้วยกันมันจะสร้างโปรตีนที่ไม่เหมือนใครขึ้นอยู่กับลำดับในห่วงโซ่

กรดอะมิโนประกอบด้วยกลุ่มอะมิโน, คาร์บอน, กลุ่มกรดคาร์บอกซิลิกและเชนข้างหรือกลุ่ม R ที่แนบมาซึ่งทำให้เป็นเอกลักษณ์ กลุ่มอาร์นี้ช่วยในการพิจารณาว่ากรดอะมิโนจะไม่ชอบน้ำ, ชอบน้ำ, มีประจุบวก, ประจุลบหรือเป็นซิสเตอีนที่มีพันธะซัลไฟด์

โครงสร้างโพลีเปปไทด์

เมื่อกรดอะมิโนรวมตัวกันมันจะสร้างพันธะเปปไทด์และสร้าง โครงสร้างโพลีเปปไทด์. สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านปฏิกิริยาการควบแน่นทำให้โมเลกุลของน้ำ เมื่อกรดอะมิโนสร้างโครงสร้างโพลีเปปไทด์ตามลำดับเฉพาะลำดับนี้จะประกอบด้วย โครงสร้างโปรตีนหลัก.

อย่างไรก็ตามโพลีเปปไทด์ไม่ได้อยู่ในแนวเส้นตรง แต่มันจะโค้งงอและพับเป็นรูปทรงสามมิติที่สามารถดูเหมือนเกลียว อัลฟาเกลียว) หรือรูปแบบของหีบเพลง (a แผ่นจีบแบบเบต้า) โครงสร้างโพลีเปปไทด์เหล่านี้ประกอบขึ้นเป็น โครงสร้างโปรตีนรอง. สิ่งเหล่านี้จัดขึ้นร่วมกันผ่านพันธะไฮโดรเจน

โครงสร้างโปรตีนระดับอุดมศึกษาและควอเทอร์นารี

โครงสร้างโปรตีนระดับอุดมศึกษา อธิบายรูปแบบสุดท้ายของโปรตีนที่ใช้งานได้ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบโครงสร้างรองของมัน โครงสร้างตติยภูมิจะมีคำสั่งเฉพาะสำหรับกรดอะมิโนอัลฟาเอนริเก้และแผ่นเบต้าจีบซึ่งทั้งหมดนี้จะถูกพับเก็บไว้ในโครงสร้างตติยภูมิที่มั่นคง โครงสร้างในระดับอุดมศึกษามักจะสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมของพวกมันด้วยส่วนที่ไม่เข้ากับน้ำในภายในโปรตีนและ hydrophilic ที่ด้านนอก (เช่นในไซโตพลาสซึม)

ในขณะที่โปรตีนทั้งหมดมีโครงสร้างสามอย่างนี้บางอย่างประกอบด้วยกรดอะมิโนหลายสายโซ่ โครงสร้างโปรตีนชนิดนี้เรียกว่า โครงสร้างสี่การสร้างโปรตีนของโซ่หลาย ๆ โมเลกุลที่มีปฏิสัมพันธ์ สิ่งนี้ให้ผลเป็นโปรตีนเชิงซ้อน

อธิบายโครงสร้างของโมเลกุลเฮโมโกลบิน

เมื่อเราสามารถอธิบายโครงสร้างของโมเลกุลเฮโมโกลบินได้แล้วมันจะง่ายกว่าที่จะเข้าใจว่าโครงสร้างและการทำงานของฮีโมโกลบินเกี่ยวข้องกันอย่างไร เฮโมโกลบินมีโครงสร้างคล้าย myoglobin ใช้เก็บออกซิเจนในกล้ามเนื้อ อย่างไรก็ตามโครงสร้างสี่ของเฮโมโกลบินนั้นแยกออกจากกัน

โครงสร้าง quaternary ของโมเลกุลเฮโมโกลบินประกอบด้วยโซ่โปรตีนโครงสร้างตติยภูมิสี่อันสองอันคืออัลฟาเอนริเก้และอีกสองอันเป็นแผ่นเบต้าจีบ

ทีละแผ่นแอลฟาเฮลิกหรือบีตาจีบเป็นโครงสร้างพอลิเปปไทด์ทุติยภูมิที่ทำจากโซ่กรดอะมิโน กรดอะมิโนจะเปลี่ยนโครงสร้างหลักของฮีโมโกลบิน

โซ่โครงสร้างรองทั้งสี่ประกอบด้วยอะตอมเหล็กซึ่งตั้งอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า กลุ่ม hemeโครงสร้างโมเลกุลรูปวงแหวน เมื่อสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหายใจด้วยออกซิเจนจะจับกับเหล็กในกลุ่ม heme มีสี่เว็บไซต์ heme สำหรับออกซิเจนที่จะจับกับในเฮโมโกลบิน โมเลกุลจะถูกยึดไว้ด้วยกันโดยที่อยู่อาศัยของเซลล์เม็ดเลือดแดง หากปราศจากตาข่ายนิรภัยเฮโมโกลบินจะแยกออกจากกันได้อย่างง่ายดาย

การจับกับ heme ของออกซิเจนจะเริ่มต้นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนซึ่งทำให้หน่วยย่อยโพลีเปปไทด์ใกล้เคียงเปลี่ยนไปเช่นกัน ออกซิเจนตัวแรกเป็นสิ่งที่ท้าทายที่สุดในการผูกมัด แต่ออกซิเจนอีกสามตัวจะสามารถเชื่อมติดกันได้อย่างรวดเร็ว

การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโครงสร้างเนื่องจากออกซิเจนจับกับอะตอมของเหล็กในกลุ่ม heme สิ่งนี้จะเปลี่ยนกรดอะมิโนฮิสติดีนซึ่งจะเปลี่ยน alpha helix การเปลี่ยนแปลงดำเนินต่อไปผ่านหน่วยย่อยเฮโมโกลบินอื่น ๆ

ออกซิเจนถูกหายใจเข้าและจับกับฮีโมโกลบินในเลือดผ่านปอด เฮโมโกลบินมีออกซิเจนในกระแสเลือดส่งออกซิเจนไปยังทุกที่ที่ต้องการ เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นในร่างกายและระดับออกซิเจนลดลงออกซิเจนก็ถูกปล่อยออกมาและรูปร่างของฮีโมโกลบินจะเปลี่ยนไปอีกครั้ง ในที่สุดโมเลกุลออกซิเจนทั้งสี่จะถูกปล่อยออกมา

หน้าที่ของโมเลกุลเฮโมโกลบิน

เฮโมโกลบินไม่เพียง แต่นำออกซิเจนผ่านกระแสเลือดเท่านั้น แต่มันยังจับกับโมเลกุลอื่น ๆ ไนตริกออกไซด์สามารถจับกับซิสเตอีนในเฮโมโกลบินและกลุ่ม heme ไนตริกออกไซด์ปล่อยผนังหลอดเลือดและลดความดันโลหิต

โชคไม่ดีที่คาร์บอนมอนอกไซด์สามารถจับกับฮีโมโกลบินในรูปทรงที่คงที่เป็นอันตรายปิดกั้นออกซิเจนและนำไปสู่การขาดอากาศหายใจของเซลล์ คาร์บอนมอนอกไซด์ทำสิ่งนี้อย่างรวดเร็วทำให้ได้รับอันตรายอย่างมากเนื่องจากเป็นก๊าซพิษมองไม่เห็นและไม่มีกลิ่น

เฮโมโกลบินนั้นไม่เพียงพบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเท่านั้น มีฮีโมโกลบินหลายชนิดในตระกูลพืชตระกูลถั่วที่เรียกว่า leghemoglobin นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสิ่งนี้ช่วยให้แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่รากของพืชตระกูลถั่ว มันมีความคล้ายคลึงกับฮีโมโกลบินของมนุษย์โดยส่วนใหญ่เป็นเพราะกรดอะมิโนฮิสติดีนที่จับกับเหล็ก

โครงสร้างฮีโมโกลบินที่เปลี่ยนแปลงนั้นมีผลต่อการทำงานอย่างไร

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วโครงสร้างของฮีโมโกลบินเปลี่ยนไปเมื่อมีออกซิเจน ในคนที่มีสุขภาพแข็งแรงเป็นเรื่องปกติที่จะมีความแตกต่างบางประการในโครงสร้างหลักของการกำหนดค่ากรดอะมิโนของฮีโมโกลบิน การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในประชากรเปิดเผยตัวเองเมื่อมีปัญหาเกี่ยวกับโครงสร้างเฮโมโกลบิน

ใน โรคโลหิตจางเคียวเซลล์การกลายพันธุ์ในลำดับกรดอะมิโนนำไปสู่การจับกันเป็นกลุ่มของฮีโมโกลบิน deoxygenated สิ่งนี้จะเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์เม็ดเลือดแดงจนกระทั่งรูปร่างคล้ายเคียวหรือเสี้ยว

ความแปรปรวนทางพันธุกรรมนี้สามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นอันตราย เซลล์เม็ดเลือดแดงเคียวเซลล์เม็ดเลือดแดงเสี่ยงต่อความเสียหายและการสูญเสียฮีโมโกลบิน ซึ่งส่งผลให้เกิดโรคโลหิตจางหรือธาตุเหล็กต่ำ ผู้ที่มีฮีโมโกลบินเซลล์เคียวมีข้อได้เปรียบในพื้นที่ที่มีแนวโน้มเป็นมาลาเรีย

ในธาลัสซีเมีย, อัลฟา helices และแผ่นจีบเบต้าไม่ได้ผลิตในลักษณะเดียวกันส่งผลกระทบในเชิงลบต่อฮีโมโกลบิน

ฮีโมโกลบินและการรักษาทางการแพทย์ในอนาคต

เนื่องจากความท้าทายในการเก็บเลือดและการจับคู่เลือดกรุ๊ปนักวิจัยจึงหาวิธีในการสร้างเลือดเทียม ทำงานอย่างต่อเนื่องในการทำ เฮโมโกลบินชนิดใหม่เช่นหนึ่งกับสอง glycine ตกค้างที่ทำให้มันผูกพันกันในการแก้ปัญหาแทนที่จะแยกออกจากกันในกรณีที่ไม่มีเซลล์เม็ดเลือดแดงป้องกัน

การรู้จักโครงสร้างโปรตีนสี่ระดับในฮีโมโกลบินช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คิดค้นวิธีที่จะเข้าใจการทำงานของมันได้ดีขึ้น ในทางกลับกันสิ่งนี้อาจนำไปสู่การกำหนดเป้าหมายใหม่ของเวชภัณฑ์และการรักษาพยาบาลอื่น ๆ ในอนาคต