نقل الأكسجين وتخزينه
تستخدم الأنظمة الحية بروتينات فلزية قائمة على الحديد والنحاس مثل الهيموغلوبين والميوغلوبين لربط الأكسجين بشكل عكسي، ونقله عبر الجسم وتخزينه في الأنسجة.
Definition
نقل الأكسجين وتخزينه هو الكيمياء البيولوجية غير العضوية التي تقوم من خلالها البروتينات الفلزية بربط الأكسجين الجزيئي بشكل عكسي في مركز فلزي لحمله في مجرى الدم والاحتفاظ به في الأنسجة لاستخدامه في التنفس.
Scope
يغطي هذا الموضوع الكيمياء البيولوجية غير العضوية لناقلات الأكسجين الثنائي: مراكز حديد الهيم في الهيموغلوبين والميوغلوبين، الارتباط التعاوني للأكسجين بالهيموغلوبين والتحكم التفارغي فيه، التغيرات الهيكلية التي تصاحب الأكسجة، وناقلات الأكسجين البديلة الهيموسيانين والهيمريثرين. ويتناول الارتباط والتخزين العكسي للأكسجين، تاركًا تحفيز تنشيط الأكسجين لموضوع الإنزيمات الفلزية.
Core questions
- كيف يربط مركز حديد الهيم الأكسجين بشكل عكسي دون أن يتأكسد؟
- لماذا يكون ارتباط الأكسجين بالهيموغلوبين تعاونيًا؟
- ما هي التغيرات الهيكلية التي تصاحب الأكسجة؟
- كيف ينقل الهيموسيانين والهيمريثرين الأكسجين بالنحاس أو الحديد غير الهيمي؟
Key concepts
- الهيم والهيستيدين القريب
- الارتباط العكسي للأكسجين الثنائي
- التعاونية والمنحنى السيني
- التنظيم التفارغي
- الهيموسيانين (ثنائي النحاس)
- الهيمريثرين (ثنائي الحديد)
Key theories
- الارتباط العكسي للأكسجين الثنائي بحديد الهيم
- يربط مركز الحديد (II) في الهيم، المحتجز في جيب بروتيني مع هيستيدين قريب، الأكسجين الثنائي من طرف واحد بينما يمنع البروتين الأكسدة غير العكسية، مما يسمح بدورات متكررة من الامتصاص والإطلاق.
- التعاونية والتفارغ في الهيموغلوبين
- يؤدي ارتباط الأكسجين بوحدة فرعية واحدة إلى إحداث تغييرات هيكلية ثلاثية ورباعية تزيد من ألفة الوحدات الأخرى، مما يعطي منحنى الارتباط السيني الذي شرحه بيروتز من الكيمياء الفراغية للبروتين.
- ناقلات الأكسجين البديلة
- يستخدم الهيموسيانين موقعًا ثنائي النحاس ويستخدم الهيمريثرين موقعًا ثنائي الحديد غير الهيمي لربط الأكسجين الثنائي، مما يوضح أن الطبيعة قد طورت عدة مراكز فلزية مميزة لنقل الأكسجين بشكل عكسي.
Mechanisms
في الهيموغلوبين، يؤدي ارتباط الأكسجين بحديد إحدى الوحدات الفرعية إلى سحب الحديد إلى مستوى الهيم وتحريك الهيستيدين المرتبط، مما يؤدي إلى انتشار تغيير رباعي يحول البروتين من حالة منخفضة الألفة إلى حالة عالية الألفة، وبالتالي يجعل الارتباط تعاونيًا.
Clinical relevance
تكمن كيمياء ناقلات الأكسجين وراء فسيولوجيا الجهاز التنفسي واضطرابات توصيل الأكسجين، وسمية أول أكسيد الكربون الذي يتنافس على موقع الهيم، والأساس الجزيئي للحالات التي تؤثر على الهيموغلوبين؛ هذه مادة مرجعية وليست إرشادات سريرية.
History
أصبح الأساس الجزيئي لنقل الأكسجين واضحًا مع أولى هياكل البروتينات البلورية: حل كيندرو بنية الميوغلوبين وحل بيروتز بنية الهيموغلوبين، وهو عمل حاز على جائزة نوبل عام 1962. ثم شرح بيروتز التعاونية من الفروق الهيكلية بين الأشكال المؤكسجة وغير المؤكسجة.
Key figures
- Max Perutz
- John Kendrew
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- perutz1970
- lippard1994
- bertini2007
Frequently asked questions
- لماذا لا يصدأ الحديد في الهيموغلوبين ببساطة عندما يرتبط بالأكسجين؟
- يعزل الجيب البروتيني كل هيم ويضع هيستيدينًا قريبًا وبقايا بعيدة بحيث يرتبط الأكسجين بشكل عكسي دون أن يلتقي مركزا حديد لتشكيل نوع مؤكسد جسري غير عكسي، مما يحافظ على الحديد متاحًا لدورات متكررة.
- ما الذي يحققه الارتباط التعاوني فسيولوجيًا؟
- تمنح التعاونية الهيموغلوبين منحنى ارتباط بالأكسجين حادًا وسينيًا، بحيث يحمل الأكسجين بكفاءة حيث يكون الضغط الجزئي مرتفعًا، في الرئتين، ويفرغه بكفاءة حيث يكون الضغط منخفضًا، في الأنسجة.