انتقال و ذخیره اکسیژن
سیستمهای زنده از متالوپروتئینهای مبتنی بر آهن و مس مانند هموگلوبین و میوگلوبین برای اتصال برگشتپذیر اکسیژن، انتقال آن در بدن و ذخیره آن در بافتها استفاده میکنند.
Definition
انتقال و ذخیره اکسیژن، شیمی بیواورگانیکی است که طی آن متالوپروتئینها اکسیژن مولکولی را به صورت برگشتپذیر در یک مرکز فلزی متصل میکنند تا آن را در جریان خون حمل کرده و در بافتها برای استفاده در تنفس نگه دارند.
Scope
این موضوع به شیمی بیواورگانیک حاملهای دیاکسیژن میپردازد: مراکز آهن هِم هموگلوبین و میوگلوبین، اتصال تعاونی اکسیژن توسط هموگلوبین و کنترل آلوستریک آن، تغییرات ساختاری که همراه با اکسیژنرسانی رخ میدهد، و حاملهای جایگزین اکسیژن هموسیانین و همریترین. این مبحث به اتصال و ذخیره برگشتپذیر اکسیژن میپردازد و کاتالیز فعالکننده اکسیژن را به موضوع متالوآنزیمها واگذار میکند.
Core questions
- چگونه مرکز آهن هِم اکسیژن را به صورت برگشتپذیر بدون اکسید شدن متصل میکند؟
- چرا اتصال اکسیژن هموگلوبین تعاونی است؟
- چه تغییرات ساختاری همراه با اکسیژنرسانی رخ میدهد؟
- چگونه هموسیانین و همریترین اکسیژن را با مس یا آهن غیرهِم حمل میکنند؟
Key concepts
- هِم و هیستیدین پروگزیمال
- اتصال برگشتپذیر دیاکسیژن
- تعاونی و منحنی سیگموئیدی
- تنظیم آلوستریک
- هموسیانین (دیمس)
- همریترین (دیآهن)
Key theories
- اتصال برگشتپذیر دیاکسیژن در آهن هِم
- مرکز آهن(II) هِم، که در یک حفره پروتئینی با یک هیستیدین پروگزیمال نگهداری میشود، دیاکسیژن را به صورت انتهایی متصل میکند در حالی که پروتئین از اکسیداسیون برگشتناپذیر جلوگیری میکند و امکان چرخههای مکرر جذب و رهاسازی را فراهم میآورد.
- تعاونی و آلوستری در هموگلوبین
- اتصال اکسیژن به یک زیرواحد، تغییرات ساختاری سوم و چهارم را تحریک میکند که میل ترکیبی سایر زیرواحدها را افزایش میدهد و منحنی اتصال سیگموئیدی را ایجاد میکند که پروتز آن را از استریوشیمی پروتئین توضیح داد.
- حاملهای جایگزین اکسیژن
- هموسیانین از یک جایگاه دیمس و همریترین از یک جایگاه دیآهن غیرهِم برای اتصال دیاکسیژن استفاده میکنند، که نشان میدهد طبیعت چندین مرکز فلزی متمایز را برای انتقال برگشتپذیر اکسیژن تکامل داده است.
Mechanisms
در هموگلوبین، اتصال اکسیژن به آهن یکی از زیرواحدها، آهن را به داخل صفحه هِم میکشد و هیستیدین متصل را جابجا میکند، که یک تغییر کواترنری را منتشر میکند که پروتئین را از حالت میل ترکیبی پایین به حالت میل ترکیبی بالا تبدیل میکند و بنابراین اتصال را تعاونی میسازد.
Clinical relevance
شیمی حاملهای اکسیژن زیربنای فیزیولوژی تنفسی و اختلالات تحویل اکسیژن، سمیت مونوکسید کربن که برای جایگاه هِم رقابت میکند، و اساس مولکولی شرایط مؤثر بر هموگلوبین است؛ این یک ماده مرجع است، نه راهنمای بالینی.
History
اساس مولکولی انتقال اکسیژن با اولین ساختارهای بلوری پروتئین روشن شد: کندرو میوگلوبین و پروتز هموگلوبین را حل کرد، کاری که با جایزه نوبل ۱۹۶۲ به رسمیت شناخته شد. پروتز سپس تعاونی را از تفاوتهای ساختاری بین اشکال اکسیژندار و بدون اکسیژن توضیح داد.
Key figures
- Max Perutz
- John Kendrew
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- perutz1970
- lippard1994
- bertini2007
Frequently asked questions
- چرا آهن در هموگلوبین هنگام اتصال اکسیژن به سادگی زنگ نمیزند؟
- حفره پروتئینی هر هِم را ایزوله میکند و یک هیستیدین پروگزیمال و بقایای دیستال را به گونهای قرار میدهد که اکسیژن به صورت برگشتپذیر متصل شود بدون اینکه دو مرکز آهن به هم برسند تا یک گونه پلدار اکسید شده برگشتناپذیر را تشکیل دهند، و آهن را برای چرخههای مکرر در دسترس نگه میدارد.
- اتصال تعاونی از نظر فیزیولوژیکی چه کاری انجام میدهد؟
- تعاونی به هموگلوبین یک منحنی اتصال اکسیژن شیبدار و سیگموئیدی میدهد، بنابراین اکسیژن را به طور مؤثر در جایی که فشار جزئی بالا است، در ریهها، بارگیری میکند و آن را به طور مؤثر در جایی که فشار پایین است، در بافتها، تخلیه میکند.