Transport dan Penyimpanan Oksigen

Sistem kehidupan menggunakan metaloprotein berbasis besi dan tembaga seperti hemoglobin dan mioglobin untuk mengikat oksigen secara reversibel, mengangkutnya ke seluruh tubuh dan menyimpannya di jaringan.

Definition

Transport dan penyimpanan oksigen adalah kimia bioanorganik di mana metaloprotein mengikat oksigen molekuler secara reversibel pada pusat logam untuk membawanya dalam aliran darah dan menahannya di jaringan untuk digunakan dalam respirasi.

Scope

Topik ini mencakup kimia bioanorganik pembawa dioksigen: pusat besi heme pada hemoglobin dan mioglobin, pengikatan oksigen kooperatif hemoglobin dan kontrol alosteriknya, perubahan struktural yang menyertai oksigenasi, serta pembawa oksigen alternatif hemosianin dan hemeritrin. Topik ini membahas pengikatan dan penyimpanan oksigen reversibel, sedangkan katalisis pengaktif oksigen dibahas dalam topik metaloenzim.

Core questions

• Bagaimana pusat besi heme mengikat oksigen secara reversibel tanpa teroksidasi?
• Mengapa pengikatan oksigen hemoglobin bersifat kooperatif?
• Perubahan struktural apa yang menyertai oksigenasi?
• Bagaimana hemosianin dan hemeritrin membawa oksigen dengan tembaga atau besi non-heme?

Key concepts

• Heme dan histidin proksimal
• Pengikatan dioksigen reversibel
• Kooperativitas dan kurva sigmoidal
• Regulasi alosterik
• Hemosianin (ditembaga)
• Hemeritrin (dibesi)

Key theories

Pengikatan dioksigen reversibel pada besi heme

Pusat besi(II) heme, yang dipegang dalam kantong protein dengan histidin proksimal, mengikat dioksigen secara end-on sementara protein mencegah oksidasi ireversibel, memungkinkan siklus pengambilan dan pelepasan berulang.

Kooperativitas dan alosteri pada hemoglobin

Pengikatan oksigen ke satu subunit memicu perubahan struktural tersier dan kuarterner yang meningkatkan afinitas subunit lainnya, menghasilkan kurva pengikatan sigmoidal yang dijelaskan Perutz dari stereokimia protein.

Pembawa oksigen alternatif

Hemosianin menggunakan situs ditembaga dan hemeritrin menggunakan situs dibesi non-heme untuk mengikat dioksigen, menunjukkan bahwa alam telah mengembangkan beberapa pusat logam yang berbeda untuk transport oksigen reversibel.

Mechanisms

Pada hemoglobin, pengikatan oksigen ke besi salah satu subunit menarik besi ke dalam bidang heme dan menggeser histidin yang terikat, menyebarkan perubahan kuarterner yang mengubah protein dari keadaan afinitas rendah menjadi keadaan afinitas tinggi sehingga membuat pengikatan menjadi kooperatif.

Clinical relevance

Kimia pembawa oksigen mendasari fisiologi pernapasan dan gangguan pengiriman oksigen, toksisitas karbon monoksida yang bersaing untuk situs heme, dan dasar molekuler kondisi yang memengaruhi hemoglobin; ini adalah materi referensi, bukan panduan klinis.

History

Dasar molekuler transport oksigen menjadi jelas dengan struktur kristal protein pertama: Kendrew memecahkan mioglobin dan Perutz memecahkan hemoglobin, pekerjaan yang diakui oleh Hadiah Nobel 1962. Perutz kemudian menjelaskan kooperativitas dari perbedaan struktural antara bentuk teroksigenasi dan terdeoksigenasi.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

Mengapa besi dalam hemoglobin tidak berkarat begitu saja saat mengikat oksigen?

Kantong protein mengisolasi setiap heme dan memposisikan histidin proksimal serta residu distal sehingga oksigen terikat secara reversibel tanpa dua pusat besi bertemu untuk membentuk spesies jembatan yang teroksidasi secara ireversibel, menjaga besi tetap tersedia untuk siklus berulang.

Apa yang dicapai oleh pengikatan kooperatif secara fisiologis?

Kooperativitas memberikan hemoglobin kurva pengikatan oksigen yang curam dan sigmoidal, sehingga hemoglobin memuat oksigen secara efisien di mana tekanan parsial tinggi, di paru-paru, dan melepaskannya secara efisien di mana tekanan rendah, di jaringan.