산소 운반 및 저장

생체계는 헤모글로빈과 미오글로빈과 같은 철 및 구리 기반의 금속단백질을 이용하여 산소를 가역적으로 결합시키고, 이를 체내로 운반하며 조직에 저장합니다.

Definition

산소 운반 및 저장은 금속단백질이 금속 중심에서 분자 산소를 가역적으로 결합하여 혈류로 운반하고 호흡에 사용하기 위해 조직에 보관하는 생체무기화학입니다.

Scope

이 주제는 이산소 운반체의 생체무기화학을 다룹니다: 헤모글로빈과 미오글로빈의 헴 철 중심, 헤모글로빈의 협동적 산소 결합 및 그 알로스테릭 조절, 산소화에 수반되는 구조적 변화, 그리고 대체 산소 운반체인 헤모시아닌과 헤메리트린. 가역적 산소 결합 및 저장을 다루며, 산소 활성화 촉매 작용은 금속효소 주제로 남겨둡니다.

Core questions

• 헴 철 중심은 산화되지 않고 어떻게 산소를 가역적으로 결합합니까?
• 헤모글로빈의 산소 결합은 왜 협동적입니까?
• 산소화에 수반되는 구조적 변화는 무엇입니까?
• 헤모시아닌과 헤메리트린은 구리 또는 비헴 철로 어떻게 산소를 운반합니까?

Key concepts

• 헴과 근위 히스티딘
• 가역적 이산소 결합
• 협동성과 S자형 곡선
• 알로스테릭 조절
• 헤모시아닌 (이구리)
• 헤메리트린 (이철)

Key theories

헴 철에서의 가역적 이산소 결합

근위 히스티딘과 함께 단백질 주머니에 고정된 헴의 철(II) 중심은 이산소를 말단 결합(end-on) 방식으로 결합하며, 단백질은 비가역적 산화를 방지하여 반복적인 흡수 및 방출 주기를 가능하게 합니다.

헤모글로빈의 협동성과 알로스테리

한 소단위에 산소가 결합하면 다른 소단위의 친화도를 높이는 3차 및 4차 구조 변화가 유발되어, 페루츠가 단백질의 입체화학으로부터 설명한 S자형 결합 곡선이 나타납니다.

대체 산소 운반체

헤모시아닌은 이구리 부위를, 헤메리트린은 비헴 이철 부위를 사용하여 이산소를 결합하며, 이는 자연이 가역적 산소 운반을 위해 여러 독특한 금속 중심을 진화시켰음을 보여줍니다.

Mechanisms

헤모글로빈에서 산소가 한 소단위의 철에 결합하면 철이 헴 평면으로 당겨지고 부착된 히스티딘이 이동하여, 단백질을 낮은 친화도 상태에서 높은 친화도 상태로 전환시키는 4차 구조 변화를 전파함으로써 결합을 협동적으로 만듭니다.

Clinical relevance

산소 운반체의 화학은 호흡 생리학 및 산소 전달 장애, 헴 부위와 경쟁하는 일산화탄소의 독성, 그리고 헤모글로빈에 영향을 미치는 질환의 분자적 기초를 설명합니다. 이는 참고 자료이며 임상 지침이 아닙니다.

History

산소 운반의 분자적 기초는 최초의 단백질 결정 구조가 밝혀지면서 명확해졌습니다. 켄드루는 미오글로빈을, 페루츠는 헤모글로빈을 규명했으며, 이 연구는 1962년 노벨상으로 인정받았습니다. 페루츠는 이후 산소화된 형태와 탈산소화된 형태 간의 구조적 차이로부터 협동성을 설명했습니다.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

헤모글로빈의 철은 산소와 결합할 때 왜 단순히 녹슬지 않습니까?

단백질 주머니는 각 헴을 격리시키고 근위 히스티딘과 원위 잔기를 배치하여, 두 철 중심이 만나 비가역적으로 산화된 가교 종을 형성하지 않고 산소가 가역적으로 결합하도록 하여, 철이 반복적인 주기에 사용될 수 있도록 합니다.

협동적 결합은 생리학적으로 어떤 역할을 합니까?

협동성은 헤모글로빈에 가파른 S자형 산소 결합 곡선을 제공하여, 폐와 같이 부분압이 높은 곳에서는 산소를 효율적으로 흡수하고, 조직과 같이 부분압이 낮은 곳에서는 효율적으로 방출하게 합니다.