Oksijen Taşınımı ve Depolanması
Canlı sistemler, oksijeni geri dönüşümlü olarak bağlamak, vücut boyunca taşımak ve dokularda depolamak için hemoglobin ve miyoglobin gibi demir ve bakır bazlı metaloproteinleri kullanmaktadır.
Tanım
Oksijen taşınımı ve depolanması, metaloproteinlerin moleküler oksijeni bir metal merkezinde geri dönüşümlü olarak bağlayarak kan dolaşımında taşımasını ve solunumda kullanılmak üzere dokularda tutmasını sağlayan biyoanorganik kimyadır.
Kapsam
Bu konu, dioksijen taşıyıcılarının biyoanorganik kimyasını kapsamaktadır: hemoglobin ve miyoglobinin hem demir merkezleri, hemoglobinin kooperatif oksijen bağlanması ve bunun allosterik kontrolü, oksijenlenmeye eşlik eden yapısal değişiklikler ve alternatif oksijen taşıyıcıları olan hemosiyanin ve hemeritrin. Geri dönüşümlü oksijen bağlanması ve depolanmasını ele almakta, oksijen aktive edici katalizi ise metaloenzimler konusuna bırakmaktadır.
Temel sorular
- Hem demir merkezi, oksitlenmeden oksijeni geri dönüşümlü olarak nasıl bağlamaktadır?
- Hemoglobinin oksijen bağlanması neden kooperatiftir?
- Oksijenlenmeye hangi yapısal değişiklikler eşlik etmektedir?
- Hemosiyanin ve hemeritrin, bakır veya hem dışı demir ile oksijeni nasıl taşımaktadır?
Anahtar kavramlar
- Hem ve proksimal histidin
- Geri dönüşümlü dioksijen bağlanması
- Kooperatiflik ve sigmoidal eğri
- Allosterik düzenleme
- Hemosiyanin (dikobakır)
- Hemeritrin (diferro)
Temel kuramlar
- Hem demirinde geri dönüşümlü dioksijen bağlanması
- Proksimal bir histidin ile bir protein cebinde tutulan hemin demir(II) merkezi, dioksijeni uçtan uca bağlarken, protein geri dönüşümsüz oksidasyonu önleyerek tekrarlayan alım ve salım döngülerine izin vermektedir.
- Hemoglobinde kooperatiflik ve allosteri
- Oksijenin bir alt birime bağlanması, diğerlerinin afinitesini artıran üçüncül ve dördüncül yapısal değişiklikleri tetiklemekte, böylece Perutz'un proteinin stereokimyasından açıkladığı sigmoidal bağlanma eğrisini vermektedir.
- Alternatif oksijen taşıyıcıları
- Hemosiyanin bir dikobakır bölgesi, hemeritrin ise hem dışı bir diferro bölgesi kullanarak dioksijeni bağlamakta, bu da doğanın geri dönüşümlü oksijen taşınımı için çeşitli farklı metal merkezleri geliştirdiğini göstermektedir.
Mekanizmalar
Hemoglobinde, oksijenin bir alt birimin demirine bağlanması, demiri hem düzlemine çekmekte ve bağlı histidini kaydırmaktadır; bu durum, proteini düşük afiniteli durumdan yüksek afiniteli duruma dönüştüren ve böylece bağlanmayı kooperatif hale getiren dördüncül bir değişikliği yaymaktadır.
Klinik önem
Oksijen taşıyıcılarının kimyası, solunum fizyolojisinin ve oksijen iletim bozukluklarının, hem bölgesine rekabet eden karbon monoksitin toksisitesinin ve hemoglobini etkileyen durumların moleküler temelini oluşturmaktadır; bu bir referans materyalidir, klinik rehberlik değildir.
Tarihçe
Oksijen taşınımının moleküler temeli, ilk protein kristal yapılarıyla açıklığa kavuşmuştur: Kendrew miyoglobinin yapısını, Perutz ise hemoglobinin yapısını çözmüş, bu çalışmalar 1962 Nobel Ödülü ile tanınmıştır. Perutz daha sonra oksijenli ve oksijensiz formlar arasındaki yapısal farklılıklardan kooperatifliği açıklamıştır.
Öne çıkan isimler
- Max Perutz
- John Kendrew
- Linus Pauling
İlgili konular
Temel eserler
- perutz1970
- lippard1994
- bertini2007
Sıkça sorulan sorular
- Hemoglobindeki demir, oksijeni bağladığında neden basitçe paslanmaz?
- Protein cebi, her bir hemi izole etmekte ve proksimal bir histidin ile distal kalıntıları konumlandırmaktadır, böylece oksijen, geri dönüşümsüz olarak oksitlenmiş köprülü bir tür oluşturmak üzere iki demir merkezinin bir araya gelmesi olmaksızın geri dönüşümlü olarak bağlanmakta ve demiri tekrarlayan döngüler için kullanılabilir halde tutmaktadır.
- Kooperatif bağlanma fizyolojik olarak neyi sağlamaktadır?
- Kooperatiflik, hemoglobine dik, sigmoidal bir oksijen bağlanma eğrisi vermektedir, böylece oksijeni kısmi basıncın yüksek olduğu akciğerlerde verimli bir şekilde yüklemekte ve basıncın düşük olduğu dokularda verimli bir şekilde boşaltmaktadır.