Vận chuyển và Lưu trữ Oxy

Các hệ thống sống sử dụng các metalloprotein gốc sắt và đồng như hemoglobin và myoglobin để liên kết oxy một cách thuận nghịch, vận chuyển nó khắp cơ thể và lưu trữ trong các mô.

Definition

Vận chuyển và lưu trữ oxy là hóa học vô cơ sinh học mà theo đó các metalloprotein liên kết oxy phân tử một cách thuận nghịch tại một trung tâm kim loại để vận chuyển nó trong máu và giữ nó trong các mô để sử dụng trong hô hấp.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học vô cơ sinh học của các chất mang dioxygen: trung tâm sắt heme của hemoglobin và myoglobin, sự liên kết oxy hợp tác của hemoglobin và kiểm soát dị lập thể của nó, những thay đổi cấu trúc đi kèm với quá trình oxy hóa, và các chất mang oxy thay thế hemocyanin và hemerythrin. Nó đề cập đến sự liên kết và lưu trữ oxy thuận nghịch, để lại quá trình xúc tác hoạt hóa oxy cho chủ đề metalloenzyme.

Core questions

• Trung tâm sắt heme liên kết oxy thuận nghịch như thế nào mà không bị oxy hóa?
• Tại sao sự liên kết oxy của hemoglobin có tính hợp tác?
• Những thay đổi cấu trúc nào đi kèm với quá trình oxy hóa?
• Hemocyanin và hemerythrin vận chuyển oxy bằng đồng hoặc sắt không heme như thế nào?

Key concepts

• Heme và histidine gần
• Liên kết dioxygen thuận nghịch
• Tính hợp tác và đường cong sigmoid
• Điều hòa dị lập thể
• Hemocyanin (dicopper)
• Hemerythrin (diiron)

Key theories

Liên kết dioxygen thuận nghịch tại sắt heme

Trung tâm sắt(II) của heme, được giữ trong một túi protein với một histidine gần, liên kết dioxygen theo kiểu đầu-cuối trong khi protein ngăn chặn quá trình oxy hóa không thuận nghịch, cho phép các chu kỳ hấp thụ và giải phóng lặp lại.

Tính hợp tác và dị lập thể trong hemoglobin

Sự liên kết oxy với một tiểu đơn vị kích hoạt các thay đổi cấu trúc bậc ba và bậc bốn làm tăng ái lực của các tiểu đơn vị khác, tạo ra đường cong liên kết sigmoid mà Perutz đã giải thích từ hóa học lập thể của protein.

Các chất mang oxy thay thế

Hemocyanin sử dụng một vị trí dicopper và hemerythrin sử dụng một vị trí diiron không heme để liên kết dioxygen, cho thấy rằng tự nhiên đã phát triển một số trung tâm kim loại riêng biệt để vận chuyển oxy thuận nghịch.

Mechanisms

Trong hemoglobin, sự liên kết oxy với sắt của một tiểu đơn vị kéo sắt vào mặt phẳng heme và làm dịch chuyển histidine gắn liền, lan truyền một thay đổi bậc bốn chuyển protein từ trạng thái ái lực thấp sang trạng thái ái lực cao và do đó làm cho sự liên kết có tính hợp tác.

Clinical relevance

Hóa học của các chất mang oxy là nền tảng của sinh lý hô hấp và các rối loạn cung cấp oxy, độc tính của carbon monoxide cạnh tranh vị trí heme, và cơ sở phân tử của các tình trạng ảnh hưởng đến hemoglobin; đây là tài liệu tham khảo, không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

Cơ sở phân tử của vận chuyển oxy trở nên rõ ràng với các cấu trúc tinh thể protein đầu tiên: Kendrew đã giải mã myoglobin và Perutz đã giải mã hemoglobin, công trình được công nhận bởi Giải Nobel năm 1962. Perutz sau đó đã giải thích tính hợp tác từ sự khác biệt cấu trúc giữa các dạng đã oxy hóa và chưa oxy hóa.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

Tại sao sắt trong hemoglobin không bị gỉ khi liên kết oxy?

Túi protein cô lập từng heme và định vị một histidine gần và các gốc xa để oxy liên kết thuận nghịch mà không có hai trung tâm sắt gặp nhau để tạo thành một loài cầu nối bị oxy hóa không thuận nghịch, giữ cho sắt sẵn sàng cho các chu kỳ lặp lại.

Sự liên kết hợp tác đạt được điều gì về mặt sinh lý?

Tính hợp tác mang lại cho hemoglobin một đường cong liên kết oxy dốc, hình chữ S, do đó nó tải oxy hiệu quả ở nơi áp suất riêng phần cao, trong phổi, và giải phóng nó hiệu quả ở nơi áp suất thấp, trong các mô.