NộI Dung
- TL; DR (Quá dài; Không đọc)
- Huyết sắc tố là gì?
- Tổng quan về cấu trúc protein
- Cấu trúc polypeptide
- Cấu trúc protein bậc ba và bậc bốn
- Mô tả cấu trúc của phân tử Hemoglobin
- Chức năng của một phân tử Hemoglobin
- Làm thế nào thay đổi cấu trúc Hemoglobin ảnh hưởng đến chức năng
- Huyết sắc tố và phương pháp điều trị y tế trong tương lai
Động vật có vú hít oxy từ không khí qua phổi. Oxy cần một cách để được vận chuyển từ phổi đến phần còn lại của cơ thể cho các quá trình sinh học khác nhau. Điều này xảy ra thông qua máu, đặc biệt là protein huyết sắc tố, được tìm thấy trong các tế bào hồng cầu. Hemoglobin thực hiện chức năng này do bốn cấp cấu trúc protein của nó: cấu trúc chính của hemoglobin, cấu trúc thứ cấp, và cấu trúc bậc ba và bậc bốn.
TL; DR (Quá dài; Không đọc)
Huyết sắc tố là protein trong các tế bào hồng cầu tạo cho nó màu đỏ. Hemoglobin cũng thực hiện nhiệm vụ thiết yếu là cung cấp oxy an toàn cho toàn cơ thể, và nó thực hiện điều này bằng cách sử dụng bốn cấp cấu trúc protein của nó.
Huyết sắc tố là gì?
Huyết sắc tố là một phân tử protein lớn được tìm thấy trong các tế bào hồng cầu. Trong thực tế, huyết sắc tố là chất cho vay màu đỏ của nó. Nhà sinh vật học phân tử Max Perutz đã phát hiện ra huyết sắc tố vào năm 1959. Perutz đã sử dụng phương pháp tinh thể học tia X để xác định cấu trúc đặc biệt của huyết sắc tố. Cuối cùng anh cũng sẽ khám phá cấu trúc tinh thể ở dạng khử oxy của nó, cũng như cấu trúc của các protein quan trọng khác.
Hemoglobin là phân tử mang oxy đến hàng nghìn tỷ tế bào trong cơ thể, cần thiết cho người và các động vật có vú khác để sống. Nó vận chuyển cả oxy và carbon dioxide.
Chức năng này xảy ra do hình dạng độc nhất của hemoglobin, có hình cầu và được tạo thành từ bốn tiểu đơn vị protein bao quanh một nhóm sắt. Hemoglobin trải qua những thay đổi về hình dạng của nó để giúp làm cho nó hiệu quả hơn trong chức năng mang oxy. Để mô tả cấu trúc của một phân tử hemoglobin, người ta phải hiểu cách thức sắp xếp các protein.
Tổng quan về cấu trúc protein
Protein là một phân tử lớn được tạo ra từ một chuỗi các phân tử nhỏ hơn gọi là axit amin. Tất cả các protein sở hữu một cấu trúc dứt khoát do thành phần của chúng. Hai mươi axit amin tồn tại và khi chúng liên kết với nhau, chúng tạo ra các protein duy nhất tùy thuộc vào trình tự của chúng trong chuỗi.
Các axit amin bao gồm một nhóm amino, carbon, nhóm axit cacboxylic và nhóm sidechain hoặc nhóm R kèm theo làm cho nó trở nên độc đáo. Nhóm R này giúp xác định xem một axit amin sẽ kỵ nước, ưa nước, tích điện dương, tích điện âm hay một cystein có liên kết disulfide.
Cấu trúc polypeptide
Khi các axit amin kết hợp với nhau, chúng tạo thành liên kết peptide và tạo thành một cấu trúc polypeptide. Điều này xảy ra thông qua một phản ứng ngưng tụ, dẫn đến một phân tử nước. Khi các axit amin tạo cấu trúc polypeptide theo một thứ tự cụ thể, trình tự này tạo thành một cấu trúc protein sơ cấp.
Tuy nhiên, polypeptide không nằm trên một đường thẳng mà thay vào đó chúng uốn cong và gấp lại để tạo thành hình dạng ba chiều có thể trông giống như một hình xoắn ốc (một xoắn alpha) hoặc một loại hình dạng accordion (a tờ beta xếp li). Những cấu trúc polypeptide này tạo nên một cấu trúc protein thứ cấp. Chúng được tổ chức với nhau thông qua các liên kết hydro.
Cấu trúc protein bậc ba và bậc bốn
Cấu trúc protein bậc ba mô tả một dạng cuối cùng của một protein chức năng bao gồm các thành phần cấu trúc thứ cấp của nó. Cấu trúc cấp ba sẽ có các đơn đặt hàng cụ thể đối với các axit amin, chuỗi xoắn alpha và các tấm xếp nếp beta, tất cả sẽ được xếp lại thành cấu trúc cấp ba ổn định. Các cấu trúc cấp ba thường hình thành liên quan đến môi trường của chúng, với các phần kỵ nước ở bên trong của protein và ưa nước ở bên ngoài (như trong tế bào chất), ví dụ.
Trong khi tất cả các protein sở hữu ba cấu trúc này, một số bao gồm nhiều chuỗi axit amin. Loại cấu trúc protein này được gọi là Cấu trúc bậc bốn, tạo ra protein của nhiều chuỗi với các tương tác phân tử khác nhau. Điều này mang lại một phức hợp protein.
Mô tả cấu trúc của phân tử Hemoglobin
Một khi người ta có thể mô tả cấu trúc của một phân tử hemoglobin, sẽ dễ dàng nắm bắt cấu trúc và chức năng của hemoglobin có liên quan như thế nào. Hemoglobin có cấu trúc tương tự như myoglobin, được sử dụng để lưu trữ oxy trong cơ bắp. Tuy nhiên, cấu trúc bậc bốn của hemoglobin đặt nó tách biệt.
Cấu trúc bậc bốn của một phân tử hemoglobin bao gồm bốn chuỗi protein cấu trúc bậc ba, hai trong số đó là các chuỗi xoắn alpha và hai trong số đó là các tấm xếp nếp beta.
Cá nhân, mỗi chuỗi xoắn alpha hoặc tấm xếp nếp beta là một cấu trúc polypeptide thứ cấp được tạo thành từ các chuỗi axit amin. Các axit amin lần lượt là cấu trúc chính của hemoglobin.
Bốn chuỗi cấu trúc thứ cấp chứa một nguyên tử sắt nằm trong cái được gọi là nhóm heme, một cấu trúc phân tử hình vòng. Khi động vật có vú thở oxy, nó liên kết với sắt trong nhóm heme. Có bốn vị trí heme để oxy liên kết với hemoglobin. Các phân tử được tổ chức với nhau bởi vỏ của một tế bào hồng cầu. Nếu không có mạng lưới an toàn này, huyết sắc tố sẽ dễ dàng tách ra.
Liên kết oxy với một heme bắt đầu thay đổi cấu trúc của protein, khiến các tiểu đơn vị polypeptide lân cận cũng thay đổi. Oxy đầu tiên là thách thức nhất để liên kết, nhưng ba oxy bổ sung sau đó có thể liên kết nhanh chóng.
Hình dạng cấu trúc thay đổi do liên kết oxy với nguyên tử sắt trong nhóm heme. Điều này làm thay đổi axit amin histidine, từ đó làm thay đổi chuỗi xoắn alpha. Những thay đổi tiếp tục thông qua các tiểu đơn vị huyết sắc tố khác.
Oxy được hít vào và liên kết với huyết sắc tố trong máu qua phổi. Hemoglobin mang oxy đó trong máu, đưa oxy đến bất cứ nơi nào cần thiết. Khi carbon dioxide tăng lên trong cơ thể và mức oxy giảm, oxy được giải phóng và hình dạng hemoglobin thay đổi một lần nữa. Cuối cùng, tất cả bốn phân tử oxy được giải phóng.
Chức năng của một phân tử Hemoglobin
Hemoglobin không chỉ mang oxy qua máu, nó còn liên kết với các phân tử khác. Oxit nitric có thể liên kết với cystein trong huyết sắc tố cũng như các nhóm heme. Đó là oxit nitric giải phóng các thành mạch máu và làm giảm huyết áp.
Thật không may, carbon monoxide cũng có thể liên kết với hemoglobin trong cấu hình ổn định nguy hiểm, ngăn chặn oxy và dẫn đến nghẹt thở của các tế bào. Carbon monoxide làm điều này một cách nhanh chóng, làm cho việc tiếp xúc với nó rất nguy hiểm, vì nó là một loại khí độc hại, vô hình và không mùi.
Huyết sắc tố không chỉ được tìm thấy ở động vật có vú. Thậm chí còn có một loại huyết sắc tố trong cây họ đậu, được gọi là leghemoglobin. Các nhà khoa học nghĩ rằng điều này giúp vi khuẩn cố định nitơ ở rễ của cây họ đậu. Nó mang sự tương đồng với huyết sắc tố của con người, chủ yếu là do axit amin histidine liên kết sắt của nó.
Làm thế nào thay đổi cấu trúc Hemoglobin ảnh hưởng đến chức năng
Như đã đề cập ở trên, cấu trúc hemoglobin Thay đổi trong sự hiện diện của oxy. Ở một người khỏe mạnh, việc có một số khác biệt về cấu trúc chính của cấu trúc axit amin là bình thường. Các biến thể di truyền trong quần thể tiết lộ bản thân khi có vấn đề với cấu trúc huyết sắc tố.
Trong thiếu máu hồng cầu hình liềm, một đột biến trong chuỗi axit amin dẫn đến một khối lượng huyết sắc tố khử oxy. Điều này làm thay đổi hình dạng của các tế bào hồng cầu cho đến khi chúng giống hình lưỡi liềm hoặc hình lưỡi liềm.
Sự biến đổi di truyền này có thể chứng minh là có hại. Tế bào hồng cầu hình liềm dễ bị tổn thương và mất huyết sắc tố. Điều này lần lượt dẫn đến thiếu máu, hoặc sắt thấp. Các cá nhân có hồng cầu hình liềm có một lợi thế trong các khu vực dễ bị sốt rét.
Trong bệnh thalassemia, các chuỗi xoắn alpha và các nếp gấp beta không được sản xuất theo cùng một cách, ảnh hưởng tiêu cực đến huyết sắc tố.
Huyết sắc tố và phương pháp điều trị y tế trong tương lai
Do những thách thức trong việc lưu trữ máu và phù hợp với các nhóm máu, các nhà nghiên cứu tìm cách tạo ra máu nhân tạo. Công việc vẫn tiếp tục các loại huyết sắc tố mới, chẳng hạn như một với hai dư lượng glycine giữ nó liên kết với nhau trong dung dịch, thay vì tách ra trong trường hợp không có tế bào hồng cầu bảo vệ.
Biết được bốn cấp cấu trúc protein trong huyết sắc tố giúp các nhà khoa học tìm ra cách để hiểu rõ hơn về chức năng của nó. Đổi lại, điều này có thể dẫn đến nhắm mục tiêu mới của dược phẩm và phương pháp điều trị y tế khác trong tương lai.