Nepaprastoji hemoglobino molekulė — inžinerijos stebuklas

„Kvėpuoti atrodo taip paprasta, tačiau šis elementariausias gyvybės pasireiškimas priklauso nuo daugybės skirtingų atomų sąveikos milžiniškoje ir be galo sudėtingoje molekulėje“ (Maksas F. Perucas (Perutz) — vienas iš hemoglobino molekulės tyrinėtojų, 1962 metais apdovanotų Nobelio premija už atradimus šioje srityje).

KVĖPUOTI — kas gali būti paprasčiau? Retas apie tai išvis pagalvojame. Tačiau net ir kvėpuodami neliktume gyvi, jei mūsų organizme nebūtų hemoglobino molekulės — Kūrėjo sukonstruoto sudėtingo molekulinio šedevro. Hemoglobinas, esantis kiekvieno iš 30 trilijonų mūsų raudonųjų kraujo kūnelių viduje, perneša deguonį iš plaučių į visus audinius. Be hemoglobino numirtume kone akimirksniu.

 Kaip hemoglobino molekulės sugeba mažytes deguonies molekules tinkamu metu surinkti, iki tinkamo meto saugiai laikyti bei tinkamu metu jas išleisti? Tam reikia keleto genialių molekulinės inžinerijos sprendimų.

Miniatiūriniai molekuliniai „taksi“

Įsivaizduokime, kad kiekviena hemoglobino molekulė ląstelėje — tai mažytis keturių durų taksi, kuriame telpa tik keturi „keleiviai“. Šiam molekuliniam taksi vairuotojo nereikia, nes jis keliauja viduje raudonojo kraujo kūnelio, kurį būtų galima prilyginti konteineriui, prikrautam hemoglobino molekulių.

Savo kelionę hemoglobino molekulė pradeda, kai raudonieji kraujo kūneliai atkeliauja į plaučių alveoles — „oro uostą“. Kai įkvepiame oro, į plaučius atvyksta „minios“ deguonies molekulių ir pradeda ieškoti laisvo „taksi“. Jos greitai prasiskverbia į raudonuosius kraujo kūnelius — „konteinerius“. Tuo metu kiekvienoje ląstelėje esančio hemoglobino „taksi durelės“ dar tebėra uždarytos. Tačiau neilgai trukus, prasiveržusi pro judrią minią, ryžtinga deguonies molekulė įsispraudžia į „taksi“ ir jame įsitaiso.

Dabar prasideda kai kas labai įdomaus. Raudonojo kraujo kūnelio viduje hemoglobino molekulė ima keisti savo formą. Į „taksi“ įlipus pirmajai „keleivei“, automatiškai atsidaro visos ketverios jo durelės, ir tada jau be didelio vargo įsėda likusios „keleivės“. Šis procesas, vadinamas kooperatyvumu, yra toks efektyvus, kad per tiek laiko, kiek trunka vieną kartą įkvėpti, visuose „taksi“, kurie yra raudonųjų kraujo kūnelių viduje, užimama 95 procentai „sėdimų vietų“. Viename raudonajame kraujo kūnelyje yra daugiau kaip ketvirtis milijardo hemoglobino molekulių, ir visos kartu jos gali pernešti maždaug milijardą deguonies molekulių! Nieko negaišdamas raudonasis kraujo kūnelis, kurio viduje yra visi šie „taksi“, jau gabena savo vertingą deguonies krovinį į visus jo laukiančius organizmo audinius. Bet galbūt kyla klausimas: „Kas sulaiko deguonies atomus ląstelės viduje, kad šie „neišliptų“ per anksti?“

Atsakymas toks: kiekvienoje hemoglobino molekulėje deguonies molekulės prisijungia prie geležies atomų, pasiruošusių jas priimti. Veikiausiai esate matęs, kas įvyksta, kai ten, kur yra vandens, „susitinka“ deguonis ir geležis. Tada dažniausiai susidaro geležies oksidas — rūdys. Geležiai rūdijant, deguonis negrįžtamai izoliuojamas kristaluose. Tai kaip tuomet vandeningoje raudonojo kraujo kūnelio terpėje hemoglobino molekulė pajėgia geležį su deguonimi sujungti ir vėl atskirti, išvengdama rūdžių susidarymo?

Įsižiūrėkime iš arčiau

Kad atsakytume į šį klausimą, į hemoglobino molekulę įsižiūrėkime dar iš arčiau. Ją sudaro maždaug 10000 atomų: vandenilio, anglies, azoto, sieros bei deguonies. Visi šie atomai preciziškai išdėstyti aplink tiktai keturis geležies atomus. Kodėl šiems geležies atomams reikia tokios didelės „palaikymo komandos“?

Pirma, ši ketveriukė turi elektrinį krūvį, todėl ją būtina griežtai kontroliuoti. Įelektrinti atomai, vadinami jonais, išsilaisvinę gali pridaryti daug žalos ląstelių viduje. Todėl kiekvienas iš šių keturių geležies jonų saugiai įtvirtintas standžios apsauginės plokštelės viduryje. * Antra, keturios plokštelės yra labai apgalvotai išdėstytos hemoglobino molekulėje taip, kad deguonies molekulės gali prieiti prie geležies jonų, o vandens molekulės — ne. Jei vandens nėra, rūdžių kristalai nesusidaro.

Hemoglobino molekulėje esantis geležies atomas pats savaime negali deguonies nei prisijungti, nei nuo jo atskilti. Kita vertus, be keturių įelektrintų geležies atomų visa likusi hemoglobino molekulės dalis būtų betikslė. Tiktai tuomet, kai šie geležies jonai yra tobulai sudėlioti hemoglobino molekulėje, kraujotakos sistema geba išnešioti deguonį po visą organizmą.

 Kaip deguonis atskyla

Raudonasis kraujo kūnelis, arterijomis nukeliavęs į giliai organizmo audiniuose esančius smulkučius kapiliarus, patenka į kitokią terpę. Čia šilčiau negu plaučiuose, be to, yra mažiau deguonies ir didesnis rūgštingumas dėl ląstelę supančio anglies dioksido. Visa tai hemoglobino molekulėms, arba „taksi“, signalizuoja, jog atėjo laikas išlaipinti savo brangius „keleivius“ — deguonį.

Kai deguonies molekulės „išlipa“ iš hemoglobino molekulės, ši dar sykį pakeičia formą. To pakanka, kad „durelės užsidarytų“ ir deguonis liktų išorėje, kur jo labiausiai reikia. Tai, kad jos užsidaro, užtikrina, jog atgal į plaučius grįžtantis hemoglobinas nenugabens nė trupučio laisvo deguonies. Vietoje jo hemoglobinas į „oro uostą“ mielai „paveža“ anglies dioksidą.

Netekę deguonies, raudonieji kraujo kūneliai netrukus grįžta į plaučius, kur hemoglobino molekulės atiduos anglies dioksidą ir vėl pasikraus gyvybę palaikančio deguonies. Šis procesas kartojasi daug tūkstančių kartų per visą raudonojo kraujo kūnelio gyvavimo ciklą, kuris trunka apie 120 dienų.

Tad akivaizdu, jog hemoglobino molekulės paprasta tikrai nepavadinsi. Kaip teigiama šio straipsnio pradžioje, — tai „milžiniška ir be galo sudėtinga molekulė“. Mes išties jaučiame pagarbią baimę ir esame dėkingi savo Kūrėjui už genialią ir stulbinančiai tikslią mikroinžineriją, dėl kurios įmanoma gyvybė!

[Išnaša]

[Rėmelis/schema 28 puslapyje]

RŪPINKITĖS SAVO HEMOGLOBINU!

Kai sakoma, jog „kraujyje trūksta geležies“, iš tikrųjų tai reiškia, kad jame trūksta hemoglobino. Jeigu hemoglobino molekulė neturės keturių būtinų geležies atomų, kiti 10000 molekulės atomų bus beverčiai. Todėl, kad gautume pakankamai geležies, svarbu sveikai maitintis. Kai kurie puikūs jos šaltiniai nurodyti toliau pateiktoje lentelėje.

Turime ne tik valgyti maistą, kuriame apstu geležies, bet ir paisyti šių patarimų: 1) reguliariai ir tinkamai mankštintis; 2) nerūkyti; 3) vengti pasyvaus rūkymo. Kodėl cigarečių ir kitokių rūkalų dūmai tokie pavojingi?

Dėl to, kad tokiuose dūmuose gausu anglies monoksido, tos pačios nuodingos medžiagos, kurios yra automobilių išmetamosiose dujose. Dėl netyčinio apsinuodijimo anglies monoksidu pasitaiko mirties atvejų, o kartais toks būdas pasirenkamas savižudybei. Prie hemoglobine esančių geležies atomų anglies monoksidas prisijungia 200 kartų sparčiau nei deguonis. Todėl cigaretės dūmai, išstumdami įkvėptą deguonį, per trumpą laiką smarkiai pakenkia žmogaus organizmui.

[Schema]

PRODUKTAS PORCIJA KIEKIS GELEŽIS (mg)

Juodoji melasa valgomasis šaukštas 5,0

Sojų varškė 120 ml 4,0

Lęšiai 120 ml 3,3

Jautienos mentė 85 gramai 3,2

Džiovinti persikai 5 puselės 2,6

Daržinės pupelės 120 ml 2,6

Kviečių gemalai 28 gramai (~ 60 ml) 2,6

Avinžirniai 120 ml 2,4

Brokoliai vidutinio dydžio galvutė 2,1

Tamsi kalakutiena 85 gramai 2,0

Špinatai 240 ml (neapdorotų) 0,8

[Schema/iliustracija 26 puslapyje]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

Baltyminis darinys

Deguonis

Geležies atomas

Hemas

Deguonies prisotintuose plaučiuose deguonies molekulė prisijungia prie hemoglobino

Prisijungus pirmajai deguonies molekulei, hemoglobino molekulė kiek pakeičia formą, ir dėl to prie jos tuoj pat prisijungia dar trys deguonies molekulės

Hemoglobinas perneša deguonies molekules iš plaučių ir organizme išleidžia jas ten, kur reikia