Hemoglobine — Een wonder van ontwerp

„Ademen lijkt zo simpel, maar het ziet ernaar uit dat deze elementaire manifestatie van het leven bestaat dankzij de wisselwerking tussen allerlei atomen in een groot, zeer ingewikkeld molecuul.” — Max F. Perutz, Nobelprijswinnaar in 1962 voor zijn onderzoek naar het hemoglobinemolecuul.

IS ER iets natuurlijkers dan ademhalen? De meesten van ons denken er geen moment over na. Onze ademhaling zou ons echter niet in leven kunnen houden zonder het hemoglobinemolecuul, een complex moleculair meesterwerk van onze Schepper. De hemoglobine in elk van onze dertig biljoen rode bloedcellen vervoert de zuurstof van de longen naar de weefsels overal in het lichaam. Zonder hemoglobine zouden we bijna onmiddellijk doodgaan.

 Hoe kunnen hemoglobinemoleculen op het goede moment de minuscule zuurstofmoleculen opnemen, ze veilig bewaren en dan op het juiste moment afgeven? Daar zijn verschillende verbluffende staaltjes van moleculair ontwerp voor nodig.

Minuscule moleculaire ’taxi’s’

Elk hemoglobinemolecuul in een cel is te vergelijken met een piepklein taxietje met ruimte voor precies vier ’passagiers’. Deze moleculaire taxi heeft geen chauffeur nodig, want hij verplaatst zich in een rode bloedcel, die beschreven kan worden als een reizende container vol hemoglobinemoleculen.

Voor een hemoglobinemolecuul begint de reis wanneer rode bloedcellen aankomen in de longblaasjes, de ’luchthaven’. Wanneer we inademen, zoeken de grote groepen pas aangekomen minuscule zuurstofmoleculen naar een taxi. Deze moleculen verspreiden zich snel over de rode bloedcellen, de ’containers’. Op dit moment zijn de deuren van de hemoglobinetaxi’s in al die cellen gesloten. Maar al snel wurmt een vastberaden zuurstofmolecuul uit de menigte zich in een hemoglobinetaxi en neemt plaats.

Nu gebeurt er iets interessants. In de rode cel begint het hemoglobinemolecuul van vorm te veranderen. Alle vier de ’deuren’ van de hemoglobinetaxi gaan automatisch open wanneer de eerste passagiers instappen, zodat de andere passagiers er makkelijker in kunnen. Dit proces wordt coöperativiteit genoemd, en het is zo efficiënt dat in de tijd die nodig is voor één ademhaling, 95 procent van de ’zitplaatsen’ in alle taxi’s in een rode bloedcel ingenomen is. Samen kunnen de ruim 250 miljoen hemoglobinemoleculen in één rode bloedcel ongeveer een miljard zuurstofmoleculen vervoeren! Al snel is de rode bloedcel met al deze taxi’s onderweg om de kostbare voorraad zuurstof af te leveren bij de lichaamsweefsels die er behoefte aan hebben. Maar hoe komt het dat de zuurstofatomen niet voortijdig uitstappen?

Het antwoord daarop is dat zuurstofmoleculen zich in elk hemoglobinemolecuul aan wachtende ijzeratomen hechten. We weten wat er gebeurt als zuurstof en ijzer bij elkaar komen in de aanwezigheid van water. Meestal vormt zich dan ijzeroxide, roest. Wanneer ijzer roest, wordt de zuurstof permanent opgesloten in een kristal. Hoe lukt het het hemoglobinemolecuul dan om in de vochtige omgeving van de rode bloedcel ijzer en zuurstof te binden en weer af te geven zonder dat er roest ontstaat?

Een kijkje van dichtbij

Voor het antwoord op die vraag gaan we het hemoglobinemolecuul eens van dichtbij bekijken. Het molecuul bestaat uit zo’n tienduizend atomen waterstof, koolstof, stikstof, zwavel en zuurstof, die zorgvuldig gerangschikt zijn rond niet meer dan vier atomen ijzer. Waarom hebben die vier ijzeratomen zo veel ondersteuning nodig?

In de eerste plaats zijn de vier ijzeratomen elektrisch geladen en moeten ze goed onder controle gehouden worden. Geladen atomen, ook wel ionen genoemd, kunnen binnen de cel namelijk veel schade aanrichten als ze de vrijheid krijgen. Daarom wordt elk van de vier ijzerionen vastgehouden in het midden van een beschermende onbuigzame plaat. * Die vier platen zitten op zo’n manier in het hemoglobinemolecuul dat zuurstofmoleculen bij de ijzerionen kunnen maar watermoleculen niet. En zonder water kunnen er zich geen roestkristallen vormen.

Het ijzer in het hemoglobinemolecuul kan zelf geen zuurstof binden en afgeven. Maar zonder de vier geladen ijzeratomen zou de rest van het hemoglobinemolecuul onbruikbaar zijn. Alleen als deze ijzerionen op de juiste plek in het hemoglobinemolecuul zitten, kan het vervoer van zuurstof door de bloedbaan plaatsvinden.

De afgifte van zuurstof

Wanneer een rode bloedcel de slagaders verlaat en naar de kleine haarvaten diep in de lichaamsweefsels gaat, verandert de omgeving rond de rode bloedcel. De omgeving is nu  warmer dan die in de longen, er is minder zuurstof en de kooldioxide rond de cel heeft een hogere zuurgraad. Deze signalen maken de hemoglobinemoleculen in de cel duidelijk dat het tijd is om hun kostbare passagiers, de zuurstofmoleculen, uit de taxi te laten.

Als de zuurstofmoleculen het hemoglobinemolecuul verlaten, verandert die opnieuw van vorm. Die verandering is net genoeg om de deuren te sluiten en de zuurstof buiten te laten, waar die het hardst nodig is. Dat de deuren dichtzitten voorkomt ook dat de hemoglobine zuurstof mee terug neemt op weg naar de longen. In plaats daarvan neemt het makkelijk kooldioxide mee op de terugreis.

Al snel zijn de rode bloedcellen zonder zuurstof terug in de longen, waar de hemoglobinemoleculen de kooldioxide loslaten en opnieuw de levengevende zuurstof opnemen. Dit proces wordt in de levensduur van de rode bloedcel van ongeveer 120 dagen vele duizenden keren herhaald.

Hemoglobine is dus geen gewoon molecuul. Zoals aan het begin van het artikel werd gezegd, is het „een groot, zeer ingewikkeld molecuul”. We zijn beslist diep onder de indruk van het briljante, uiterst nauwgezette wonder van microtechniek, en we zijn onze Schepper dankbaar dat hij hierdoor het leven mogelijk heeft gemaakt!

[Voetnoot]

[Kader/Tabel op blz. 28]

ZORG GOED VOOR UW HEMOGLOBINE!

Soms hebben mensen het over een ijzertekort in het bloed, maar in feite is het een hemoglobinetekort. Zonder de vier essentiële ijzeratomen in een hemoglobinemolecuul zijn de andere tienduizend atomen in de moleculen niet bruikbaar. Het is dus belangrijk om voldoende ijzer binnen te krijgen door gezond te eten. In de tabel hiernaast staan enkele goede bronnen van ijzer in verschillende voedingsmiddelen.

Naast het eten van ijzerrijk voedsel zijn de volgende adviezen op hun plaats: 1. Doe geregeld aan lichaamsbeweging. 2. Rook niet. 3. Vermijd meeroken.

Waarom zijn sigarettenrook en andere vormen van tabaksrook eigenlijk zo schadelijk? Rook zit vol koolmonoxide, hetzelfde giftige gas dat uit de uitlaat van auto’s komt. Koolmonoxide maakt soms dodelijke slachtoffers en wordt zelfs gebruikt om zelfmoord te plegen. Koolmonoxide bindt zich zo’n 200 keer makkelijker aan de ijzeratomen in hemoglobine dan zuurstof. Sigarettenrook kan dus heel snel een nadelige uitwerking hebben doordat iemands inname van zuurstof wordt beperkt.

[Tabel]

VOEDINGSMIDDEL (100 g) IJZER (mg)

Appelstroop 15,3

Leverworst 4,2

Noten, gemengd 2,9

Rundergehakt, bereid 2,7

Volkorenbrood 2,5

Tofoe, bereid 2,2

Bonen, bruin/wit, gekookt 2,0

Ei, gekookt 1,9

Tuttifrutti, gedroogd 1,8

Spinazie, gekookt 1,3

Zalm, bereid 1,0

[Diagram/Illustratie op blz. 26]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Eiwitketen

Zuurstof

IJzeratoom

Heem

In de zuurstofrijke omgeving van de longen bindt een zuurstofmolecuul zich aan de hemoglobine

Nadat het eerste zuurstofmolecuul gebonden is, kunnen door een kleine verandering in de vorm van de hemoglobine nog drie zuurstofmoleculen zich snel binden

Hemoglobine vervoert de zuurstofmoleculen naar de plekken in het lichaam waar ze nodig zijn