„Wygląda na to, że oddychanie — z pozoru tak proste i zaliczane do podstawowych oznak życia — jest możliwe dzięki temu, iż w gigantycznej i bardzo złożonej molekule współdziała ze sobą wiele rodzajów atomów” (Max Perutz, który w roku 1962 otrzymał Nagrodę Nobla za badania nad strukturą hemoglobiny).

CHYBA mało kto zastanawia się nad tak oczywistym procesem jak oddychanie. Nie podtrzymywałoby ono jednak naszego życia, gdyby nie hemoglobina — złożona cząsteczka, stanowiąca arcydzieło Stwórcy. Hemoglobina znajduje się w każdej z 30 bilionów krwinek czerwonych i transportuje tlen z płuc do tkanek organizmu. Gdyby jej zabrakło, niemal natychmiast byśmy zmarli.

 Jak to się dzieje, że cząsteczki hemoglobiny w odpowiedniej chwili wychwytują cząsteczki tlenu, potem bezpiecznie i odpowiednio długo je przytrzymują, a następnie w odpowiednim momencie uwalniają? Kryje się za tym szereg zdumiewających rozwiązań z zakresu inżynierii molekularnej.

Maleńkie „taksówki” molekularne

Każdą z cząsteczek hemoglobiny można przyrównać do malutkiej czterodrzwiowej taksówki, mogącej pomieścić dokładnie czterech „pasażerów”. Taksówka ta nie potrzebuje kierowcy, ponieważ razem z innymi cząsteczkami hemoglobiny podróżuje — niczym w kontenerze — wewnątrz krwinki czerwonej.

Cząsteczka hemoglobiny rozpoczyna swą podróż, gdy krwinki czerwone docierają na „lotnisko” — do płuc, a ściślej do pęcherzyków płucnych. Z wdychanym przez nas powietrzem dostaje się tam mnóstwo cząsteczek tlenu, które od razu zaczynają się rozglądać za taksówką. Szybko przenikają do „kontenerów”, czyli krwinek czerwonych, ale drzwi do hemoglobinowych taksówek są jeszcze zamknięte. Wkrótce jednak pierwszym cząsteczkom tlenu z napierającego tłumu udaje się je sforsować i zająć miejsce w taksówkach.

Teraz w krwince czerwonej dzieje się coś bardzo interesującego. Poszczególne cząsteczki hemoglobiny zmieniają swój kształt. Gdy do hemoglobinowej taksówki dostanie się pierwszy pasażer, automatycznie zaczyna się otwierać wszystkich czworo „drzwi”, dzięki czemu bez trudu mogą do niej wsiąść pozostali podróżni. Ten proces, nazywany kooperatywnością, przebiega tak efektywnie, że w czasie jednego oddechu zajętych zostaje 95 procent „miejsc” we wszystkich taksówkach umieszczonych w pojedynczej krwince czerwonej. Zawiera ona przeszło 250 milionów cząsteczek hemoglobiny, które w sumie mogą zabrać ponad miliard cząsteczek tlenu! Krwinka czerwona zapełniona wszystkimi tymi taksówkami rusza w drogę, by cenny tlen dostarczyć do potrzebujących go tkanek ciała. Ale może się zastanawiasz, dzięki czemu atomy tlenu zamknięte w krwince czerwonej nie wydostają się z niej zbyt wcześnie.

Tajemnica tkwi w tym, że wewnątrz cząsteczki hemoglobiny molekuły tlenu łączą się z czekającymi na nie atomami żelaza. Wiemy, co się dzieje z żelaznym przedmiotem wystawionym na działanie tlenu i wilgoci — na jego powierzchni tworzy się tlenek żelaza, czyli rdza. Wskutek tego tlen zostaje trwale związany. W jaki więc sposób w wilgotnym środowisku krwinki czerwonej cząsteczka hemoglobiny tak łączy i odszczepia żelazo i tlen, że nie powstają związki tworzące rdzę?

Hemoglobina pod lupą

Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjrzyjmy się bliżej cząsteczce hemoglobiny. Zbudowana jest mniej więcej z 10 000 atomów wodoru, węgla, azotu, siarki i tlenu, skupionych wokół zaledwie czterech atomów żelaza. Po co tym atomom żelaza taka asysta?

Te cztery atomy żelaza są obdarzone ładunkiem elektrycznym, toteż wymagają starannego nadzoru. Gdyby naładowane elektrycznie atomy, nazywane jonami, poruszały się swobodnie, mogłyby narobić w komórkach sporo szkód. Dlatego każdy z czterech jonów żelaza jest umieszczony w środku ochronnej płytki *. Wszystkie cztery płytki są tak usytuowane w cząsteczce hemoglobiny, że do jonów żelaza mogą się dostać molekuły tlenu, natomiast cząsteczki wody już nie. A bez wody nie powstaną związki, z których składa się rdza.

Samo żelazo znajdujące się w cząsteczce hemoglobiny nie może wiązać tlenu, a potem go uwalniać. Jednak bez tych czterech naładowanych elektrycznie atomów żelaza reszta cząsteczki hemoglobiny byłaby bezużyteczna. Jest ona zdolna transportować tlen tylko wtedy, gdy zawiera idealnie dopasowane do niej jony żelaza.

Uwalnianie tlenu

Kiedy krwinka czerwona opuszcza tętnice i dociera do drobniutkich naczyń włosowatych w tkankach, trafia do innego środowiska. Z powodu obecnego w nim dwutlenku węgla jest  ono uboższe w tlen i bardziej kwaśne. Ponadto panuje tam wyższa temperatura niż w płucach. Po odebraniu tych sygnałów cząsteczki hemoglobiny — nasze taksówki znajdujące się wewnątrz krwinki czerwonej — wiedzą, że pora wypuścić cennych pasażerów, czyli tlen.

Gdy molekuły tlenu wydostaną się z cząsteczki hemoglobiny, ponownie zmienia ona swój kształt. Dzięki temu może „zamknąć drzwi” i zostawić tlen na zewnątrz, gdzie jest bardzo potrzebny. Zamykając drzwi, chroni się też przed przypadkowym zabraniem jakichś cząsteczek tlenu z powrotem do płuc. Chętnie za to przeniesie teraz dwutlenek węgla.

Pozbawione tlenu krwinki czerwone wkrótce znowu trafiają do płuc, gdzie cząsteczki hemoglobiny oddają dwutlenek węgla i pobierają życiodajny tlen. W ciągu swego 120-dniowego życia krwinka czerwona uczestniczy w tym procesie tysiące razy.

Hemoglobina to rzeczywiście cząsteczka jedyna w swoim rodzaju. Jak nadmieniono na początku artykułu, stanowi „gigantyczną i bardzo złożoną molekułę”. Niewątpliwie jesteśmy pełni podziwu i wdzięczności dla naszego Stwórcy za genialne, dopracowane w każdym szczególe dzieła mikroinżynierii, dzięki którym możemy żyć.

[Przypis]

[Ramka i tabela na stronie 28]

DBAJ O HEMOGLOBINĘ!

Kiedy nieraz mówi się o niskim poziomie żelaza we krwi, ściśle rzecz biorąc chodzi o jego niedobór w hemoglobinie. Gdyby w cząsteczce hemoglobiny zabrakło czterech kluczowych atomów żelaza, wówczas 10 000 innych atomów wchodzących w jej skład byłoby bezużytecznych. Ważne jest więc, żeby zdrowo się odżywiać i dostarczać organizmowi odpowiednią ilość żelaza. Obok wyszczególniono niektóre produkty bogate w ten składnik.

Oprócz spożywania tych pokarmów warto uwzględnić następujące rady: 1) Regularnie zażywaj ruchu. 2) Nie pal tytoniu. 3) Wystrzegaj się biernego palenia. Dlaczego dym z papierosów i innych wyrobów tytoniowych jest niebezpieczny?

Ponieważ w dymie tym występuje tlenek węgla — trujący gaz obecny również w spalinach samochodowych. Powoduje on wiele przypadkowych śmiertelnych zatruć, a niektórzy za jego pomocą świadomie odbierają sobie życie. Tlenek węgla wiąże się z atomami żelaza w hemoglobinie ponad 200 razy łatwiej niż tlen. Tak więc dym papierosowy ogranicza pobór tlenu przez organizm i szybko go zatruwa.

[Tabela]

PRODUKT (100 g) ŻELAZO (mg)

czerwona kapusta 18

nasiona maku 14

kasza gryczana 10,9

kakao 10,7

żółtko jaja kurzego 7,2

fasola 6,5

płatki owsiane 5,5

szpinak gotowany 3

wołowina chuda 2,9

brokuły gotowane 1

ryż 0,8

[Ilustracja na stronie 26]

[Patrz publikacja]

struktura białkowa

tlen

atom żelaza

hem

W płucach — środowisku bogatym w tlen — cząsteczka tlenu wiąże się z hemoglobiną

Po przyłączeniu pierwszej cząstki tlenu hemoglobina zmienia nieco swój kształt, co pozwala na szybkie związanie jeszcze trzech cząsteczek tlenu

Hemoglobina transportuje cząsteczki tlenu z płuc do tkanek i uwalnia je tam, gdzie są potrzebne