Osupljiva molekula hemoglobina – čudež načrtnosti

»Dihanje se zdi tako preprosto, pa vendar je videti, da ta osnovna življenjska funkcija svoj obstoj dolguje vzajemnemu delovanju mnogih različnih atomov v veliki, zelo zapleteni molekuli.« (Max F. Perutz, ki je bil leta 1962 sodobitnik Nobelove nagrade za raziskave molekule hemoglobina.)

DIHANJE – kaj je lahko še bolj naravno? Večina od nas le redkokdaj razmišlja o tem. Vendar nas samo dihanje ne bi moglo ohraniti pri življenju, če ne bi imeli molekule hemoglobina, zapletene molekularne mojstrovine, ki jo je oblikoval naš Stvarnik. Hemoglobin, ki je v vsaki od 30 bilijonov rdečih krvničk, iz pljuč do tkiv po telesu prenaša kisik. Brez hemoglobina bi umrli skoraj v trenutku.

 Kako uspe molekulam hemoglobina sprejeti drobne molekule kisika, jih varno obdržati in nato oddati – vse to v ravno pravem trenutku? Za to je potrebnih kar nekaj osupljivih značilnosti molekularnega inženiringa.

Drobni molekularni »taksiji«

Predstavljajte si, da je vsaka molekula hemoglobina v celici kakor droben taksi s štirimi vrati, v katerem je prostora za natanko štiri »potnike«. Ta molekularni taksi ne potrebuje voznika, saj potuje v rdeči krvnički, ki bi jo lahko opisali kot potujoč zaboj, poln molekul hemoglobina.

Potovanje molekule hemoglobina se prične, ko rdeče krvničke prispejo v pljučne alveole oziroma mešičke – na »letališče«. Ko vdihnemo zrak v pljuča, začne brezštevilna množica drobnih, ravnokar prispelih molekul kisika iskati prevoz. Te molekule hitro vstopijo v rdeče krvničke oziroma »zaboje«. V vsaki krvnički so vrata hemoglobinskega taksija v tem trenutku še zaprta. Vendar ne mine dolgo, ko se odločna molekula kisika sredi te živahne gneče prerine v hemoglobinski taksi in zavzame svoj sedež.

Sedaj se zgodi nekaj zelo zanimivega. Molekula hemoglobina v rdeči krvnički prične spreminjati svojo obliko. Ko vstopi prvi potnik, se vsa štiri »vrata« hemoglobinskega taksija samodejno odprejo, tako da lažje vskočijo še drugi potniki. Ta postopek medsebojnega sodelovanja je tako učinkovit, da se pri enem samem vdihu zasede 95 odstotkov »sedežev« vseh taksijev v rdečih krvničkah. Skupaj lahko več kot četrtina milijarde molekul hemoglobina v samo eni rdeči krvnički prenese okoli milijardo molekul kisika! Kmalu se krvničke z vsemi temi taksiji podajo na pot, da dostavijo dragoceno zalogo kisika do telesnih tkiv. Vendar se morda sprašujete: »Kako to, da atomi kisika krvničke ne zapustijo prehitro?«

Znotraj vsake molekule hemoglobina so atomi železa, na katere se pritrdijo molekule kisika. Verjetno ste že videli, kaj se zgodi, ko se v prisotnosti vode spojita kisik in železo. Običajno nastane železov oksid oziroma rja. Med rjavenjem železa se kisik trajno veže v njegovo kristalno mrežo. Kako potem uspe molekuli hemoglobina vezati ter ločevati železo in kisik v vlažnem okolju rdeče krvničke, ne da bi pri tem nastala rja?

Podrobnejši vpogled

Da bi dobili odgovor na to vprašanje, si pobliže poglejmo molekulo hemoglobina. Sestavljena je iz kakih 10.000 atomov vodika, ogljika, dušika, žvepla in kisika, ki so natančno razporejeni okrog samo štirih atomov železa. Zakaj potrebujejo štirje atomi železa tako veliko podpore?

Kot prvo imajo štirje atomi železa električni naboj in potrebujejo skrben nadzor. Če takšni atomi, ki jim pravimo ioni, uidejo izpod nadzora, lahko v celicah naredijo veliko škode. Tako je vsak od štirih atomov železa na varnem na sredi zaščitne ploščice. * Kot drugo so te štiri ploščice v molekuli hemoglobina tako natančno nameščene, da molekule kisika lahko pridejo do ionov železa, molekule vode pa ne. Brez vode ne morejo nastajati kristali rje.

Železo v molekuli hemoglobina se ne more samo od sebe vezati s kisikom in ločevati od njega. Vendar pa bi bila preostala molekula hemoglobina neuporabna, če ne bi imela štirih naelektrenih atomov železa. Le kadar so ti ioni železa dovršeno umeščeni v molekuli hemoglobina, se lahko kisik prenaša po krvi.

Sprostitev kisika

Ko rdeča krvnička zapusti arterije in preide v drobne kapilare, ki so globoko v tkivih,  je okolje okoli nje drugačno. Sedaj je topleje kot v pljučih, manj je kisika in bolj je kislo zaradi ogljikovega dioksida, ki obdaja krvničko. Ti znaki molekulam hemoglobina oziroma taksijem v krvnički povedo, da je čas, da izpustijo svoje dragocene potnike – kisik.

Ko molekule kisika zapustijo hemoglobin, ta zopet spremeni svojo obliko. Sprememba je ravno tolikšna, da se »vrata zaprejo« in kisik ostane tam, kjer je najbolj potreben. Poleg tega hemoglobin zaradi zaprtih vrat ne more nazaj v pljuča prinesti niti malo kisika. Namesto tega za povratno pot hitro naloži ogljikov dioksid.

Kmalu so rdeče krvničke, ki so oddale kisik, zopet v pljučih, kjer molekule hemoglobina izpustijo ogljikov dioksid in se ponovno napolnijo z življenjsko pomembnim kisikom. Ta postopek se v življenjski dobi rdeče krvničke, ki traja okoli 120 dni, ponovi več tisočkrat.

Jasno je, da hemoglobin ni le navadna molekula. Kot piše na začetku tega članka, je to »velika, zelo zapletena molekula«. Zagotovo smo nad vsem tem prevzeti in smo hvaležni našemu Stvarniku za genialni ter natančni mikroinženiring, ki omogoča obstoj življenja!

[Podčrtna opomba]

[Okvir/shema na strani 28]

DOBRO SKRBITE ZA SVOJ HEMOGLOBIN!

Pri slabokrvnosti dejansko gre za to, da je v krvi premalo hemoglobina. Brez štirih nujno potrebnih atomov železa v molekuli hemoglobina je vseh ostalih 10.000 atomov v molekuli neuporabnih. Zato je pomembno, da z zdravo prehrano zaužijemo dovolj železa. V spremni razpredelnici je navedenih nekaj dobrih virov železa.

Poleg uživanja hrane, ki je bogata z železom, bi morali upoštevati naslednje nasvete: 1. Poskrbite za redno in ustrezno telesno dejavnost. 2. Ne kadite. 3. Ogibajte se pasivnega kajenja. Zakaj je vdihavanje tobačnega dima tako nevarno?

Zato, ker je takšen dim poln ogljikovega monoksida, strupa, ki je tudi v izpušnih plinih. Ogljikov monoksid je vzrok nesreč s smrtnim izidom in je sredstvo, s katerim nekateri ljudje naredijo samomor. Ta plin se na atome železa v hemoglobinu veže več kot 200-krat hitreje kot kisik. Zato cigaretni dim hitro škodljivo vpliva na človeka, saj zmanjša vnos kisika v telo.

[Shema]

ŽIVILO KOLIČINA ŽELEZO (mg)

Melasa 1 jedilna žlica 5,0

Surov tofu 110 gramov 4,0

Leča 100 gramov 3,3

Goveja pleča 85 gramov 3,2

Suhe marelice 100 gramov 3,2

Navadni fižol 90 gramov 2,6

Pšenični kalčki 30 gramov 2,6

Čičerika 80 gramov 2,4

Brokoli 1 srednje velik 2,1

Puranje rdeče meso 85 gramov 2,0

Surova špinača 30 gramov 0,8

[Shema/slika na strani 26]

(Lega besedila – glej publikacijo)

Beljakovinska veriga

Kisik

Atom železa

Hem

V pljučih, kjer je okolje bogato s kisikom, se molekula kisika veže na hemoglobin.

Ko se veže prva molekula kisika, hemoglobin rahlo spremeni svojo obliko, zato se lahko nanj hitro vežejo še tri molekule kisika.

Hemoglobin prenaša molekule kisika iz pljuč in jih nato sprošča tam, kjer jih telo potrebuje.