Дивовижна молекула гемоглобіну. Конструкторський шедевр

«Здається, немає нічого простішого за дихання. Все ж цей життєво важливий процес може відбуватися лише завдяки взаємодії різноманітних атомів у велетенській і надзвичайно складній молекулі» (Макс Перуц, Нобелівський лауреат 1962 року, дослідник молекули гемоглобіну)

ПРОЦЕС дихання настільки природний, що більшість навіть не задумується, як він відбувається. Однак щоб людина жила, їй не достатньо тільки дихати. Без гемоглобіну кисень не принесе нам жодної користі. Ця складна молекула — конструкторський шедевр нашого Творця. Вона міститься в кожному з 30 трильйонів наших червонокрівців і переносить кисень від легенів до різних тканин організму.  Якби гемоглобін зник, ми майже відразу б померли.

Як молекули гемоглобіну знають, коли збирати крихітні молекули кисню, скільки часу утримувати їх і коли випускати? Усе це відбувається завдяки кільком унікальним досягненням молекулярної інженерії.

«Міні-таксі»

Порівняймо молекулу гемоглобіну з чотиридверним «таксі», в якому поміщається лише чотири «пасажири». Цим «міні-таксі» не потрібно водіїв, оскільки вони перебувають всередині червонокрівця — пересувного резервуара, наповненого молекулами гемоглобіну.

Подорож дивовижної молекули починається з прибуття червонокрівців до «аеропорту» — альвеол легень. Коли ми робимо вдих, у легені потрапляє безліч мікроскопічних молекул кисню, які відразу починають шукати транспорт і швидко проникають всередину червонокрівців. У цей момент двері всіх «таксі» закриті. Проте незабаром одна з новоприбулих молекул кисню рішуче протискується в «таксі» й займає місце.

І тут відбувається щось дуже цікаве. Молекула гемоглобіну всередині червонокрівця починає змінювати форму. Щойно перший пасажир вмощується в «таксі», всі четверо дверей автоматично відкриваються й інші пасажири без перешкод займають свої місця. Цей процес, який називається кооперативністю, настільки ефективний, що протягом одного вдиху 95 відсотків «місць» у всіх «таксі» заповнюються. Кожен червонокрівець містить понад чверть мільярда молекул гемоглобіну, які разом переносять приблизно мільярд молекул кисню! Невдовзі червонокрівець з усіма «таксі» рушає в дорогу, щоб доставити життєдайний кисень до тканин організму. Але завдяки чому атоми кисню не покидають передчасно червонокрівця?

Річ у тім, що всередині гемоглобіну молекули кисню приєднуються до атомів заліза, які вже чекали на них. Мабуть, ви бачили, що стається, коли кисень з’єднується із залізом у вологому середовищі. Залізо окислюється, і з’являється іржа. Коли залізо ржавіє, кисень назавжди ув’язнюється в його кристалах. Як же тоді молекулі гемоглобіну вдається з’єднати і роз’єднати залізо та кисень у вологому середовищі червонокрівця без утворення іржі?

Будова незвичайної молекули

Щоб відповісти на це запитання, дослідімо молекулу гемоглобіну. Вона складається приблизно з 10 000 атомів водню, вуглецю, азоту, сірки та кисню, які в точному порядку розміщені довкола лише чотирьох атомів заліза. Чому ці чотири атоми потребують такої потужної підтримки?

Насамперед тому, що вони мають електричний заряд і вимагають особливого нагляду. Заряджені атоми, які називаються іонами, можуть завдати клітині великої шкоди, якщо вийдуть з-під контролю. Тому кожен з чотирьох іонів заліза вмонтований всередину твердої захисної пластинки *. Ці чотири пластинки розташовані в гемоглобіні таким чином, що молекули кисню мають доступ до іонів заліза, а молекули води — ні. Без води ж не утворюється іржа.

Залізо в молекулі гемоглобіну саме по собі не може зв’язуватися з киснем і звільнятися від нього. Без чотирьох заряджених атомів заліза гемоглобін був би ні на що не здатний. Лише коли іони заліза правильно розташовані в молекулі гемоглобіну, вона може переносити кисень кровоносною системою.

Вивільнення кисню

Червонокрівець, перемістившись з артерії в дрібні капіляри, потрапляє в зовсім  інше середовище. Тут значно тепліше, ніж у легенях, а через наявність вуглекислого газу, який оточує клітину, в капілярах вища кислотність і менше кисню. Це сигналізує молекулі гемоглобіну, тобто «таксі», що час випускати своїх цінних пасажирів.

Коли кисень покидає молекулу гемоглобіну, вона знову змінює форму. Завдяки цій зміні двері закриваються і кисень залишається там, де він найбільше потрібний. Оскільки двері закриті, гемоглобін на зворотному шляху не забирає з собою жодної заблукалої молекули кисню. Натомість до нього швидко приєднуються молекули вуглекислого газу, і він везе їх до легенів.

Невдовзі позбавлені кисню червонокрівці прибувають у легені. Тут молекули гемоглобіну випускають вуглекислий газ і підбирають життєдайний кисень. Цей процес повторюється тисячі разів протягом життя червонокрівця. А живе він приблизно 120 днів.

Отож «велетенська і надзвичайно складна молекула» гемоглобіну є справжнім дивом. Наскільки ж ми вдячні нашому Творцю за такий шедевр молекулярної інженерії, який підтримує наше життя!

[Примітка]

[Рамка/Таблиця на сторінці 28]

ЯК ПІДВИЩИТИ ГЕМОГЛОБІН?

Для того щоб в організмі людини вироблялося достатньо гемоглобіну, необхідне залізо. Коли в молекулі гемоглобіну немає чотирьох важливих атомів заліза, то інші 10 000 атомів цієї молекули стають непотрібними. Тому важливо отримувати достатньо заліза з продуктами харчування. У цій таблиці подані деякі продукти, багаті на залізо.

Окрім споживання таких продуктів, дотримуйтесь наведених тут порад: 1) регулярно займайтесь спортом; 2) не куріть; 3) уникайте пасивного куріння. Чому цигарки та інші тютюнові вироби настільки шкідливі?

Тютюновий дим насичений чадним газом — отрутою, яка міститься також у вихлопних газах. Отруєння чадним газом нерідко призводить до смерті. Його також використовують ті, хто хоче накласти на себе руки. Чадний газ зв’язується з атомами заліза в 200 разів швидше за кисень. Тому тютюновий дим перешкоджає кисню надходити в організм і завдає людині великої шкоди.

[Таблиця]

ПРОДУКТ (100 г) ЗАЛІЗО (мг)

Чорнослив 15

Пророслі зерна пшениці 9,4

Гречка 8

Горох 7

Вівсянка 5,4

Шпинат 4

Індичатина 3,3

Родзинки 3

Яблука 2

Яловича вирізка 1,6

Броколі 1

[Схема/Ілюстрація на сторінці 26]

(Повністю форматований текст дивіться в публікації)

Білкова структура

Кисень

Атом заліза

Гем

Молекула кисню зв’язується з гемоглобіном у наповнених киснем легенях

Коли з гемоглобіном зв’язується перша молекула кисню, його форма дещо змінюється і до нього відразу приєднуються ще три молекули кисню

Гемоглобін переносить кисень з легенів туди, де він потрібний