Πρωτεΐνες μεταφοράς οξυγόνου: μυοσφαιρίνη, ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Πρωτεΐνες μεταφοράς οξυγόνου: μυοσφαιρίνη, αιμοσφαιρίνη, ψυχανθο-αιμοσφαιρίνη

Μνήμη Χρίστου Κατσέτου (1958-2017) Καθηγητή Παθολογοανατομίας και Ερευνητού-Καθηγητή Παιδιατρικής και Νευρολογίας, Ιατρική Σχολή, Πανεπιστήμιο Drexel, Φιλαδέλφεια ΗΠΑ. It is nice to be important, but it is more important to be nice!

Μερικά γενικά γνωρίσματα των βιομορίων και των βιοχημικών αντιδράσεων Τα βιομόρια είναι πολλά (μπορεί και 100.000 διαφορετικά τέτοια μόρια σε έναν ζωντανό οργανισμό) Παρ’ όλα αυτά, κανένα τους δεν αντιδρά τυχαία με οποιοδήποτε άλλο, μα ούτε και συγχρωτίζονται τυχαία. Οι όποιοι συγχρωτισμοί αφορούν εξειδικευμένες αλληλεπιδράσεις (π.χ. ιστόνες με το DNA, μεμβρανικές πρωτεΐνες με συγκεκριμένα μεμβρανικά λιπίδια ή/και συγκεκριμένες άλλες πρωτεΐνες, ορισμένες πρωτεΐνες με ριβοσωματικό RNA στα ριβοσώματα). Όλες οι αντιδράσεις σε έναν ζωντανό οργανισμό (γύρω στις 15.000-20.000 διαφορετικές τέτοιες!) διεκπεραιώνονται από ειδικούς καταλύτες, έναν για κάθε αντίδραση.

Βιομόρια, διαφορές από τα ανόργανα μόρια που γνωρίσαμε 70 % της μάζας των ζωντανών οργανισμών είναι Η2Ο. Η πολύ μεγάλη πλειοψηφία των βιομορίων είναι πολικά μόρια, άρα διαλυτά στο νερό Πολλά από αυτά περιέχουν διπλούς δεσμούς (C=C, C=O, C=N) καθώς και μερικούς διπλούς δεσμούς C···N. Τα μεγάλα μόρια (πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, λίπη και νουκλεϊκά οξέα) είναι πολυμερή μικρών μορίων (αμινοξέων, σακχάρων, λιπαρών οξέων και νουκλεοζιτών, αντίστοιχα). Στα μικρά μόρια, αλλά και μεταξύ τμημάτων των μεγάλων μορίων, οι έλξεις-απώσεις μεταξύ φορτισμένων μορίων, οι δεσμοί υδρογόνου και οι δυνάμεις van der Waals είναι στην ημερήσια διάταξη ως οι τρόποι αλληλεπίδρασης. Θα αρχίσουμε με τις πρωτεΐνες, τα πρόθυμα και ευέλικτα σκλαβάκια των οργανισμών. Μυοσφαιρίνη και αιμοσφαιρίνη, οι πρώτες πρωτεΐνες που μελετήθηκαν εν τω βάθει.

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Αίμη

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

Η πρωτοποριακή ανακάλυψη του Pauling που οδήγησε στη ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Η πρωτοποριακή ανακάλυψη του Pauling που οδήγησε στη λειτουργική μαγνητική τομογραφία, περ. 70 χρόνια μετά!! Δεοξυαιμοσφαιρίνη = Σίδηρος (+2) σε κατάσταση υψηλού σπιν. Οξυαιμοσφαιρίνη = Σίδηρος (+2) σε κατάσταση χαμηλού σπιν. Linus Pauling, Proc Natl Acad Sci USA 22(4): 210–216.1936!! Perutz MF, et al. (1960) Structure of haemoglobin. Nature 185:416–422.

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

Ατμοσφαιρική πίεση οξυγόνου στην επιφάνεια της θάλασσας: 160 Torr ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Ατμοσφαιρική πίεση οξυγόνου στην επιφάνεια της θάλασσας: 160 Torr

Ατμοσφαιρική πίεση οξυγόνου στην επιφάνεια της θάλασσας: 160 Torr ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Ατμοσφαιρική πίεση οξυγόνου στην επιφάνεια της θάλασσας: 160 Torr

Ατμοσφαιρική πίεση οξυγόνου στην επιφάνεια της θάλασσας: 160 Torr ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Ατμοσφαιρική πίεση οξυγόνου στην επιφάνεια της θάλασσας: 160 Torr

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΔΡΕΠΑΝΟΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΙΜΙΑ: Υπαρκτή στην Ελλάδα, σε διάφορες περιοχές ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 ΔΡΕΠΑΝΟΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΙΜΙΑ: Υπαρκτή στην Ελλάδα, σε διάφορες περιοχές Αιτία: β6Glu  β6Val 1948 Linus Pauling: μοριακή νόσος απουσία οξυγόνου  δρεπάνωση 1956-57 Vernon Ingram : χρωματογραφία σε χαρτί, β6Glu  β6Val

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Val 88

Από τον χάρτη κακώς λείπουν τα νησιά Ιονίου και Αιγαίου Πελάγους, ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Από τον χάρτη κακώς λείπουν τα νησιά Ιονίου και Αιγαίου Πελάγους, το Κατελλόριζο και η Κύπρος.

Ψυχανθοαιμοσφαιρίνες!! Υπάρχουν στα ψυχανθή, όπου τα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια στις ρίζες των ψυχανθών καθηλώνουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε ιόντα αμμωνίου: Ν2 + 8 Η+ + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O  2 ΝΗ3 + Η2 + 16 ADP + 16 Pi Όπως θα θυμάστε από το προηγούμενο εξάμηνο, η παραλλαγή της αντίδρασης αυτής (αντίδραση Haber, βιομηχ. παρασκευή ΝΗ3) έχει πολύ μεγάλη ενέργεια ενεργοποίησης. Τα αζωτοβακτήρια λοιπόν χρειάζονται πολλή ενέργεια (στη μορφή ΑΤΡ) για να φέρουν εις πέρας αυτή την αντίδραση. Η μεγάλη παραγωγή ΑΤΡ απαιτεί οξυγόνο, που δεν φτάνει εύκολα στις ρίζες από την ατμόσφαιρα, οπότε εδώ είναι η λειτουργία των ψυχανθο-αιμοσφαιρινών.

Ψυχανθο-αιμοσφαιρίνη από σόγια, 1BIN.pdb, www.rcsb.org Μοιάζει πάρα πολύ με Μυοσφαιρίνη/αιμοσφαιρίνη 1 πολυπεπτίδιο 1 μόριο αίμης/αλυσίδα 1 εγγύς ιστιδίνη 1 απομακρυσμένη ιστιδίνη

Λεπτομέρεια στη ψυχανθο-αιμοσφαιρίνη O C C His61 Οξικό O Fe2+ His92

Η καθήλωση αερίου αζώτου σε οργανική ύλη από τα ψυχανθή Αυτή είναι η σωτήρια διεργασία των γεωργών όλου του κόσμου: απαιτεί λιγότερη λίπανση, μόνο και μόνο με την εφαρμογή της αμειψισποράς. Σε ορεινά μέρη όπου ευδοκιμούσε η καλλιέργεια οπωροφόρων φρούτων, τα ψυχανθή φυτεύονταν ανάμεσα στα δένδρα! Ν2 + 8 Η+ + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O  2 ΝΗ3 + Η2 + 16 ADP + 16 Pi Αυτή είναι μια από τις πιο πολύπλοκες βιοχημικές αντιδράσεις, και συνάμα από τις πιο σπουδαίες. Θα την μελετήσουμε σε λίγες εβδομάδες, εξετάζοντας το ένζυμο που την καταλύει, την αζωτάση.

Συμπεράσματα Το ίδιο δομικό μοτίβο ισχύει για όλες τις γνωστές πρωτεΐνες που μεταφέρουν οξυγόνο Η δομή διαφοροποιείται ανάλογα με τη λειτουργία, (μονομερές/τετραμερές, απουσία/παρουσία συνεργειακότητας) Μένει να μελετηθούν οι πρωτεΐνες που παραλαμβάνουν το οξυγόνο στους ιστούς και το μεταφέρουν στα μιτοχόνδρια για την οξειδωτική φωσφορυλίωση (καύσεις), διεργασία που καταναλώνει το 95 % οξυγόνου στα κύτταρα.