Της Μαριτίνας Λάππα,
Εκτός από ορισμένους αναερόβιους μικροοργανισμούς, όλοι οι υπόλοιποι έμβιοι οργανισμοί χρειάζονται οξυγόνο (Ο2) για να επιβιώσουν. Ο άνθρωπος αναπνέει 20.000 με 25.000 φορές ημερησίως, προσλαμβάνοντας την απαραίτητη ποσότητα οξυγόνου από το περιβάλλον του. Στην συνέχεια, το Ο2 εισέρχεται στον οργανισμό και επιτελεί τη λειτουργία του, η οποία σχετίζεται άμεσα με την κυτταρική αναπνοή, την διαδικασία, δηλαδή, με την οποία τα κύτταρα παράγουν την απαιτούμενη ενέργεια για τις ανάγκες του οργανισμού. Ωστόσο, το ταξίδι του μέσα στο σώμα μας, φαίνεται να είναι πιο περίπλοκο από ότι οι περισσότεροι πιστεύουν.
Το μόριο του οξυγόνου, δεν είναι ευδιάλυτο σε υδατικά διαλύματα εξαιτίας της χημικής του δομής και στερεοδιάταξης. Το γεγονός αυτό, σημαίνει ότι ακόμη και αν εισέλθει στον οργανισμό, δεν μπορεί να διαχυθεί στους ιστούς μέσα από την κυκλοφορία του αίματος. Για τον λόγο αυτό οι πολυκύτταροι οργανισμοί, προκειμένου να αποθηκεύουν και να μεταφέρουν το οξυγόνο, αξιοποιούν εξειδικευμένες πρωτεΐνες. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων πρωτεϊνών είναι η αιμοσφαιρίνη και η μυοσφαιρίνη. Βέβαια, τα επιμέρους συστατικά τους, δηλαδή τα αμινοξέα δεν έχουν την ικανότητα να προσδεθούν με το οξυγόνο με τρόπο ώστε να το ελευθερώνουν όταν χρειάζεται. Τελικά ποια χημική ένωση δεσμεύει το οξυγόνο;
Η απάντηση βρίσκεται σε ένα ευρέως διαδεδομένο μεταλλικό στοιχείο: τον σίδηρο. Η δομή και η κατανομή των ηλεκτρονίων του, συμβάλλουν άμεσα στην αντιστρεπτή πρόσδεσή του με το οξυγόνο, δηλαδή στην ικανότητα του να δημιουργεί δεσμούς με αυτό και να μπορεί να τους καταστρέφει όταν το οξυγόνο πρέπει να απελευθερωθεί. Και πάλι όμως προκύπτει ένα πρόβλημα, καθώς ο σίδηρος είναι πολύ δραστικό χημικό στοιχείο. Οι αντιδράσεις του μπορεί να οδηγήσουν στην παραγωγή προϊόντων που είναι ικανά να καταστρέψουν το DNA και άλλα μακρομόρια. Στην περίπτωση αυτή, η σημασία και ο ρόλος της αίμης καθίστανται κρίσιμα. Ουσιαστικά, η αίμη ενώνεται με τον σίδηρο και τον απομονώνει έως έναν βαθμό από το περιβάλλον του, ώστε να μην μπορεί να αντιδράσει και να δώσει δραστικά προϊόντα επιτρέποντάς του, την ταυτόχρονη σύνδεσή του με το οξυγόνο.
Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει το οξυγόνο στο αίμα
Η αιμοσφαιρίνη είναι μια πρωτεΐνη η οποία αποτελείται από δύο α και δύο β πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Καθεμία από αυτές, είναι συνδεδεμένη με μία προσθετική ομάδα αίμης. Να σημειωθεί ότι οι ομάδες αίμης ισοδυναμούν ουσιαστικά με τις θέσεις πρόσδεσης του οξυγόνου. Άρα, το μόριο της αιμοσφαιρίνης μπορεί να «κουβαλήσει» και να μεταφέρει τέσσερα μόρια οξυγόνου. Το τελικό της σχήμα διαδραματίζει καίριο ρόλο στην αντίδραση δέσμευσης με το Ο2 και μοιάζει σφαιρικό, ως απόρροια αλληλεπιδράσεων μεταξύ των υπομονάδων της.
Μελέτες και αναλύσεις με χρήση ακτίνων Χ έχουν δείξει ότι για την πρόσδεση της αιμοσφαιρίνης με το οξυγόνο —μέσω του σιδήρου που περιέχει— απαιτούνται συγκεκριμένες αλλαγές στην δομή της. Διακρίνουμε δύο χαρακτηριστικές καταστάσεις: την κατάσταση R (Relaxed) και την κατάσταση Τ (Tense). Το μόριο του οξυγόνου, παρουσιάζει πολύ υψηλότερη χημική συγγένεια με την δομή R, καθώς η δομή Τ παρουσιάζει ενισχυμένη σταθερότητα, γεγονός που αποτελεί τροχοπέδη για την εύκολη δημιουργία δεσμών με το οξυγόνο.
Στην πραγματικότητα, αυτή η χαρακτηριστική ιδιότητα εναλλαγής δομών της αιμοσφαιρίνης, είναι αυτό που την καθιστά την καταλληλότερη πρωτεΐνη για την μεταφορά του οξυγόνου στο αίμα. Στους πνεύμονες, όπου η συγκέντρωση του οξυγόνου είναι υψηλή, η αιμοσφαιρίνη βρίσκεται αρχικά σε κατάσταση Τ. Παρά την χαμηλότερη συγγένεια του οξυγόνου με αυτή τη δομή, η αιμοσφαιρίνη δεσμεύει τελικά τέσσερα μόρια οξυγόνου και σταδιακά αποκτά την δομή R. Αυτό που μένει τώρα, είναι η κυκλοφορία της αιμοσφαιρίνης στους ιστούς μέσω του αίματος. Εκεί, το χαμηλότερο pH, ελαττώνει την υψηλή συγγένεια της αιμοσφαιρίνης με το οξυγόνο και το γεγονός αυτό οδηγεί στην άμεση αποδέσμευσή του από την πρωτεΐνη και την αξιοποίησή του από τα κύτταρα των ιστών. Η δουλειά της, δεν τελειώνει εκεί καθώς με το που απελευθερώσει το οξυγόνο, συνδέεται με τα προϊόντα του μεταβολισμού όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), και τα μεταφέρει στους πνεύμονες και στους νεφρούς για απέκκριση.
Με αυτό τον καταπληκτικό μηχανισμό «πάρε-δώσε» διαφορετικών χημικών ενώσεων, εξασφαλίζεται τόσο η άρτια μεταφορά του οξυγόνου σε όλο το σώμα, αλλά και η απομάκρυνση των προϊόντων του κυτταρικού μεταβολισμού από τους ιστούς.
Η μυοσφαιρίνη σαν μία καταπληκτική αποθήκη οξυγόνου
Σε αντίθεση με την αιμοσφαιρίνη, η μυοσφαιρίνη αποτελείται από μία μόνο πολυπεπτιδική αλυσίδα, με μία προσθετική ομάδα αίμης και μπορεί να δεσμεύσει και αυτή το οξυγόνο μέσω ιόντων σιδήρου, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Είναι και αυτή σφαιρική και η δομή της προσομοιάζει αρκετά την δομή της μίας υπομονάδας της αιμοσφαιρίνης. Εφόσον η μυοσφαιρίνη έχει μια ομάδα αίμης, κάθε μόριο της μπορεί να μεταφέρει μόνο ένα μόριο οξυγόνου. Είναι σημαντικό να τονιστεί, ότι η μυοσφαιρίνη παρουσιάζει μεγαλύτερη χημική συγγένεια με το οξυγόνο και αυτός είναι o λόγος που την καθιστά ιδανική για την αποθήκευση του σε ορισμένους κυτταρικούς ιστούς.
Η μυοσφαιρίνη δραστηριοποιείται κυρίως στους γραμμωτούς μύες και στο καρδιακό μυ των σπονδυλωτών και βασική της λειτουργία είναι να παρέχει συνεχώς οξυγόνο στα μυϊκά κύτταρα, ώστε να καλύψουν τις υψηλές ενεργειακές τους ανάγκες. Μόλις το οξυγόνο φτάσει στους μύες από την αιμοσφαιρίνη, η μυοσφαιρίνη το παραλαμβάνει και το «φυλάσσει», μέχρι αυτό να χρειαστεί. Για παράδειγμα, σε συνθήκες έντονης άσκησης, κατά την διάρκεια της οποίας τα μυϊκά κύτταρα δραστηριοποιούνται σε υψηλούς ρυθμούς, η μυοσφαιρίνη απελευθερώνει συνεχώς το οξυγόνο που έχει αποθηκεύσει, προκειμένου να ισοσταθμιστούν οι απότομες απώλειες και να αποφευχθεί η υποξία. Φυσικά, ο ρόλος της μυοσφαιρίνης είναι πολύ σημαντικός και για την δραστηριότητα της καρδιάς, η λειτουργία της οποίας απαιτεί συνεχώς κατανάλωση ενέργειας και οξυγόνου. Μάλιστα, αξίζει να σημειωθεί ότι τα θηλαστικά που καταδύονται, διαθέτουν μεγαλύτερα επίπεδα μυοσφαιρίνης, η οποία τους εξασφαλίζει συνεχή παροχή οξυγόνου για το διάστημα που δεν το εισπνέουν από την ατμόσφαιρα.
Όπως και η αιμοσφαιρίνη, έτσι και η μυοσφαιρίνη μπορεί να προσδεθεί και με άλλους υποκαταστάτες. Αυτή η ικανότητα της πρωτεΐνης, να συνδέεται και με άλλα μόρια διευρύνει τον ρόλο της και το εύρος των λειτουργιών της στον οργανισμό, λαμβάνοντας μέρος και σε άλλες διεργασίες. Μια άλλη βασική της λειτουργία, για παράδειγμα, είναι η συμμετοχή της στην αποσύνθεση του μονοξειδίου του αζώτου (NO), μια διαδικασία που είναι απαραίτητη για την μιτοχονδριακή αναπνοή.
Η πορεία του οξυγόνου από το περιβάλλον μέχρι τα κύτταρα είναι ένα θαυμαστό παράδειγμα βιολογικής ακρίβειας και συνεργασίας. Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει το οξυγόνο από τους πνεύμονες σε κάθε κύτταρο του σώματος, ενώ η μυοσφαιρίνη εξασφαλίζει τη διαθεσιμότητα του οξυγόνου στις υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις των μυϊκών κυττάρων, ακόμα και όταν η παροχή από το αίμα είναι μειωμένη. Μέσα από αυτήν την πρωτεϊνική αλληλεπίδραση ο οργανισμός καταφέρνει να διατηρεί ενεργειακή επάρκεια και να ανταποκρίνεται στις καταστάσεις του συνεχώς μεταβαλλόμενου περιβάλλοντος. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών δεν είναι μόνο θεμελιώδους σημασίας για τη βιολογία, αλλά και καθοριστική για την διαλεύκανση πλήθους παθολογικών καταστάσεων, όπου η παροχή και η μεταφορά οξυγόνου στους ιστούς διαταράσσεται.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Hemoglobin: Structure, Function and Allostery, Subcellular Biochemistry, διαθέσιμο εδώ
- Biochemistry, Myoglobin, StatPearls, διαθέσιμο εδώ
