Гемоглобин — гармония в крови [Clockwork]

Вот мой факс. В общем, что происходит? Мы дышим, чтобы получить необходимый для жизни кислород. Сперва он попадает в лёгкие, и оттуда распределяется по всему телу. С его помощью клетки превращают то, что вы съели, в энергию, производя при этом углекислый газ. Кислород к различным органам доставляют красные кровяные тельца — эритроциты.

Конечно, кровь занимается не только этим, но её главная функция — снабжать клетки кислородом и забирать из них углекислый газ. Пока ничего сложного, это довольно базовые знания. Но вот вопрос: как кровь понимает, куда именно доставлять кислород? Ответ немного сложный, но очень интересный. Чтобы разобраться, надо посмотреть не столько на сами клетки крови, сколько на их химическое нутро. Нам нужен гемоглобин.

На первый взгляд — всего лишь неказистая связка полипептидов, но именно их форме, структуре и функциям мы обязаны тем, что живем и здравствуем. Только гемоглобин разносят по телу кислород. Настолько изящный процесс, что когда я о нём узнал, моментально влюбился в биологию. Надеюсь, после этого ролика тоже произойдет и с вами.

Пойдём сначала. Гемоглобин — это белок, то есть он состоит из того же материала, что наши клетки, волосы и мышцы. Синтез белка — пожалуй, самое важное из того, что клеткам приходится делать каждую миллисекунду, просто чтобы вы остались живы. Гемоглобин — это белок тетрамер, который состоит из четырёх субъединиц. Каждая из них организована в структуру, которая называется альфа-спираль.

Они соединяются друг с другом особым образом, но об этом чуть позже. Главная звезда нашего рассказа прячется в самом сердце каждой из четырёх субъединиц — это гема. Группа большая, красивая, с этим железом в окружении структур, которые помогают удерживать белки и глубины. Именно с железом связывается кислород, и именно из-за железа кровь красная. Но на геме история не заканчивается, ведь вообще-то нам еще важна форма, которую эти белки принимают.

Благодаря ей гемоглобин отлично переносит кислород, при этом довольно плохо его удерживает, по крайней мере, по сравнению с другими молекулами. Вот миоглобин, который присутствует в мышцах, настоящий чемпион по удержанию кислорода и просто так его не отдаст. Иными словами, отличное место для хранения этого ценного газа, но гемоглобина другая задача — доставить кислород куда надо.

А значит, нужно уметь отпускать. Сам процесс довольно странный, но прежде чем говорить об этом, надо обсудить одну вещь. Как уже было сказано, гемоглобин состоит из таких вот белковых цепочек, и слова "цепочка" здесь совсем не случайно. Во время производства белков клетки синтезируют их шаг за шагом, по одному звену за раз. Эти звенья называются аминокислотами. Всего их 21 вид, каждый со своими особенностями, из-за чего вся цепочка закручивается определённым образом.

Есть электрически заряженные аминокислоты, есть гидрофобные и так далее. По мере добавления всё новых звеньев длинные цепочки аминокислот образуют белки с довольно сложными трёхмерными структурами. В итоге у белков очень специфическая форма, которая определяет, как они работают. Это, кстати, одно из главных правил биологии: форма определяет функцию.

Форма в свою очередь зависит от множества очень слабых электрохимических взаимодействий. Гемоглобин, например, закручен в спираль. За это главным образом отвечает водородная связь. Атома водорода из одной молекулы связываются с атомами, например, кислорода из другой. Вы прекрасно знаете, как это выглядит, вы же видели воду.

Многие её свойства объясняются наличием водородных связей. Форма капель и их поведение зависит именно от силы взаимодействий между отдельными молекулами. Вообще связь — это довольно слабая, но когда молекул много, получается надёжно. Ну, если не принимать во внимание внешние воздействия, тут обычная химическая связь всё-таки прочнее.

А теперь самое интересное, почему я, собственно, взялся за эту тему. Из-за большого разнообразия не сильных взаимодействий некоторые белки получаются довольно гибкими. Они сжимаются, разжимаются, изгибаются в зависимости от внешних условий. Становится жарче или холоднее — белок меняет форму. Воздействует на него кислота или щелочь — то же самое, меняется форма, а значит, и функция.

Ведь мы помним, что одно определяет другое. Для поддержания жизни нужны особые условия. Вот почему наш организм так старается сохранять внутри постоянную температуру и уровень pH, ведь от этого, в том числе, зависит, насколько хорошо гемоглобин связывается с кислородом. Так откуда белок знает, когда молекулы газа надо крепко держать, а когда пора отпустить?

Все гениальное просто. Лучше всего гемоглобин связывает кислород, когда расслаблен, а это происходит в богатой кислородом среде, при очень высокой его концентрации. В нашем теле есть только одно место с такими условиями — догадаться несложно, это легкие. После большого вдоха свежего воздуха, с другой стороны, гемоглобин теряет возможность удерживать молекулу кислорода, когда попадает в кислотную среду, скажем, в кровь с низким уровнем pH.

Откуда такая возьмется? Сейчас расскажу. Мы вдыхаем кислород, а выдыхаем углекислый газ, потому что клеткам нужен кислород, чтобы превратить то, что мы едим, в энергию. Побочный продукт этого процесса — CO2, он довольно токсичный, поэтому организм хочет от него избавиться. Когда у клеток заканчивается кислород, уровень CO2 повышается. Чем меньше кислорода, тем больше CO2. Углекислый газ накапливается в клетках и в крови вокруг.

А дальше самое главное. По мере роста концентрации CO2 ферменты превращают его в угольную кислоту, что и снижает pH. Понимаете, к чему я? Гемоглобин сжимается при низком pH. Его форма меняется так, что он больше не может удерживать молекулы кислорода, и их приходится отпустить. Зато теперь он отлично связывается с молекулами углекислого газа. Таким образом, гемоглобин доставляет кислород куда надо и забирает оттуда CO2.

В нашем организме нехватка кислорода сопровождается избытком углекислого газа. Именно это позволяет гемоглобину донести ценный груз до пункта назначения. Поистине прекрасно! В гемоглобине нет ничего сверхъестественного, а кровь понятия не имеет, куда что нужно доставлять. Весь процесс — результат невероятно четкого взаимодействия различных элементов сложной системы.

Абсолютно каждая химическая реакция в организме играет свою роль, и все вместе они отвечают за то, чтобы мы жили, двигались и делали всё то, что делаем. Стоит это осознать — станет очевидно, что подобные взаимосвязи повсюду, и поэтому наш мир лично меня так восхищает. Жизнь — это не какая-то магия, недоступная простым смертным. Научный метод и накопленные за много веков знания позволяют понять одну простую вещь: жизнь просто работает именно так.

Стоит подходить ко всем вопросам из области биологии, а самое удивительное в этом то, как химические процессы поддерживают жизнь. Работа гемоглобина — лишь один тому пример. До скорого.

[Музыка]

Переведено и озвучено студией "Вирт Дай Дар".