ΜΟΡΙΑΚΗ
ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ
Ασκηση
5η
Αιμοσφαιρίνη - Μελέτη των στερεοδομικών αλλαγών με την οξυγόνωση.
Η ασκηση αυτή σχεδιάστηκε και γράφτηκε από τον A.C.T. North
καθηγητή της Βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Leeds, U.K.
Η άσκηση αυτή κάνει χρήση του προγράμματος MAGE του Dr David
Richardson, που επιτρέπει την αναπαράσταση ενός μορίου γνωστής τρισδιάστατης
δομής με πολλούς τρόπους και την δυνατότητα μετρήσεων. Με την εντολή ANIMATE
γίνεται γρήγορη επιλογή διαφόρων εικόνων (σε αυτή την περίπτωση της οξυ και
δεσόξυ αιμοσφαιρίνης) που δίνει την εντύπωση της κίνησης. Παρ'ότι υπάρχουν
προκαθωρισμένες οπτικές γωνίες (Views) τα μόρια μπορούν να περισταφούν με την
χρήση του ποντικιού. Στο επάνω τέταρτο της οθόνης οι μετακινήσεις του ποντικιού
με πατημένο το αριστερό πλήκτρο προκαλούν περιστροφές στον αξονα κάθετο στην
οθόνη (Z) , ενώ στο κάτω μέρος προκαλούν περιστροφές στους άξονες της οθόνης
(X,Y).
Αρχίζοντας το MAGE.
Επιλέξτε το FILE στο μενού στο πάνω μέρος της οθόνης και
ανοίξτε το αρχείο HEAMPRAC.KIN. Η πρώτη από τέσσερεις κινητικές εικόνες θα
παρουσιαστεί. Το κείμενο αυτό θα παρουσιαστεί στο παράθυρο TEXT ενώ το παράθυρο
CAPTION δίνει τον τίτλο της τρέχουσας εικόνας.
Η άσκηση της
αιμοσφαιρίνης.
Η κινητική εικόνα 1 (KINEMAGE 1) παρουσιάζει ένα τετραμερές
αιμοσφαιρίνης με δύο αλφα και δύο βήτα πολυπεπτιδικές αλυσίδες στην οξυ και
δεσόξυ μορφές. Ενεργοποιώντας το κουτάκι ANIMATE μπορείτε να περάσετε από την
μιά μορφή στην άλλη. Ενεργοποιώντας τα κουτάκια oxy και deoxy βλέπετε την
επίθεση των δύο μορφών. Η οξυ μορφή παρουσιάζεται με "ζεστά" χρώματα
(κοκκινο προς κίτρινο) και η δεσόξυ με "ψυχρά" χρώματα (πράσινο προς
μπλέ). Για την απλούστερη παρουσίαση οι εικόνες περιέχουν μόνο ατομα άλφα
ανθρακα, σίδηρο και οξυγόνο (στην οξυ μορφή).
Μπορείτε να επιλέξετε μία από τρείς οπτικές γωνίες
χρησιμοποιώντας την επιλογή VIEWS.
Οπως βλέτετε η τεταρτοταγής οργάνωση ( η οργάνωση των
τεσσάρων αλυσίδων) διαφέρει αρκετά μεταξύ της οξυ και δεσόξυ μορφής. Αυτό είναι
το αποτέλεσμα των αλλαγών στην στερεοδομή των επιμέρους πολυπεπτιδικών αλυσίδων
και τελικά στις αλλαγές της περιοχής της αίμης όταν το οξυγόνο δεσμεύεται. Θα
δούμε τις λεπτομέρειες αργότερα. Σε αυτό το στάδιο θέλουμε να μετρήσουμε
μερικές χονδικές αλλαγές στην δομή. Το πρόγραμμα MAGE σας επιτρέπει να
αναγνωρίσετε άτομα και να μετρήσετε αποστάσεις. Μετακινήστε το ποντίκι ώστε ο
δείκτης στη οθόνη να βρίσκεται επάνω σε ένα άτομο άλφα άνθρακα και πατήστε το
αριστερό πλήκτρο. Ο αριθμός του αμινοξέως θα παρουσιαστεί. Επιλέξτε ένα άλλο
άτομο. Τότε εκτός από τον αριθμό του νέου αμινοξέως θα παρουσιαστεί και η
απόσταση σε μονάδες Εngstrom των δύο ατόμων.
Ασκήσεις:
Εντοπίστε τα άμινο και καρβόξυλο τελικά άκρα των τεσσάρων
αλυσίδων και σημειώστε τον τύπο και τον αριθμό των αμινοξέων χρησιμοποιώντας το
ποντίκι. Μετρήστε την απόσταση μεταξύ του άμινο άκρου της μιάς αλυσίδας και του
καρβόξυ άκρου της συμμετρικής της για την όξυ και δεσόξυ μορφή. Μετρήστε την
απόσταση μεταξύ της Βαλίνης 1 της βήτα αλυσίδας και της Ιστιδίνης 146 της βήτα
συμμετρικής της.
Αναγνωρίστε τα άτομα σιδήρου των αιμών, που αναπαρίστανται
σαν μικρές κουκίδες δίπλα στο "f". Μετρήστε την απόσταση μεταξύ
ατόμων σιδήρου σε διαφορετικές υπομονάδες και στη οξυ και δεσόξυ μορφή.
Παρατηρήστε πως η απόσταση μεταξύ των βήτα υπομονάδων είναι μικρότερη στην όξυ
αιμοσφαιρίνη από την δεσόξυ αιμοσφαιρίνη. (Μετρήστε την απόσταση μεταξύ των
Ασπαραγινών 139 και στις δύο μορφές). Αυτός είναι ο λόγος που το DPG
(διφωσφορική γλυκερόλη) χωρά μόνο στην δεσόξυ αιμοσφαιρίνη.
Μετρήστε την μεγίστη και ελαχίστη διάσταση του τετραμερούς.
Αναγνωρίστε το Γλουταμικό 6 της βήτα αλυσίδας που αντικαθίσταται από Βαλίνη
στην δρεπανοκυτταρική αιμοσφαιρίνη.
Γράψτε τις μετρήσεις σας και επιλέξτε την KINEMAGE 2.
********************************************************
********************************************************
Η κινητική εικόνα 2 παρουσιάζει πως η αίμη και το περιβάλλον
της αλλάζει με την οξυγόνωση. Ενεργοποιώντας το κουτάκι ANIMATE μπορείτε να
περάσετε από την μιά μορφή στην άλλη. Απενεργοποιήστε τα γράμματα (labels) αν
σας εμποδίζουν.
Ασκήσεις:
Αναγνωρίστε και σημειώστε τους τύπους των αμινοξέων που
κυριαρχούν στην περιοχή της αίμης. Μετρήστε τις αποστάσεις από τα άτομα Cd2 και
Ce1 της Ιστιδίνης 87 με τα πλησιέστερα άτομα της αίμης στην δεσόξυ μορφή.
Σχολιάστε τις αποστάσεις αυτές σε σύγκριση με το άθροισμα των ακτίνων Van der
Waals των ατόμων αυτών. Επαναλάβατε τις μετρήσεις για την όξυ μορφή. Τι
συμπεραίνετε συγκρίνοντας αυτές τις αποστάσεις;
(Ενεργοποιήστε και τις δύο μορφές στην οπτική γωνία (view)
2. Παρατηρήστε ότι τα άτομα σιδήρου βρίσκονται το ένα πάνω στο άλλο. Μετρήστε
τις αποστάσεις μεταξύ των αντίστοιχων ατόμων στις δύο μορφές και υπολογίστε
πόσο μετακινήται η πάνω έλικα σε σχέση με την αίμη. Υπολογίστε πόσο
μετακινείται το άτομο του σιδήρου έξω από το επίπεδο της αίμης.)
Γράψτε τις μετρήσεις σας και επιλέξτε την KINEMAGE 3.
********************************************************
********************************************************
Η KINEMAGE 3 δείχνει το κέντρο δέσμευσης του 2,3
διφωσφορογλυκερόλης (DPG). H περιοχή αυτή βρίσκεται μεταξύ δύο βήτα αλυσίδων,
περιέχει οκτώ θετικά φορτισμένες ομάδες ήτοι την αμινοτελική ομάδα κάθε βήτα
αλυσίδας και τις Ιστιδίνη 2, Λυσίνη 82 και Ιστιδίνη 143 κάθε βήτα υπομονάδας.
Το DPG έχει αρνητικά φορτία στις φωσφορικές και καρβοξυλικές
ομάδες του. Οπως ήταν ορατό από την πρώτη κινητική εικόνα η περιοχή ανάμεσα
στις βήτα υπομονάδες αλλάζει δραστικά μεταξύ των οξυ και δεσόξυ μορφών και η
μορφή του DPG χωρά μόνο στην περιοχή που δημιουργείται ατην δεσόξυ μορφή. Ετσι
η ισορροπία οξυ/δεσόξυ επηρεάζεται από την πυκνότητα του DPG.
Ασκήσεις:
Η αύξηση της πυκνότητας του DPG κάνει την αιμοσφαιρίνη να
παίρνει ή να απελευθερώνει οξυγόνο;
Ποιά θα είναι η επίδραση της αλλαγής της Ιστιδίνης 143 με
Σερίνη, όπως συμβαίνει στην εμβρυακή αιμοσφαιρίνη.
********************************************************
********************************************************
Η KINEMAGE 4 παρουσιάζει τον τρόπο που η αιμοσφαιρίνη
μεταπηδά από την μία τεταρτοταγή δομή στην άλλη. Η πλευρική αλυσίδα της
Ιστιδίνης 97 προεξέχει από την γωνία μεταξύ των ελίκων F και G της βήτα αλυσίδας και εισχωρεί στην εσοχή
μεταξύ δύο στροφών της ελικας C. Την όξυ στερεοδομή, η ιστιδίνη βρίσκεται στην
εσοχή μεταξύ των αμινοξέων 38 και 41, ενώ στην δεσόξυ μορφή μεταξύ 41 και 44.
Οι ενδιάμεσες καταστάσεις είναι ασταθείς. Χρησιμοποιείστε το ANIMATE για την
αλλαγή μεταξύ των δύο μορφών.
********************************************************
********************************************************