Το Καταπληκτικό Μόριο της Αιμοσφαιρίνης​—Ένα Θαύμα Σχεδιασμού

«Η αναπνοή μοιάζει απλό πράγμα. Όπως φαίνεται όμως, αυτή η στοιχειώδης εκδήλωση της ζωής υφίσταται χάρη στο ότι πολλά είδη ατόμων αλληλεπιδρούν μέσα σε ένα γιγαντιαίο μόριο απίστευτης πολυπλοκότητας».​—Μαξ Φ. Περούτς, ο οποίος το 1962 μοιράστηκε με συνάδελφό του το Βραβείο Νόμπελ για τις μελέτες του γύρω από το μόριο της αιμοσφαιρίνης.

ΑΝΑΠΝΟΗ​—τι πιο φυσιολογικό; Οι περισσότεροι από εμάς σπάνια καθόμαστε να σκεφτούμε αυτή τη διαδικασία. Η αναπνοή, όμως, δεν θα μπορούσε να μας διατηρήσει στη ζωή αν δεν υπήρχε το μόριο της αιμοσφαιρίνης, ένα πολύπλοκο μοριακό αριστούργημα σχεδιασμένο από τον Δημιουργό μας. Η αιμοσφαιρίνη που περιέχεται στο καθένα από τα 30 τρισεκατομμύρια ερυθρά αιμοσφαίριά μας μεταφέρει το οξυγόνο από τους πνεύμονες στους ιστούς όλου του σώματος. Χωρίς αυτήν, θα πεθαίναμε σχεδόν ακαριαία.

Πώς καταφέρνουν τα μόρια της αιμοσφαιρίνης να παραλαμβάνουν τα μικροσκοπικά μόρια οξυγόνου τη σωστή στιγμή, να τα συγκρατούν με ασφάλεια μέχρι τη σωστή στιγμή και να τα απελευθερώνουν τη σωστή στιγμή; Αυτό οφείλεται σε καταπληκτικά επιτεύγματα μοριακής μηχανικής.

Μικροσκοπικά Μοριακά «Ταξί»

Ας φανταστούμε το κάθε μόριο αιμοσφαιρίνης ενός κυττάρου σαν ένα μικροσκοπικό τετράπορτο ταξί, που χωράει ακριβώς τέσσερις «επιβάτες». Το μοριακό αυτό ταξί δεν χρειάζεται οδηγό, μιας και ταξιδεύει μέσα σε ένα ερυθρό αιμοσφαίριο, το οποίο θα μπορούσαμε να περιγράψουμε σαν ένα πολύ μεγαλύτερο κινούμενο όχημα, γεμάτο με αυτά τα μόρια αιμοσφαιρίνης.

Η διαδρομή ενός μορίου αιμοσφαιρίνης αρχίζει όταν ερυθρά αιμοσφαίρια καταφθάνουν στις κυψελίδες των πνευμόνων​—τις οποίες θα παρομοιάσουμε με αεροδρόμιο. Καθώς ο αέρας που εισπνέουμε μπαίνει στους πνεύμονές μας, τεράστια πλήθη από νεοαφιχθέντα μικροσκοπικά μόρια οξυγόνου αρχίζουν να ψάχνουν «ταξί». Τα μόρια αυτά σκορπίζονται γρήγορα στα ερυθρά αιμοσφαίρια​—τα μεγαλύτερα οχήματα μέσα στα οποία βρίσκονται τα «ταξί». Εκείνη την ώρα, στο εσωτερικό του κάθε αιμοσφαιρίου οι πόρτες των ταξί της αιμοσφαιρίνης είναι κλειστές. Σύντομα, όμως, ένα μόριο οξυγόνου ξεχωρίζει από το πολύβουο πλήθος, τρυπώνει αποφασιστικά σε ένα ταξί και πιάνει μια θέση.

Τη στιγμή αυτή συμβαίνει κάτι πολύ ενδιαφέρον. Εντός του ερυθρού αιμοσφαιρίου, το μόριο της αιμοσφαιρίνης αρχίζει να αλλάζει σχήμα. Με το που μπαίνουν οι πρώτοι επιβάτες, ανοίγουν αυτομάτως και οι τέσσερις «πόρτες» των ταξί, και έτσι οι υπόλοιποι επιβάτες μπαίνουν ευκολότερα. Η διαδικασία αυτή, η οποία ονομάζεται συνεργασιμότητα, είναι τόσο αποτελεσματική ώστε στο διάστημα που χρειάζεται για να πάρουμε μία και μόνο αναπνοή, καταλαμβάνεται το 95% των «θέσεων» σε όλα τα ταξί ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου. Συνολικά, τα 250 και πλέον εκατομμύρια μόρια αιμοσφαιρίνης ενός και μόνο ερυθρού αιμοσφαιρίου μπορούν να μεταφέρουν περίπου ένα δισεκατομμύριο μόρια οξυγόνου! Σύντομα, το ερυθρό αιμοσφαίριο μέσα στο οποίο βρίσκονται όλα αυτά τα ταξί αναχωρεί για να παραδώσει τις πολύτιμες προμήθειες οξυγόνου στους ιστούς που τις χρειάζονται. Ίσως όμως αναρωτηθείτε: “Τι συγκρατεί τα άτομα του οξυγόνου μέσα στο αιμοσφαίριο ώστε να μη βγουν έξω πρόωρα;”

Η απάντηση είναι ότι τα μόρια του οξυγόνου μέσα σε κάθε μόριο αιμοσφαιρίνης προσδένονται σε άτομα σιδήρου που βρίσκονται εκεί και τα περιμένουν. Πιθανότατα έχετε δει τι συμβαίνει όταν ενώνεται το οξυγόνο με τον σίδηρο παρουσία νερού. Δημιουργείται συνήθως οξείδιο του σιδήρου, δηλαδή σκουριά. Όταν σκουριάζει ο σίδηρος, το οξυγόνο εγκλωβίζεται μόνιμα μέσα σε έναν κρύσταλλο. Πώς, λοιπόν, καταφέρνει το μόριο της αιμοσφαιρίνης να συνδέει και να αποσυνδέει τον σίδηρο με το οξυγόνο στο υδάτινο περιβάλλον του ερυθρού αιμοσφαιρίου χωρίς να παράγεται σκουριά;

Μια Πιο Κοντινή Ματιά

Για να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση, ας ρίξουμε μια πιο κοντινή ματιά στο μόριο της αιμοσφαιρίνης. Αυτό αποτελείται από περίπου 10.000 άτομα υδρογόνου, άνθρακα, αζώτου, θείου και οξυγόνου τα οποία είναι εύτακτα συγκεντρωμένα γύρω από 4 άτομα σιδήρου. Γιατί χρειάζονται τόση υποστήριξη τέσσερα μόλις άτομα σιδήρου;

Κατ’ αρχήν, τα τέσσερα άτομα του σιδήρου είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και πρέπει να βρίσκονται υπό αυστηρό έλεγχο. Τα φορτισμένα άτομα, τα λεγόμενα ιόντα, μπορούν να προκαλέσουν μεγάλη ζημιά μέσα στα κύτταρα αν αφεθούν ελεύθερα εκεί. Γι’ αυτό λοιπόν, το καθένα από τα τέσσερα ιόντα του σιδήρου στερεώνεται στο κέντρο ενός προστατευτικού άκαμπτου δακτυλίου.a Έπειτα, οι τέσσερις αυτοί δακτύλιοι διατάσσονται προσεκτικά στο μόριο της αιμοσφαιρίνης έτσι ώστε τα μόρια του οξυγόνου να μπορούν να πλησιάσουν τα ιόντα του σιδήρου, αλλά τα μόρια του νερού να μην μπορούν. Και φυσικά χωρίς νερό, δεν σχηματίζονται κρύσταλλοι σκουριάς.

Ο σίδηρος του μορίου της αιμοσφαιρίνης δεν μπορεί από μόνος του να δεσμεύει και να αποδεσμεύει το οξυγόνο. Αλλά και το υπόλοιπο μόριο της αιμοσφαιρίνης θα ήταν άχρηστο χωρίς τα τέσσερα φορτισμένα άτομα σιδήρου. Μόνο όταν αυτά τα τέσσερα ιόντα σιδήρου τοποθετηθούν σε τέλεια διάταξη στο μόριο της αιμοσφαιρίνης είναι δυνατόν να γίνει η μεταφορά του οξυγόνου μέσω της κυκλοφορίας του αίματος.

Απελευθέρωση του Οξυγόνου

Καθώς ένα ερυθρό αιμοσφαίριο φεύγει από τις αρτηρίες και πηγαίνει στα μικροσκοπικά τριχοειδή αγγεία που βρίσκονται βαθιά μέσα στους ιστούς του σώματος, το περιβάλλον γύρω του αλλάζει. Είναι θερμότερο από το περιβάλλον των πνευμόνων, και υπάρχει λιγότερο οξυγόνο και περισσότερη οξύτητα λόγω του διοξειδίου του άνθρακα γύρω από το αιμοσφαίριο. Αυτές οι ενδείξεις λένε στα μόρια της αιμοσφαιρίνης, τα «ταξί», που βρίσκονται μέσα στο αιμοσφαίριο ότι ήρθε η ώρα να κατεβάσουν τους πολύτιμους επιβάτες τους, δηλαδή το οξυγόνο.

Όταν τα μόρια του οξυγόνου βγαίνουν από το μόριο της αιμοσφαιρίνης, εκείνο αλλάζει και πάλι σχήμα, ίσα ίσα για να «κλείσουν οι πόρτες» και το οξυγόνο να μείνει έξω, όπου είναι άκρως απαραίτητο. Οι κλειστές πόρτες αποκλείουν επίσης το ενδεχόμενο να μεταφέρει η αιμοσφαιρίνη οποιοδήποτε μόριο οξυγόνου πίσω στους πνεύμονες. Αντ’ αυτού, η αιμοσφαιρίνη παραλαμβάνει αμέσως διοξείδιο του άνθρακα για το ταξίδι της επιστροφής.

Σύντομα, τα αποξυγονωμένα ερυθρά αιμοσφαίρια επιστρέφουν στους πνεύμονες, όπου τα μόρια αιμοσφαιρίνης θα εκφορτώσουν το διοξείδιο του άνθρακα και θα φορτώσουν ζωοπάροχο οξυγόνο​—διαδικασία που επαναλαμβάνεται χιλιάδες φορές στις 120 ημέρες που ζει κατά μέσο όρο ένα ερυθρό αιμοσφαίριο.

Σαφώς, η αιμοσφαιρίνη δεν είναι ένα συνηθισμένο μόριο. Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου, είναι «ένα γιγαντιαίο μόριο απίστευτης πολυπλοκότητας». Αναμφίβολα, νιώθουμε δέος και ευγνωμοσύνη απέναντι στον Δημιουργό μας για την ευφυέστατη και ακριβέστατη μικρομηχανική χάρη στην οποία είμαστε ζωντανοί!

[Υποσημείωση]

[Πλαίσιο​/Πίνακας στη σελίδα 28]

ΝΑ ΦΡΟΝΤΙΖΕΤΕ ΤΗΝ ΑΙΜΟΣΦΑΙΡΙΝΗ ΣΑΣ!

Η έκφραση «έλλειψη σιδήρου», που χρησιμοποιείται συχνά, στην ουσία αναφέρεται σε έλλειψη αιμοσφαιρίνης. Αν λείπουν τα τέσσερα βασικά άτομα σιδήρου από το μόριο της αιμοσφαιρίνης, τα υπόλοιπα 10.000 άτομα αυτού του μορίου είναι άχρηστα. Συνεπώς, είναι σημαντικό να προσλαμβάνετε επαρκή ποσότητα σιδήρου ακολουθώντας υγιεινή διατροφή. Μερικές τροφές που αποτελούν καλές πηγές σιδήρου αναφέρονται στο συνοδευτικό πίνακα.

Εκτός από το να καταναλώνετε τροφές πλούσιες σε σίδηρο, πρέπει να προσέχετε και τις ακόλουθες συμβουλές: 1. Να ασκείστε τακτικά και σωστά. 2. Μην καπνίζετε. 3. Να αποφεύγετε το παθητικό κάπνισμα. Γιατί είναι τόσο επικίνδυνο το τσιγάρο και οι άλλες μορφές καπνού;

Επειδή αυτός ο καπνός είναι γεμάτος μονοξείδιο του άνθρακα, το ίδιο δηλητήριο που περιέχουν τα καυσαέρια των αυτοκινήτων. Το μονοξείδιο του άνθρακα προκαλεί θανατηφόρες δηλητηριάσεις, και μερικοί άνθρωποι το χρησιμοποιούν για να αυτοκτονήσουν. Συνδέεται με τα άτομα του σιδήρου στην αιμοσφαιρίνη 200 και πλέον φορές ευκολότερα από ό,τι το οξυγόνο. Επομένως, ο καπνός του τσιγάρου ασκεί γρήγορα αρνητική επίδραση στο άτομο επειδή μειώνει δραστικά την πρόσληψη οξυγόνου.

[Πίνακας]

ΤΡΟΦΕΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑ ΣΙΔΗΡΟΣ(mg)

Μελάσα 1 κουταλιά της σούπας 5,0

Ωμό τοφού μισό φλιτζάνι 4,0

Φακές μισό φλιτζάνι 3,3

Βοδινή σπάλα 85 γραμμάρια 3,2

Φασόλια μισό φλιτζάνι 2,6

Φύτρα σιταριού 1/4 του φλιτζανιού 2,6

Ρεβίθια μισό φλιτζάνι 2,4

Μπρόκολο 1 μέτριο στέλεχος 2,1

Σκούρο κρέας γαλοπούλας 85 γραμμάρια 2,0

Σταφίδες μισό φλιτζάνι 1,6

Σπανάκι 1 φλιτζάνι ωμό 0,8

[Διάγραμμα/​Εικόνα στη σελίδα 26]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Πρωτεϊνική δομή

Οξυγόνο

Άτομο σιδήρου

Αίμη

Στο πλούσιο σε οξυγόνο περιβάλλον των πνευμόνων, ένα μόριο οξυγόνου συνδέεται με την αιμοσφαιρίνη

Αφού το πρώτο μόριο του οξυγόνου συνδεθεί, μια μικρή αλλαγή στο σχήμα της αιμοσφαιρίνης επιτρέπει σε τρία ακόμη μόρια οξυγόνου να συνδεθούν με αυτήν ταχύτατα

Η αιμοσφαιρίνη παίρνει τα μόρια του οξυγόνου από τους πνεύμονες και τα απελευθερώνει σε όποιο σημείο του σώματος είναι απαραίτητα