โมเลกุลฮีโมโกลบินที่น่าทึ่ง—การออกแบบอันน่าอัศจรรย์
“การหายใจดูเหมือนเป็นเรื่องธรรมดาเหลือเกิน กระนั้นก็ดูเหมือนว่าการหายใจซึ่งเป็นการสำแดงเบื้องต้นของชีวิต เกิดขึ้นได้ก็เพราะอันตรกิริยาของอะตอมหลากหลายชนิดภายในโมเลกุลขนาดใหญ่ชนิดหนึ่งที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง.”—มักซ์ เอฟ. เปรุตซ์ ผู้ร่วมรับรางวัลโนเบลปี 1962 จากการศึกษาโมเลกุลฮีโมโกลบิน
การหายใจ ไม่มีอะไรจะง่ายกว่านี้อีกแล้ว. พวกเราส่วนใหญ่ไม่ค่อยคำนึงถึงการหายใจ. อย่างไรก็ตาม การหายใจก็ไม่อาจช่วยให้เรามีชีวิตอยู่ได้ถ้าไม่มีโมเลกุลฮีโมโกลบิน โมเลกุลอันซับซ้อนซึ่งเป็นผลงานชิ้นเอกของพระผู้สร้าง. ฮีโมโกลบินที่อยู่ภายในเม็ดเลือดแดง 30 ล้านล้านเซลล์ของเราลำเลียงออกซิเจนจากปอดไปสู่เนื้อเยื่อทุกส่วนในร่างกาย. ถ้าไม่มีฮีโมโกลบิน เราจะตายทันที.
โมเลกุลฮีโมโกลบินสามารถรับโมเลกุลออกซิเจนขนาดจิ๋วในเวลาที่เหมาะสม, รักษามันไว้อย่างปลอดภัยจนถึงเวลาที่เหมาะสม, และปล่อยมันในเวลาที่เหมาะสมได้อย่างไร? เรื่องนี้ต้องอาศัยกลไกทางโมเลกุลที่น่าทึ่งหลายอย่าง.
โมเลกุลขนาดจิ๋วที่เป็นเสมือน “แท็กซี่”
คุณอาจมโนภาพว่าโมเลกุลฮีโมโกลบินแต่ละโมเลกุลในเซลล์เป็นเหมือนรถแท็กซี่สี่ประตูขนาดจิ๋ว ซึ่งรับ “ผู้โดยสาร” ได้สี่คนพอดี. แท็กซี่เหล่านี้ไม่ต้องมีคนขับ เนื่องจากมันเดินทางไปพร้อมกับเม็ดเลือดแดง ซึ่งอาจเปรียบได้กับถังที่เต็มไปด้วยโมเลกุลฮีโมโกลบิน.
การเดินทางของโมเลกุลฮีโมโกลบินเริ่มเมื่อเม็ดเลือดแดงมาถึงถุงลมในปอด หรือเปรียบได้กับ “ท่าอากาศยาน.” เมื่อเราหายใจเข้าปอด โมเลกุลออกซิเจนขนาดจิ๋วจำนวนมหาศาลซึ่งพึ่งเดินทางมาถึงก็เริ่มมองหาแท็กซี่. โมเลกุลเหล่านี้จะแทรกซึมเข้าไปในเม็ดเลือดแดงอย่างรวดเร็ว. ณ ตอนนี้ประตูของแท็กซี่ฮีโมโกลบินภายในเม็ดเลือดแดงแต่ละเซลล์กำลังปิดอยู่. อย่างไรก็ตาม ไม่นานโมเลกุลออกซิเจนที่แน่วแน่โมเลกุลหนึ่งก็จะแทรกเข้าไปนั่งในรถแท็กซี่ฮีโมโกลบินได้.
ตอนนี้เกิดสิ่งที่น่าสนใจ. ภายในเม็ดเลือดแดง โมเลกุลฮีโมโกลบินจะเริ่มเปลี่ยนรูปร่าง. “ประตู” ทั้งสี่ของแท็กซี่ฮีโมโกลบินจะเปิดโดยอัตโนมัติขณะที่ผู้โดยสารคนแรกเข้าไปนั่ง เปิดทางให้ผู้โดยสารอีกสามคนขึ้นไปนั่งได้สบาย ๆ. กระบวนการนี้ซึ่งเรียกว่าการร่วมมือกัน มีประสิทธิภาพถึงขนาดที่ระหว่างการหายใจเข้าเพียงครั้งเดียว 95 เปอร์เซ็นต์ของ “ที่นั่ง” ในแท็กซี่ทุกคันในเม็ดเลือดแดงจะมีผู้โดยสารเข้าไปจับจอง. รวมทั้งหมดแล้ว ฮีโมโกลบินประมาณ 250 ล้านโมเลกุลในเม็ดเลือดแดงเพียงเซลล์เดียวสามารถบรรจุออกซิเจนได้ราว ๆ หนึ่งพันล้านโมเลกุล! ไม่นานเม็ดเลือดแดงที่บรรทุกแท็กซี่เหล่านี้ก็จะส่งออกซิเจนอันล้ำค่าไปตามเนื้อเยื่อของร่างกายที่จำเป็นต้องได้รับออกซิเจน. แต่คุณอาจสงสัยว่า ‘อะไรป้องกันอะตอมออกซิเจนไม่ให้หลุดออกจากเซลล์ก่อนเวลาอันควร?’
คำตอบคือภายในฮีโมโกลบินแต่ละโมเลกุล โมเลกุลออกซิเจนจะจับตัวกับอะตอมของเหล็กที่รออยู่. คุณอาจเคยเห็นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อออกซิเจนกับเหล็กมาเจอกันในที่ที่มีน้ำ. ปกติแล้ว จะเกิดเหล็กออกไซด์หรือสนิม. เมื่อเหล็กเป็นสนิม ออกซิเจนจะถูกขังไว้ถาวรในผลึก. โมเลกุลฮีโมโกลบินสามารถทำให้เหล็กกับออกซิเจนจับกันหรือหลุดจากกันภายในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำในเม็ดเลือดแดงได้อย่างไรโดยไม่ให้เกิดสนิม?
พิจารณาอย่างละเอียดยิ่งขึ้น
เพื่อจะตอบคำถามนี้ ให้เราพิจารณาโมเลกุลฮีโมโกลบินอย่างละเอียดยิ่งขึ้น. โมเลกุลฮีโมโกลบินประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจน, คาร์บอน, ไนโตรเจน, กำมะถัน, และออกซิเจนประมาณ 10,000 อะตอมซึ่งรวมตัวกันอย่างประณีตรอบ ๆ อะตอมของเหล็กเพียง 4 อะตอม. ทำไมอะตอมของเหล็กสี่อะตอมนี้จึงต้องการความช่วยเหลือมากถึงเพียงนั้น?
ประการแรก อะตอมเหล็กเป็นอะตอมที่มีประจุไฟฟ้า และต้องถูกควบคุมให้ดี. ถ้าอะตอมที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งเรียกกันว่าไอออน หลุดออกมา มันจะก่อความเสียหายได้มากภายในเซลล์. ฉะนั้น ไอออนเหล็กแต่ละอะตอมในจำนวนสี่อะตอมจะถูกยึดไว้ตรงกลางแผ่นแข็งที่ช่วยป้องกัน.a จากนั้น แผ่นทั้งสี่จะถูกยึดอยู่ภายในโมเลกุลฮีโมโกลบินอย่างที่โมเลกุลออกซิเจนสามารถเข้าไปถึงไอออนเหล็กได้ แต่โมเลกุลน้ำไม่สามารถเข้าไปได้. เมื่อไม่มีน้ำ ผลึกสนิมก็เกิดขึ้นไม่ได้.
เหล็กในโมเลกุลฮีโมโกลบินไม่สามารถจับหรือปลดปล่อยออกซิเจนได้เอง. แต่ถ้าไม่มีอะตอมของเหล็กที่มีประจุไฟฟ้าสี่อะตอมนี้ โมเลกุลฮีโมโกลบินที่เหลือก็จะไร้ประโยชน์. เฉพาะเมื่อไอออนเหล็กเหล่านี้ถูกยึดไว้อย่างเหมาะเจาะในโมเลกุลฮีโมโกลบินเท่านั้น จึงสามารถลำเลียงออกซิเจนไปทางกระแสเลือดได้.
การปลดปล่อยออกซิเจน
ขณะที่เม็ดเลือดแดงผ่านหลอดเลือดแดงเข้าไปในหลอดเลือดฝอยตามเนื้อเยื่อของร่างกาย สภาพแวดล้อมรอบ ๆ เม็ดเลือดแดงจะเปลี่ยนไป. ตอนนี้อุณหภูมิจะอุ่นกว่าในปอด ออกซิเจนจะมีน้อยกว่า และมีกรดสูงกว่าเนื่องจากมีคาร์บอนไดออกไซด์รอบ ๆ เซลล์. สัญญาณเหล่านี้บอกโมเลกุลฮีโมโกลบินภายในเซลล์ หรือรถแท็กซี่ว่าถึงเวลาปล่อยผู้โดยสารลงได้แล้ว นั่นคือการปล่อยออกซิเจนที่ล้ำค่า.
เมื่อโมเลกุลออกซิเจนออกจากโมเลกุลฮีโมโกลบิน มันจะเปลี่ยนรูปร่างอีกครั้งหนึ่ง. มัน “ปิดประตู” และปล่อยออกซิเจนไว้ข้างนอก ที่ซึ่งออกซิเจนเป็นที่ต้องการมากที่สุด. การปิดประตูยังช่วยไม่ให้ฮีโมโกลบินจับออกซิเจนแล้วพากลับไปที่ปอด. แต่มันจะรับคาร์บอนไดออกไซด์กลับไปแทน.
ไม่นานเม็ดเลือดแดงที่ถ่ายออกซิเจนแล้วจะกลับไปที่ปอด แล้วโมเลกุลฮีโมโกลบินจะปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์และรับออกซิเจนที่ค้ำจุนชีวิตอีกครั้งหนึ่ง ทั้งหมดนี้เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ หลายพันครั้งตลอดอายุของเม็ดเลือดแดงซึ่งยาวนานราว ๆ 120 วัน.
เห็นได้ชัดว่า ฮีโมโกลบินไม่ใช่โมเลกุลธรรมดา. มันเป็นอย่างที่กล่าวไว้ต้นบทความนี้ คือ “โมเลกุลขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง.” แน่นอน เรารู้สึกทึ่งและขอบคุณพระผู้สร้างสำหรับการออกแบบโมเลกุลที่ยอดเยี่ยมและละเอียดถี่ถ้วนซึ่งทำให้ชีวิตดำรงอยู่ได้!
[เชิงอรรถ]
a แผ่นนี้เป็นอีกโมเลกุลหนึ่งต่างหากที่เรียกว่าฮีม. ฮีมไม่ได้ทำจากโปรตีน แต่ประกอบกับโครงสร้างโปรตีนของฮีโมโกลบิน.
[กรอบ/แผนภาพหน้า 28]
ใส่ใจดูแลฮีโมโกลบินของคุณให้ดี!
“สภาวะขาดธาตุเหล็กในเลือด” ที่พูดกันทั่วไปในบางแห่งที่แท้แล้วก็คือสภาวะเลือดขาดฮีโมโกลบิน. ถ้าไม่มีอะตอมเหล็กสี่อะตอมที่จำเป็นในโมเลกุลฮีโมโกลบิน อะตอมที่เหลืออีก 10,000 อะตอมในโมเลกุลนั้นก็ไม่มีประโยชน์อะไร. ดังนั้น สำคัญมากที่จะได้รับธาตุเหล็กอย่างเพียงพอโดยการกินอาหารที่มีประโยชน์ต่อสุขภาพ. ตารางต่อไปนี้บอกรายการอาหารที่อุดมด้วยธาตุเหล็ก.
นอกจากการกินอาหารที่อุดมด้วยธาตุเหล็ก เราควรทำตามคำแนะนำต่อไปนี้: 1. ออกกำลังกายอย่างพอเหมาะเป็นประจำ. 2. ไม่สูบบุหรี่. 3. หลีกเลี่ยงการสูดควันบุหรี่จากผู้อื่น. ทำไมควันบุหรี่และควันยาสูบชนิดอื่น ๆ จึงเป็นอันตรายมาก?
นั่นเป็นเพราะควันบุหรี่เต็มไปด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ สารพิษตัวเดียวกันกับในไอเสียรถยนต์. คาร์บอนมอนอกไซด์เป็นสาเหตุของการเสียชีวิตโดยไม่รู้ตัวและเป็นวิธีที่บางคนใช้ฆ่าตัวตาย. คาร์บอนมอนอกไซด์จับกับอะตอมเหล็กในฮีโมโกลบินได้ดีกว่าออกซิเจนถึง 200 เท่า. ฉะนั้น ควันบุหรี่จึงก่อผลเสียต่อคนเราได้อย่างรวดเร็วโดยทำให้ร่างกายไม่ได้รับออกซิเจนเต็มที่.
[แผนภาพ]
อาหาร ปริมาณ ธาตุเหล็ก (มก.)
กากน้ำตาล 1 ช้อนโต๊ะ 5.0
เต้าหู้สด 1/2 ถ้วย 4.0
ถั่วเลนทิล 1/2 ถ้วย 3.3
มันฝรั่ง 1 หัวใหญ่ 3.2
เนื้อวัว 85 กรัม 3.2
ถั่วแดง 1/2 ถ้วย 2.6
จมูกข้าวสาลี 28 กรัม 2.6
บรอกโคลี 1 ต้นขนาดกลาง 2.1
ลูกเกด 1/2 ถ้วย 1.6
เนื้อไก่ที่เป็นสีเข้ม 84 กรัม 1.0
ผักปวยเล้ง 1 ถ้วย 0.8
[แผนภาพหน้า 26]
(ดูรายละเอียดจากวารสาร)
โครงสร้างโปรตีน
ออกซิเจน
อะตอมเหล็ก
ฮีม
ในปอดที่อุดมไปด้วยออกซิเจน โมเลกุลออกซิเจนจะจับกับฮีโมโกลบิน
หลังจากออกซิเจนโมเลกุลแรกจับกับฮีโมโกลบินแล้ว รูปร่างของฮีโมโกลบินจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย ทำให้จับออกซิเจนอีกสามโมเลกุลได้อย่างรวดเร็ว.
ฮีโมโกลบินลำเลียงโมเลกุลออกซิเจนจากปอดแล้วปล่อยไว้ในเนื้อเยื่อของร่างกายที่ต้องการออกซิเจน