Şaşırtıcı Hemoglobin Molekülü Bir Tasarım Harikası

“Nefes alıp vermek çok basit gibi görünebilir; fakat anlaşılan, yaşamın bu temel göstergesi varlığını, muazzam karmaşık dev bir moleküldeki çeşitli atomların birbiriyle etkileşimine borçlu” (Max F. Perutz, hemoglobin molekülüyle ilgili çalışmalarından ötürü 1962’de Nobel ödülü alan bir bilim insanı).

NEFES almaktan daha doğal bir şey olabilir mi? Çoğumuz nasıl nefes alıp verdiğimizi nadiren merak ederiz. Ancak, Yaratıcımızın tasarladığı karmaşık moleküler bir şaheser olan hemoglobin olmasaydı, nefes almak hayatta kalmamızı sağlayamazdı. 30 trilyon alyuvarın her birinde bulunan hemoglobin, oksijeni akciğerlerden alıp vücuttaki tüm dokulara taşır. Hemoglobin olmasaydı, anında ölürdük.

Hemoglobin molekülleri minik oksijen moleküllerini doğru zamanda almayı, doğru zamana kadar güvenle taşımayı ve doğru zamanda serbest bırakmayı nasıl başarıyor? Bunun için moleküler mühendisliğin birkaç ustalıklı ve şaşırtıcı işi gereklidir.

Minik Moleküler “Taksiler”

Bir alyuvardaki her hemoglobin molekülünü, sadece dört “yolcu” alabilen, dört kapılı minik bir taksi olarak düşünebilirsiniz. Bu moleküler taksinin bir sürücüye ihtiyacı yoktur; çünkü yolculuğunu, hemoglobin molekülleriyle dolu olan ve seyahat aracı olarak adlandırılabilen bir alyuvar içinde yapar.

Bir hemoglobin molekülünün yolculuğu, alyuvarlar akciğerlerdeki alveollere, yani “havaalanına” geldiğinde başlar. Biz nefes alıp ciğerlerimize hava çektikçe, yeni gelen çok sayıda minik oksijen molekülü binecek bir taksi aramaya başlar. Bu moleküller hızla alyuvarların içine, yani “araçlara” girerler. Bu noktada, her alyuvardaki hemoglobin taksilerinin kapıları kapalıdır. Fakat çok geçmeden, aceleyle koşuşturan kalabalığın arasından kararlı bir oksijen molekülü kendini hemoglobin taksinin içine sıkıştırıp oturur.

Sonra çok ilginç bir şey olur. Alyuvardaki hemoglobin molekülü şeklini değiştirmeye başlar. İlk yolcular binerken, hemoglobin taksinin dört “kapısının” hepsi otomatik olarak açılmaya başlar; böylece diğer yolcular taksiye daha kolay binerler. Bu işbirliği süreci öyle etkilidir ki, tek bir nefes alırken geçen zamanda bir alyuvardaki tüm taksilerin “koltuklarının” yüzde 95’i dolar. Bir alyuvardaki 250 milyonu aşkın hemoglobin molekülü hep birlikte, yaklaşık 1 milyar oksijen molekülü taşıyabilir. Kısa süre sonra, tüm bu taksilerin bulunduğu alyuvar, vücuttaki dokulara ihtiyaçları olan değerli oksijeni vermek üzere yola çıkar. ‘Peki alyuvarın içindeki oksijen atomunun vakitsiz dışarı çıkmasını engelleyen nedir?’ diye merak edebilirsiniz.

Cevap şudur: Her hemoglobin molekülündeki oksijen molekülleri orada bekleyen demir atomlarına bağlanır. Oksijen ve demir, suyun içinde beraber bulunduğunda neler olduğunu herhalde görmüşsünüzdür. Genelde demiroksit, yani pas oluşur. Demir paslandığında, oksijen kalıcı olarak bir kristal içinde hapsedilir. Acaba hemoglobin molekülü alyuvardaki sulu ortamda pas oluşturmadan demir ve oksijeni birbirine bağlamayı ve ayırmayı nasıl başarıyor?

Yakından Bakalım

Bu soruyu yanıtlamak için hemoglobin molekülüne yakından bakalım. Hemoglobin molekülü, 4 demir atomunun çevresine özenle dizilmiş yaklaşık 10.000 hidrojen, karbon, azot, kükürt ve oksijen atomundan oluşur. Dört demir atomunun neden bu kadar desteğe ihtiyacı var?

İlk olarak dört demir atomu elektrikle yüklüdür ve dikkatle kontrol edilmelidir. İyon olarak adlandırılan yüklü atomlar kontrolden çıkarsa hücrelerde çok fazla hasara yol açabilirler. Dolayısıyla dört demir iyonunun her biri koruyucu sert bir halkanına ortasında tutulur. İkincisi, bu dört halka hemoglobin molekülünün içine özenle yerleştirilmiştir, öyle ki oksijen molekülleri demir iyonlarına erişebilir, fakat su molekülleri erişemez. Su olmadığından da pas kristalleri oluşamaz.

Hemoglobin molekülündeki demir kendi başına oksijene bağlanıp ayrılamaz. Fakat elektrik yüklü dört demir atomu olmazsa, hemoglobin molekülünün diğer kısımları işe yaramaz. Ayrıca bu demir iyonları hemoglobin molekülüne ancak uygun şekilde yerleştiğinde, oksijenin kan yoluyla taşınması mümkün olabilir.

Oksijen Serbest Bırakılıyor

Bir alyuvar atardamarlardan çıkıp dokuların derinliklerindeki minik kılcal damarlara doğru yol alırken alyuvarın etrafındaki ortam değişir. Artık ortam akciğerlerdekinden daha sıcaktır, daha az oksijen vardır ve alyuvarın etrafındaki karbondioksitten ötürü daha asitlidir. Bu işaretler hemoglobin moleküllerine, yani taksilere değerli yolcularını indirme, başka sözlerle oksijeni serbest bırakma zamanının geldiğini söyler.

Oksijen molekülleri hemoglobin molekülünün dışına çıktığında hemoglobinin şekli bir kez daha değişir. Bu değişiklik, en ihtiyaç duyulan yerde “kapıları kapatmaya” ve oksijeni dışarı salmaya yetecek kadardır. Kapıların kapanması akciğerlere dönüş yolunda hemoglobinin herhangi bir oksijen taşımasını da engeller. Böylece, dönüş yolculuğunda hemoglobin karbondioksiti kolayca alır.

Oksijenini kaybetmiş alyuvarlar kısa süre sonra akciğerlere dönerler. Orada hemoglobin molekülleri karbondioksiti serbest bırakır ve hayatın devamını sağlayan oksijenle yeniden yüklenirler. Bu süreç, alyuvarın yaklaşık 120 günlük ömrü boyunca binlerce kez tekrarlanır.

Açıkça görülüyor ki, hemoglobin sıradan bir molekül değildir. Bu makalenin girişinde belirtildiği gibi, “muazzam karmaşık dev bir molekül”dür. Yaşamamızı sağlayan bu mikromühendislik harikasına kesinlikle hayranlık duyuyoruz ve bu muhteşem eseri için Yaratıcımıza şükrediyoruz.

[Dipnot]

[Sayfa 28’deki çerçeve/​şema]

HEMOGLOBİNİNİZE İYİ BAKIN!

Bazı yerlerde “kandaki demir eksikliği”nden söz edilirken, aslında kandaki hemoglobin eksikliği kastedilir. Bir hemoglobin molekülünde gerekli dört demir atomu olmadan, moleküldeki diğer 10.000 atom işe yaramaz. O nedenle, sağlıklı beslenerek yeterince demir almak önemlidir. Yanda çeşitli gıdalardaki demir miktarı sıralanmaktadır.

Demir açısından zengin gıdalar tüketmenin yanı sıra şu tavsiyelere de uymalıyız: 1. Düzenli olarak uygun egzersiz yapmak. 2. Sigara içmemek. 3. Pasif içicilikten kaçınmak. Sigaranın ve diğer tütün çeşitlerinin dumanı neden bu kadar tehlikeli?

Çünkü bu duman karbonmonoksit yüklüdür; arabalardan egzoz dumanı olarak yayılan da aynı zehirdir. Karbonmonoksit hem kaza ölümlerinin birçoğunun nedenidir hem de bazı kişilerin intihar etmek için kullandığı bir gazdır. Karbonmonoksit hemoglobindeki demir atomlarına oksijenden 200’den fazla kat daha hızlı bağlanır. Dolayısıyla sigara dumanı kişinin oksijen almasına fırsat vermeyerek ona çabucak zarar verir.

[Çizelge]

GIDA MİKTAR DEMİR (mg)

Mercimek yarım su bardağı 3,3

Sığır kol eti 85 gram 3,2

Tahin 2 çorba kaşığı 2,7

Buğday çeyrek su bardağı 2,6

Bezelye 1 su bardağı 2,5

Nohut yarım su bardağı 2,4

Brokoli 1 sap 2,1

Hindi eti 84 gram 2,0

Karpuz 1 dilim 1,4

Kuru kayısı 15 adet 1,4

Ispanak 1 su bardağı pişmemiş 0,8

[Sayfa 26’daki şema/​resim]

(Ayrıntılı bilgi için lütfen yayına bakın)

Protein yapısı

Oksijen

Demir atomu

Hem

Oksijen açısından zengin olan akciğerlerde, oksijen molekülü hemoglobine bağlanır

İlk oksijen molekülünün bağlanmasından sonra, hemoglobinin şekli hafif değişir; böylece çabucak üç oksijen molekülü daha bağlanır

Hemoglobin, oksijen moleküllerini akciğerlerden uzağa taşır ve vücutta oksijene ihtiyaç duyulan yerlerde onları serbest bırakır