تشارك البروتينات الهيمية في العديد من الوظائف الحيوية، بما في ذلك نقل الأكسجين (الهيموجلوبين في أنسجة الكريات الحمراء) وتخزين الأكسجين (الميوغلوبين العضلي) واستقلاب الأكسجين (الكاتالازات والبيروكسيدات) والتنفس الخلوي (السيتوكرومات) وتركيب أكسيد النيتريك (تركيبات أكسيد النيتريك [ NOS])، واستشعار (guanylate cyclase)، وتفاعلات إزالة السموم (نظام السيتوكروم).
ما هي بروتينات الهيم
بروتينات الهيم هي بروتينات ملونة، وعادة ما تكون بنية ضاربة إلى الحمرة، ويرجع ذلك إلى وجود جزء الهيم، ويتكون جزء الهيم من حلقة بروتوبورفيرين مستبدلة، وتحتوي على ذرة حديد مجمعة، توجد العديد من بروتينات الهيم في الثدييات. ويشكل الحديد المستخلب، سواء كان من الحديد بشكل تفضيلي ستة هياكل مربوطة، وفي بروتينات الهيم، وتتكون أربعة من هذه الروابط مع ذرات النيتروجين لأربعة بيرولات في حلقة البروتوبورفيرين.
يتكون الخامس، الذي يشار إليه غالبًا باسم الترابط القريب من بقايا الأحماض الأمينية للبروتين، وهذه البقايا هي بقايا الهيستيدين في البروتينات الحاملة للأكسجين _ الميوغلوبينو الهيموغلوبين، حيث تشكل الرابطة مع جزيء الأكسجين الترابط السادس.
وفي بروتينات الهيم التي تعمل كإنزيمات، يمكن أن تتكون الرابطة الخامسة من بقايا هيستيدين، سيستين، ميثيونين، أو تيروزين، وفي السيتوكرومات الحاملة للإلكترون، يتم احتلال كل من الروابط الخامسة والسادسة بواسطة بقايا الأحماض الأمينية.
تخليق الهيم
تلعب البروتينات الدموية دورًا حيويًا في الوظائف الخلوية من التبادل الغازي إلى تقليل الأكسدة والاختزال، تشمل البروتينات الدموية المهمة بيولوجيًا الهيموغلوبين والميوغلوبين والكتلاز والسيتوكروم ج والسيتوكروم p450، ويبدأ تخليق الهيم في الميتوكوندريا بتكثيف (succinyl-CoA) مع حمض الجلايسين الأميني، الذي يتم تنشيطه بواسطة فوسفات البيريدوكسال ALA ويحفز هذا التفاعل الذي لا رجعة فيه مكونًا حمض أميني كيتوديبيك وسيط، (ALA synthase) وهو إنزيم يحد من معدل تخليق الهيم، وتم العثور على شكلين من (ALA synthase: erythroid (ALAS2) والكبد (ALAS1)).
تدخل جزيئات ALA إلى السيتوبلازم، حيث ينتج اتحادها في وجود ALA dehydratase إنتاج البورفوبيلينوجين (PBG) وجزيئات الماء، يتم تثبيط ALAD بواسطة الرصاص، ويتم تثبيط تخليق الهيم، مما يؤدي إلى فقر الدم، ويتم ربط أربعة جزيئات PBG بواسطة (uroporphyrinogen I synthase (PBG deaminase)) باعتباره رباعي بيرول خطي يسمى هيدروكسي ميثيل بيلين (HMB)، وتدور رباعي بيرول الخطي لتشكيل حلقة تعرف باسم uroporphyrinogen III) (UPG)) بمشاركة (uroporphyrinogen III synthase)، ويحتوي (Uroporphyrinogen III) على سلسلة جانبية غير متماثلة.
أمثلة على البروتينات الهيمية
الهيموغلوبين
- يعتبر ناقل الأكسجين في الدم.
- يحتوي الجسم على 750 جرامًا (1.6 رطل) من الهيموجلوبين، ويتم استبداله كل 120 يومًا.
- يتطلب معدل دوران الهيموجلوبين الطبيعي تصنيع 6-8 جرام من الهيموجلوبين الجديد يوميًا، وهي عملية تستخدم حوالي 14٪ من الأحماض الأمينية الغذائية، ويتم تصنيع 300 ملليجرام من الهيم يوميًا للاقتران مع بروتين غلوبين المركب حديثًا.
السيتوكرومات
- يشاركون في تفاعلات نقل الإلكترون الهامة.
- نصف عمرهم حوالي 132 ساعة.
الكاتلاز والبيروكسيديز مع بيروكسيد الهيدروجين.
- تحمي هذه الإنزيمات الجسم من الأكسدة غير المنضبطة بواسطة بيروكسيد الهيدروجين.
- نصف عمرهم حوالي 20 ساعة.
التربتوفان أوكسيجيناز
- يحفز تحويل التربتوفان إلى N-formylkynurenine، باستخدام الأكسجين كعامل مؤكسد.
- عمر النصف لها حوالي ساعتين فقط.
ويمكننا القول بأنه الهيم هو جزيء أساسي ويلعب أدوارًا حيوية في العديد من العمليات البيولوجية، وأتاح التحديد الهيكلي لعدد كبير من بروتينات الهيم دراسة الخصائص الكيميائية والهيكلية التفصيلية لبيئة ربط الهيم، ويمكن أن توفر معرفة هذه الخصائص إرشادات قيمة في تصميم بروتينات الهيم الجديدة وتساعدنا على التنبؤ ببروتينات ربط الهيم غير المعروفة.
