sigmoidal dissociation kurve af hæmoglobin (Hb) og cooperativity er meget vanskelige begreber til at forstå for de studerende i biokemi i sundhedsvidenskab (f.eks bachelorer, kemi og biologi pre-medicinsk majors). Undervisningen af hæmoglobin tjener flere formål i biokemi klasseværelset, blandt dem illustrationen af proteinbinding og stabilitet, transport og kinetik., I denne forstand er begrebet proteinfunktionens oprindelse og dets regulering i cellen et af hovedpunkterne i foreslåede innovative kursussekvenser baseret på kemiens logik .
det faktum,at HB-molekylet er sammensat af 4 underenheder (α1 ,22 ,11 ,22) gør iltning lettere,da Hb bliver mere mættet med ilt. For at forklare dette er det vigtigt at huske, at hydrofobe såvel som ioniske og hydrogenbindingsinteraktioner mellem underenheder bestemmer den endelige kvaternære struktur af et komplekst protein., Specifikt holder et antal ionbindinger (klassisk benævnt “saltbroer”) dannet mellem stærkt hydrofile eller ladede aminosyrer (f.Asp, Glu, Lys, Arg) sammen de fire underenheder i den kvaternære struktur af Hb. O .ygenering kan kun forekomme, hvis ionbindingerne brydes, og polymeren skifter fra en “spændt” (T) eller lav iltaffinitetskonformation til en “afslappet” (R) form. Når dette sker, kan jernatomerne indtage den optimale stereokemiske position i porfyrinplanet, der muliggør korrekt binding af iltmolekylet (- molekylerne)., Jo flere broer, der er brudt, jo lettere er det (dvs.bindingsaffiniteten eller -gogo øges) for indtræden af nye iltmolekyler, op til fire pr. Dette var i forenklede termer en strukturel mekanisme foreslået af M. F. Perut .i 70 ‘ erne, som, selv om det bestrides af nogle efterforskere, er væsentligt korrekt baseret på nye eksperimentelle beviser.
siden sin første udgave har Biokemibogen af L. Stryer præsenteret analogien mellem at bryde ionbindinger og rive fra hinanden en blok med fire frimærker som en forklaring på samarbejdsmekanismen., Jeg har fundet, at selv bruger denne analogi, er de studerende stadig er forvirret, sandsynligvis fordi “breaking” (et stempel) sidestilles med “bindende” (ilt), to verber, der er uløseligt modstridende betydninger, der ikke fører naturligt til dannelsen af en mental sammenslutning af to abstrakte ideer.
endvidere koncentrerer undervisningen af Hb ofte udelukkende på molekylmekanismen og strækker sig ikke til dets funktionalitet i kroppen., Jeg har med succes anvendt analogi til frigivelse af ilt i stedet for bindende, således effektivt at bygge bro biokemi (cooperativity) med kemiske fysiologi (ilt dissociation). Som med alle ligevægte er processen reversibel, og sigmoidalkurven kan fungere begge veje, når vi betragter X-aksen: venstre mod højre for binding af ilt eller højre mod venstre for dens dissociation (Fig. 1). I sidstnævnte tilfælde giver den høje O2-spænding i lungerne (100 mmHg) fuld mætning., Når blod forlader lungerne for det perifere væv, frigiver Hb sin belastning, og procentdelen o .yhemoglobin falder.
Den form for ilt dissociation kurve af Hb er sigmoidal, mens der i andre iltbærende molekyler (som Myoglobin) er hyperbolsk. Kun sigmoidalkurven er karakteristisk for den kooperative proces, hvorved frigivelsen af et iltmolekyle ændrer affiniteten for de resterende o .ygener bundet til de andre proteiske underenheder., Det 4-underenheden arrangement i Hb (α1,α2,β1,β2), tjener til at udføre en bestemt funktion i organismen af hvirveldyr, som det bevæger sig fra et ekstrem gradient af oxygen partialtryk (eller ilt-tension) fra lungerne til at hypoxisk væv. De stiplede diagonale linjer i figuren indikerer, at iltmolekyler er bundet til α/β-underenheder (til de sjette koordineringspositioner af Fe2+ ioner på heme-planerne).,
for At arbejde “cooperativity in reverse”, der er i virkeligheden en funktionel, snarere end en strukturel analogi, jeg giver nogle studerende en fire posthuset stempel firkantet blok og fortælle dem, at de stempler, som repræsenterer de fire molekyler af ilt bundet til Hb inde i en erythrocyt i lungerne, (på dette tidspunkt, Jeg sørge for, at de forstår, at ilt-molekyler i det virkelige liv er bundet til hæmoglobin underenheder, ikke til hinanden). Så foregiver jeg at gå i gang med en rejse til vævene, hvor alt dette ilt er nødvendigt., Når jeg beder dem om at rive det første stempel fra hinanden, gør de det ved at lave to snit, en vandret og den anden lodret. For at frigive det andet frimærke er der kun brug for et snit. Og med et sidste snit adskilles de to sidste frimærker. Derefter flytter jeg til dissociationskurvegrafen (fig., 2) og jeg fortæller dem, at cooperativity betyder, at frigivelsen af hver ilt fra Hb i regioner af kroppen længere og længere væk fra lungerne, letter frigivelsen af hver efterfølgende molekyle, og med mindre energi, hver gang (hvis 1 klip = 1 vilkårlig enhed af energi, så for at adskille den første, anden, tredje og fjerde oxygens vi har brug for, henholdsvis 2 værelser, 1 enhed, 1/2 enhed og 1/2 enhed).,
for at frigøre indre frimærker fra en blok af fire, vi er nødt til at gøre to snit til at frigive den første stempel, der kun ét snit til at frigive den anden, og med final cut vi udgivelse af de sidste to frimærker, således at hver gang der kræver “mindre energi” til at gøre arbejdet. Tilsvarende forbliver ilt tæt bundet til hæmoglobin (Hb) i lungerne, men det frigives gradvist, når partielt ilttryk falder i kroppens forskellige væv., Frigivelsen af et sekund, og endnu mere det tredje iltmolekyle, kræver mindre trykfald, når den Hb-bærende erytrocyt bevæger sig længere væk til lungerne. I analogien findes Hb * 4O2 som “fire frimærker bundet til 4 Hb-underenhederne”; Hb * 3O2 findes som “tre frimærker bundet + 1 underenheder gratis” og så videre.
et nærmere kig på X-aksen afslører, at for frigivelsen af det første ilt skal spændingen falde fra 100 til 40 mmHg. For frigivelsen af det andet er dråben imidlertid mindre, ned fra 40 Til 26 mmHg (den normale P50 for Hb)., Endvidere kræver frigivelsen af et tredje eller et fjerde o oxygenygenmolekyle kun det mindste trykfald (i det virkelige liv aflaster Hb aldrig sit iltindhold fuldstændigt). På dette tidspunkt understreger jeg den funktionelle betydning af “at have brug for mindre energi hver gang” for at losse ilt: bare små dråber i partialtryk gør tricket på det rigtige sted (væv), men ikke i det forkerte (lunger), hvor vi har brug for det tæt bundet til transportøren.,
denne analogi beskriver trinnene i mekanismen for HB / O2-interaktion og giver en billedlig ramme for at komme ind i den traditionelle biokemiske historie (dvs.bevæger sig nu til bindingen af ilt: venstre mod højre i Fig-aksen i Fig. 1). Modellen sættes derfor ind i den generelle sammenhæng med kooperativitet, idet det første molekyle bundet forårsager strukturelle ændringer, der påvirker bindingen af det næste molekyle., Denne egenskab (sammen med allosterisme) er en direkte konsekvens af det kvaternære arrangement af de 4 polypeptider i Hb, beslægtet med “molekylær kommunikation”, der mangler andre iltbindende molekyler, såsom myoglobin (Mb). Formen af O oxygenygendissociationskurven for Hb er sigmoidal, hvorimod den for Mb ikke er (den er hyperbolsk); kun den sigmoidale kurve er karakteristisk for samarbejdsprocessen. Naturen er kommet op med to kloge molekylære design til særligt forskellige formål i kroppen., Hb færger ilt i blodet fra en ekstrem gradient af delvis pres fra lungerne (hvor det fortsat skal være tæt bundet) til væv (hvor det skal være nemt frigivet), men på den anden side, Hb ville være i stand til at give alle ilt, at cellen behov i en høj ATP-krævende situation (fx, motion). Mb, der er placeret i cellecytoplasma, frigiver ilt til mitokondrionens respiratoriske kæde, en organel, der bruger ilt hurtigere end gassen kan diffundere ind i den., Da bindingsaffiniteten af ilt til cytokromo .idasen er ~10 gange højere end for Mb, fungerer en “hyperbolsk” frigivelse i denne særlige situation bedre end en “kooperativ” frigivelse.,
Gå tilbage til “cooperativity in reverse”, der er illustreret ved 4-stempel blok analogi som beskrevet før, jeg har fundet, at det at lære et vanskeligt begreb er lettet, da pædagogen bruger her de tre vigtigste modeller for læring: association, discovery og vejledning som følger:
-
for det Første, ved at sammenligne molekyler af ilt til post office frimærker kan vi bevæge sig fra det abstrakte til det konkrete., Ved at fremkalde billeder i elevens sind tæt på hverdagens rige, sættes associeringsprocessen i gang (adfærdsteori om Pavlov og Skinner). Læreren fortæller historien, maler billeder og transporterer eleverne til scenarier af lyd, former og farver, og dermed leverer han problemfrit ideen, der skal formidles. Dette er som at sende en tekst-e-mail (konceptet) med en billedfil “vedhæftet fil” (det tilknyttede billede).
-
for det andet er eleverne involveret i en lille hands-on aktivitet., I modellen for udvikling og opdagelse (baseret på Piagets erfaringsteori) eksperimenterer eleverne, rører, føler, stiller spørgsmål om omverdenen og forsøger selv at udtrække de rigtige svar. Da den studerende bruger sanserne i en søgning efter de rigtige svar, fungerer underviseren her som en facilitator, og den studerende assimilerer dem i hans/hendes oplevelse eller i verden.,
-
for det tredje, hvis underviseren deler med klassen, hvordan han eller hun følte sig, da han først stødte på dette vanskelige koncept, vil det etablere et mentorforhold (baseret på Bandura), hvor lærer og studerende deler erfaringer sammen. Dette ville kun være praktisk, hvis en stor klasse opdeles i små grupper, og alligevel kan nogle undervisere føle sig tilbageholdende med at omfavne en tilgang, der kunne opfattes som at “afsløre” svaghed foran eleverne.,
Der er dog stadig en anden mulighed for at undervise i et abstrakt og vanskeligt koncept: ved at lede dem til at opdage sandheden af sig selv. Den “socratiske metode” blev udført en-til-en, involveret aktiv læring, var lærende centreret og lettet af læreren. Dygtige, passende formulerede spørgsmål rettet mod viden, forståelse og anvendelse af vanskelige discipliner kan effektivt forbedre de kognitive evner hos studerende fra de forskellige sundhedsprofessioner .,
i vores eksempel på dissociationskurven for hæmoglobin kan vi forestille os at gå sammen med disciplen på det grønne på universitetscampus. Læreren kunne stille spørgsmålet: “lad os sige, at ilt er bundet til hæmoglobin i lungen-vil dette være en tæt binding?”Den studerende svarede:” muligvis, da vi ikke ønsker at miste noget af det lige der”. Læreren, så: “lad os Nu forestille erythrocyt rejser længere væk fra lungerne”; “Det er tid til at frigive det”, “Ja, men hvad ville der ske, hvis det er frigivet, så snart den ilt, trykket falder bare en anelse?,”; “Nå, jeg formoder, at der ikke vil være noget tilbage til de mest skjulte væv badet i CO2”; “nøjagtigt” ;” så forestiller jeg mig, at frigivelsen skulle være gradvis, men vent et øjeblik, der skulle findes en mekanisme til det!”; “Faktisk. Lad os kalde denne mekanisme ‘samarbejde’ for nu”. Og så videre.
omend upraktisk, ville dette være den valgte læringsmetode, og brugen af online interaktiv vejledning nærmer sig dette mål. I mellemtiden kan jeg ikke vente med at starte et nyt kvartal og se de studerende ansigter gløde, når de opdager hemmelighederne ved iltforsyning ved hjælp af en 4 33 33-cent “enhed”.,
Skriv et svar