Die sigmoidale Dissoziationskurve von Hämoglobin (Hb) und Kooperativität sind für die Studenten der Biochemie in den Gesundheitswissenschaften (wie Bachelor, Chemie und Biologie vormedizinische Hauptfächer) sehr schwer zu erfassen. Die Lehre von Hämoglobin dient mehreren Zwecken im Biochemie-Klassenzimmer, darunter der Darstellung der Proteinbindung und-stabilität, des Transports und der Kinetik., In diesem Sinne ist das Konzept des Ursprungs der Proteinfunktion und ihrer Regulierung in der Zelle einer der Schlüsselpunkte der vorgeschlagenen innovativen Kurssequenzen, die auf der Logik der Chemie basieren .

Die Tatsache,dass das Hb-Molekül aus 4 Untereinheiten (α1,α2,β1, β2) besteht, erleichtert die Sauerstoffversorgung, da Hb mit Sauerstoff gesättigter wird. Um dies zu erklären, ist es wichtig zu bedenken, dass hydrophobe sowie ionische und Wasserstoffbindungswechselwirkungen zwischen Untereinheiten die endgültige quartäre Struktur eines komplexen Proteins bestimmen., Insbesondere eine Reihe von Ionenbindungen (klassisch als „Salzbrücken“ bezeichnet), die zwischen hoch hydrophilen oder geladenen Aminosäuren (z. B. Asp, Glu, Lys, Arg) gebildet werden, halten die vier Untereinheiten in der quartären Struktur von Hb zusammen. Oxygenierung kann nur auftreten, wenn die Ionenbindungen gebrochen sind und das Polymer von einer „angespannten“ (T) oder niedrigen Sauerstoffaffinitätskonformation zu einer „entspannten“ (R) Form wechselt. In diesem Fall können die Eisenatome die optimale stereochemische Position in der Porphyrinebene einnehmen, die eine ordnungsgemäße Bindung der Sauerstoffmoleküle ermöglicht., Je mehr Brücken gebrochen werden, desto einfacher ist es (dh die Bindungsaffinität oder −ΔGo erhöht sich) für den Eintritt neuer Sauerstoffmoleküle, bis zu vier pro Hb-Molekül. Dies war vereinfacht gesagt ein struktureller Mechanismus, der von M. F. Perutz in den 70er Jahren vorgeschlagen wurde und der, obwohl er von einigen Forschern bestritten wurde, auf der Grundlage neuer experimenteller Beweise im Wesentlichen korrekt ist .

Seit seiner ersten Ausgabe hat das Biochemistry Book von L. Stryer die Analogie zwischen dem Brechen von Ionenbindungen und dem Zerreißen eines Blocks von vier Stempeln als Erklärung für den Mechanismus der Kooperativität vorgestellt., Ich habe festgestellt, dass selbst bei Verwendung dieser Analogie die Schüler immer noch verwirrt sind, höchstwahrscheinlich, weil „Brechen“ (ein Stempel) mit „Binden“ (von Sauerstoff) gleichgesetzt wird, zwei Verben mit intrinsisch widersprüchlichen Bedeutungen, die nicht auf natürliche Weise zur Bildung einer mentalen Assoziation zweier abstrakter Ideen führen.

Darüber hinaus konzentriert sich die Lehre von Hb oft nur auf den molekularen Mechanismus und erstreckt sich nicht auf seine Funktionalität im Körper., Ich habe die Analogie erfolgreich auf die Freisetzung von Sauerstoff anstelle der Bindung angewendet und so die Biochemie (Kooperativität) effektiv mit der chemischen Physiologie (Sauerstoffdissoziation) überbrückt. Wie bei allen Gleichgewichten ist der Prozess reversibel und die Sigmoidalkurve kann so oder so funktionieren, wie wir die X-Achse betrachten: Von links nach rechts für die Bindung von Sauerstoff oder von rechts nach links für seine Dissoziation (Abb. 1). Im letzteren Fall sorgt die hohe O2-Spannung der Lunge (100 mmHg) für eine vollständige Sättigung., Wenn Blut die Lunge für die peripheren Gewebe verlässt, setzt Hb seine Last frei und das prozentuale Oxyhämoglobin nimmt ab.

DIE KLASSISCHE SAUERSTOFF-DISSOZIATIONSKURVE VON HÄMOGLOBIN

Die Form der Sauerstoff-Dissoziationskurve von Hb ist sigmoidal, während die anderer sauerstofftragender Moleküle (wie Myoglobin) hyperbolisch ist. Nur die sigmoidale Kurve ist charakteristisch für den kooperativen Prozess, bei dem die Freisetzung eines Sauerstoffmoleküls die Affinität für die verbleibenden an die anderen Proteinen gebundenen Oxygene verändert., Die 4-Untereinheit in Hb (α1,α2,β1,β2) dient dazu, eine spezifische Funktion im Organismus von Wirbeltieren zu erfüllen, da sie sich von einem extremen Gradienten des Sauerstoffpartialdrucks (oder der Sauerstoffspannung) von Lungen zu hypoxischen Geweben bewegt. Die gestrichelten diagonalen Linien in der Abbildung zeigen an, dass Sauerstoffmoleküle an α/β-Untereinheiten gebunden sind (an die sechsten Koordinationspositionen von Fe2+ – Ionen auf den Häm-Ebenen).,

Um die „Kooperativität in umgekehrter Richtung“ zu arbeiten, die in Wirklichkeit eher eine funktionelle als eine strukturelle Analogie ist, gebe ich einigen Schülern einen quadratischen Block mit vier Poststempeln und sage ihnen, dass die Stempel die vier Sauerstoffmoleküle darstellen, die an Hb in einem Erythrozyten in der Lunge gebunden sind (an diesem Punkt stelle ich sicher, dass sie verstehen, dass die Sauerstoffmoleküle im wirklichen Leben an die Hämoglobin-Untereinheiten gebunden sind, nicht aneinander). Dann gebe ich vor, eine Reise zu den Geweben zu unternehmen, in denen all dieser Sauerstoff benötigt wird., Wenn ich ihnen sage, dass sie den ersten Stempel auseinanderreißen sollen, machen sie zwei Schnitte, einen horizontalen und den anderen vertikalen. Um den zweiten Stempel freizugeben, wird nur ein Schnitt benötigt. Und mit einem letzten Schnitt werden die letzten beiden Stempel getrennt. Dann gehe ich zum Dissoziationskurvendiagramm (Abb., 2) und ich sage ihnen, dass Kooperativität bedeutet, dass die Freisetzung jedes Sauerstoffs aus Hb in Regionen des Körpers, die weiter und weiter von der Lunge entfernt sind, die Freisetzung jedes nachfolgenden Moleküls erleichtert und jedes Mal mit weniger Energie (wenn 1 Schnitt = 1 beliebige Energieeinheit, dann um das erste, zweite, dritte und vierte Oxygen zu trennen, benötigen wir jeweils 2 Einheiten, 1 Einheit, 1/2 Einheit und 1/2 Einheit).,

DIE BRIEFMARKENANALOGIE

Um einzelne Stempel aus einem Vierblock freizugeben, müssen wir zwei Schnitte machen, um den ersten Stempel freizugeben, nur einen Schnitt, um den zweiten freizugeben, und mit dem letzten Schnitt geben wir die letzten beiden Stempel frei, sodass jedes Mal“ weniger Energie “ benötigt wird, um die Arbeit zu erledigen. In ähnlicher Weise bleibt Sauerstoff in den Lungen fest an Hämoglobin (Hb) gebunden, wird jedoch zunehmend freigesetzt, wenn der Sauerstoffpartialdruck in den verschiedenen Geweben des Körpers abfällt., Die Freisetzung eines zweiten und noch mehr des dritten Sauerstoffmoleküls erfordert kleinere Druckabfälle, wenn sich der Hb-tragende Erythrozyt weiter in die Lunge bewegt. In der Analogie existiert Hb•4O2 als „vier Stempel an die 4 Hb-Untereinheiten gebunden“; Hb•3O2 existiert als“ drei Stempel gebunden + 1 Untereinheiten frei “ und so weiter.

Ein genauerer Blick auf die X-Achse zeigt, dass für die Freisetzung des ersten Sauerstoffs die Spannung von 100 auf 40 mmHg fallen muss. Für die Freisetzung des zweiten ist der Abfall jedoch kleiner, von 40 auf 26 mmHg (der normale P50 für Hb)., Ferner erfordert die Freisetzung eines dritten oder vierten Sauerstoffmoleküls nur den kleinsten Druckabfall (im wirklichen Leben entlädt Hb seinen Sauerstoffgehalt jedoch nie vollständig). An dieser Stelle betone ich die funktionelle Bedeutung von“ jedes Mal weniger Energie benötigen“, um Sauerstoff zu entladen: Nur kleine Partialdruckabfälle tun den Trick an der richtigen Stelle (Gewebe), aber nicht an der falschen (Lunge), wo wir es brauchen eng an den Träger gebunden.,

Diese Analogie beschreibt die Schritte im Mechanismus der Hb / O2-Wechselwirkung und bietet einen bildlichen Rahmen, um in die traditionelle biochemische Geschichte einzusteigen (d. H. Jetzt zur Bindung von Sauerstoff überzugehen: von links nach rechts in der X-Achse von Fig. 1). Das Modell wird daher in den allgemeinen Kontext der Kooperativität gestellt, indem das erste gebundene Molekül strukturelle Veränderungen verursacht, die die Bindung des nächsten Moleküls beeinflussen., Diese Eigenschaft (zusammen mit dem Allosterismus) ist eine direkte Folge der quartären Anordnung der 4 Polypeptide in Hb, ähnlich der „molekularen Kommunikation“, die in anderen sauerstoffbindenden Molekülen wie Myoglobin (Mb) fehlt. Die Form der Sauerstoff Dissoziationskurve von Hb ist sigmoidal, während die von Mb nicht (es ist hyperbolisch) ist; nur die sigmoidale Kurve ist charakteristisch für den kooperativen Prozess. Die Natur hat zwei clevere molekulare Designs für besonders unterschiedliche Zwecke im Körper entwickelt., Hb leitet Sauerstoff im Blutstrom von einem extremen Partialdruckgradienten von der Lunge (wo es fest gebunden bleiben muss) zu den Geweben (wo es leicht freigesetzt werden muss), aber andererseits wäre Hb nicht in der Lage, den gesamten Sauerstoff bereitzustellen, den die Zelle in einer hohen ATP-anspruchsvollen Situation benötigt (z. B. Trainieren). Mb, das sich im Zellzytoplasma befindet, setzt Sauerstoff an die Atmungskette des Mitochondriums frei, einer Organelle, die Sauerstoff schneller verbraucht, als das Gas in sie diffundieren kann., Da die Bindungsaffinität von Sauerstoff an die Cytochromoxidase ~10-mal höher ist als die für Mb, funktioniert eine „hyperbolische“ Freisetzung in dieser speziellen Situation besser als eine „kooperative“ Freisetzung.,

Zurück zur zuvor beschriebenen“ Kooperativität in umgekehrter Richtung“, die durch die 4-Stempel-Blockanalogie veranschaulicht wird, habe ich festgestellt, dass das Erlernen eines schwierigen Konzepts weiter erleichtert wird, da der Erzieher hier die drei Hauptmodelle des Lernens verwendet: Assoziation, Entdeckung und Mentoring wie folgt:

  • Erstens können wir durch den Vergleich von Sauerstoffmolekülen mit Poststempeln vom Abstrakten zum Konkreten übergehen., Durch das Hervorrufen von Bildern im Kopf des Lernenden in der Nähe des Alltags wird der Assoziationsprozess in Bewegung gesetzt (Verhaltenstheorie von Pavlov und Skinner). Der Lehrer erzählt die Geschichte, malt Bilder und transportiert die Schüler in Szenarien von Klang, Formen und Farben und liefert dabei nahtlos die zu kommunizierende Idee. Dies ist wie das Senden einer Text-E-Mail (das Konzept) mit einer Bilddatei „Anhang“ (das zugehörige Bild).

  • Zweitens sind die Schüler mit einer kleinen praktischen Aktivität beschäftigt., Im Modell der Entwicklung und Entdeckung (basierend auf der Erfahrungstheorie von Piaget) experimentieren, berühren, fühlen, stellen die Schüler Fragen zur Außenwelt und versuchen, die richtigen Antworten selbst zu extrahieren. Da der Lernende die Sinne bei der Suche nach den richtigen Antworten nutzt, dient der Erzieher hier als Vermittler und der Schüler assimiliert sie in seine Erfahrung oder Innenwelt.,

  • Drittens, wenn der Pädagoge mit der Klasse teilt, wie er oder sie sich gefühlt hat, als er auf dieses schwierige Konzept gestoßen ist, wird eine Mentoring-Beziehung (basierend auf Bandura) aufgebaut, in der Lehrer und Schüler Erfahrungen austauschen zusammen. Dies wäre nur dann praktisch, wenn eine große Klasse in kleine Gruppen aufgeteilt wird, und trotzdem zögern einige Pädagogen möglicherweise, einen Ansatz zu verfolgen, der als „Aufdecken“ von Schwäche vor den Schülern wahrgenommen werden könnte.,

Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit, ein abstraktes und schwieriges Konzept zu lehren: indem man sie dazu führt, die Wahrheit selbst zu entdecken. Die „sokratische Methode“ wurde eins zu eins durchgeführt, beinhaltete aktives Lernen, war lernzentriert und wurde vom Lehrer erleichtert. Geschickte, angemessen formulierte Fragen, die auf Wissen, Verständnis und Anwendung schwieriger Disziplinen abzielen, können die kognitiven Fähigkeiten von Studenten aus den verschiedenen Gesundheitsberufen effizient verbessern .,

In unserem Beispiel der Dissoziationskurve von Hämoglobin können wir uns vorstellen, neben dem Schüler auf dem Grün des Universitätscampus zu gehen. Der Lehrer könnte die Frage stellen: „Nehmen wir an, Sauerstoff ist an Hämoglobin in der Lunge gebunden -wird dies eine enge Bindung sein?“Der Student würde antworten:“Möglicherweise, da wir dort nichts davon verlieren wollen“. Der Lehrer dann: „Stellen wir uns vor, der Erythrozyt reist weiter von der Lunge weg“; „Es ist Zeit, ihn freizusetzen“; „Ja, aber was würde passieren, wenn er freigesetzt wird, sobald der Sauerstoffdruck nur geringfügig abfällt?,“; „Nun, ich nehme an, es wird nichts mehr für die verborgensten Gewebe geben, die in CO2 gebadet sind“; „Genau“; “ Dann stelle ich mir vor, die Freisetzung sollte schrittweise erfolgen, aber warten Sie eine Minute, dafür sollte ein Mechanismus existieren!“; „Tatsächlich. Nennen wir diesen Mechanismus vorerst „Kooperativität“. Und so weiter.

Wenn auch unpraktisch, wäre dies die Lernmethode der Wahl und die Verwendung von interaktivem Online-Nachhilfeunterricht nähert sich diesem Ziel. In der Zwischenzeit kann ich es kaum erwarten, ein neues Quartal zu beginnen und die Gesichter der Schüler leuchten zu sehen, wenn sie die Geheimnisse der Sauerstoffzufuhr mit Hilfe eines 4×33-Cent-Geräts entdecken.,