sigmoidal dissosiasjon kurve av hemoglobin (Hb) og cooperativity er veldig vanskelige begreper å forstå for elevene i biokjemi i helsefag (for eksempel studenter, kjemi og biologi pre-medisinsk majors). Undervisning av Hemoglobin tjener flere formål i biokjemi klasserommet, blant dem illustrasjon av protein binding og stabilitet, transport og kinetikk., I denne forstand er begrepet opprinnelsen av protein funksjon og dets regulering i cellen er en av de viktigste punktene av foreslåtte innovative selvfølgelig sekvenser basert på logikken i kjemi .
Det faktum at Hb-molekylet består av 4 underenhetene (α1,α2,β1,β2) gjør oksygenering lettere i Hb blir mer mettet med oksygen. For å forklare dette, er det viktig å huske at hydrofobe samt ioniske og hydrogen bond interaksjoner mellom underenhetene avgjøre den endelige kvartær struktur av et komplekst protein., Spesielt, en rekke ioniske bindinger (klassisk referert til som «salt broer») som dannes mellom svært hydrofil eller belastet amino syrer (f.eks., Asp, Glu, Lys, Arg) holder sammen de fire underenhetene i kvartær struktur av Hb. Oksygenering kan bare oppstå hvis ioniske bindinger er brutt og polymer skifter fra en «spent» (T) eller lav affinitet for oksygen konformasjon til en «avslappet» (R) – skjema. Når dette skjer, strykejern atomer kan vedta optimal stereochemical posisjon i porphyrin flyet som gjør det mulig for riktig binding av oksygen-molekyl(s)., Jo flere broer som er brutt, jo lettere er det (dvs, den bindende affinitet eller −ΔGo øker) for oppføring av nye molekyler av oksygen, opp til fire per molekyl av Hb. Dette var, i forenklet form, en strukturell mekanisme som er foreslått av M. F. Perutz på 70-tallet som, selv om bestridt av noen etterforskere, er vesentlig riktig basert på nye eksperimentelle bevis .
Siden den første utgaven, Biokjemi bok av L. Stryer har presentert analogien mellom å bryte ioniske bindinger og rippe fra hverandre en blokk av fire frimerker som en forklaring på mekanismene i cooperativity., Jeg har funnet ut at selv om du bruker denne analogien, elevene er fortsatt forvirret, mest sannsynlig fordi «bryte» (stempel) er likestilles med «bindende» (oksygen), to verb som har en iboende motstridende betydninger, som ikke fører naturligvis til dannelsen av en mental sammenslutning av to abstrakte ideer.
Videre, undervisning av Hb ofte konsentrerer seg utelukkende på den molekylære mekanismen og strekker seg ikke til dens funksjoner i kroppen., Jeg har med hell brukt analogi for å slippe av oksygen i stedet for å bindende, og dermed effektivt å bygge bro mellom biokjemi (cooperativity) med kjemisk fysiologi (oksygen dissosiasjon). Som med alle likevekter, prosessen er reversibel og sigmoidal kurve kan fungere enten måte som vi ser på X-aksen: Venstre til høyre for binding av oksygen eller høyre mot venstre for sin dissosiasjon (Fig. 1). I sistnevnte tilfelle, høy O2 spenning i lungene (100 mmHg) gir seg full metning., Som blodet forlater lungene for de perifere vev, Hb utgivelser dets last og prosent oxyhemoglobin synker.
– >
form av oksygen dissosiasjon kurve av Hb er sigmoidal, mens det av andre oksygen-bærer-molekyler (for eksempel Myoglobin) er hyperbolsk. Bare sigmoidal kurve er karakteristisk for samarbeidende prosess som til utslipp av ett molekyl oksygen endrer affinitet for de resterende oxygens bundet til andre proteic underenhetene., 4 subunit arrangement i Hb (α1,α2,β1,β2), som tjener til å utføre en bestemt funksjon i organismen av vertebrater, som den beveger seg fra en ekstrem stigning av oksygen partialtrykket (eller oksygen spenning) fra lungene til hypoksisk vev. Den stiplede diagonale linjene i figuren viser at oksygen molekyler som er bundet til α/β underenhetene (til sjette koordinering posisjoner av Fe2+ – ioner på heme fly).,
til Å jobbe «cooperativity i revers», som i virkeligheten er en funksjonell, snarere enn et strukturelt, analogi, vil jeg gi noen elever et fire postkontor stempel firkantet blokk og fortelle dem at frimerker representerer de fire molekyler av oksygen bundet til Hb inne i en erytrocytt i lunge, (på dette punktet, Jeg sørge for at de forstår at oksygen molekyler i det virkelige liv er bundet til hemoglobin underenhetene, ikke til hverandre). Så jeg later til å ta fatt på en reise til en vev der alt dette oksygen er nødvendig., Så forteller jeg dem til å rippe den første stempel fra hverandre, så gjør de det ved å gjøre to kutt, en horisontal og andre vertikale. For å slippe andre stempel bare ett kutt er nødvendig. Og med en final cut de siste to frimerker er atskilt. Så jeg flytter til dissosiasjon kurve i diagrammet (Fig., 2) og jeg forteller dem at cooperativity betyr at utgivelsen av hver oksygen fra Hb i områder av kroppen lenger og lenger bort fra lungene, legger til rette for utgivelsen av hver påfølgende molekyl, og med mindre energi hver gang (hvis 1 kutte = 1 vilkårlig enhet av energi, så for å skille den første, andre, tredje og fjerde oxygens vi trenger, henholdsvis 2 enheter 1 enhet, 1/2 enhet og 1/2 enhet).,
– >
for å frigjøre enkelt frimerker fra en blokk av fire, har vi å gjøre med to kutt for å gi ut den første stempel, bare en klippe å slippe den andre, og med final cut slipper vi de siste to frimerker, og dermed hver tid måtte «mindre energi» til å gjøre jobben. På samme måte, oksygen forblir tett bundet til hemoglobin (Hb) i lungene, men det vil bli gradvis utgitt som delvis oksygen trykket faller i ulike vev i kroppen., Utgivelsen av et sekund, og enda mer så den tredje oksygen-molekyl, som krever mindre dråper i trykket som Hb-bærer erytrocytt beveger seg lenger bort til lungene. I analogi, Hb•4O2 eksisterer som «fire frimerker bundet til 4 Hb underenhetene»; Hb•3O2 eksisterer som «tre frimerker bundet + 1 underenhetene gratis» og så videre.
En nærmere titt på X-aksen viser at for utgivelsen av den første oksygen, spenningen må slippe fra 100 til 40 mmHg. Imidlertid, for utgivelsen av den andre, drop er mindre, ned fra 40 til 26 mmHg (normal P50 for Hb)., Videre utgivelsen av en tredje eller fjerde oksygen-molekyl krever bare den minste fall i blodtrykk (men i det virkelige liv Hb aldri ut sitt innhold av oksygen helt). På dette punktet, jeg understreke den funksjonelle betydningen av «trenger mindre energi hver gang» for å losse oksygen: Bare små dråper i partialtrykket gjøre triks på rett sted (vev), men ikke i feil ett (lungene), der vi trenger det tett bundet til transportøren.,
Denne analogien beskriver trinnene i mekanismen av Hb/O2 samhandling og gir en billedlig rammeverk for å komme inn i de tradisjonelle biokjemiske historie (dvs., flytter nå til binding av oksygen: venstre til høyre på X-aksen i Fig. 1). Modellen er derfor lagt inn i den generelle rammen av cooperativity i at den første molekylet er bundet fører til strukturelle endringer som påvirker binding av neste molekyl., Denne eiendommen (sammen med allosterism) er en direkte konsekvens av den kvartalsvise arrangement av 4 polypeptides i Hb, beslektet i «molecular kommunikasjon» som mangler i andre oksygen-bindende molekyler, slik som myoglobin (Mb). Formen på oksygen dissosiasjon kurve av Hb er sigmoidal, mens det av Mb er ikke (det er hyperbolske); bare sigmoidal kurve er karakteristisk for samarbeidende prosess. Arten har kommet opp med to smarte molekylær design for spesielt tydelig hensikt i kroppen., Hb ferger oksygen i blodet fra en ekstrem stigning av partialtrykket fra lungene (der det må være tett bundet) til vev (hvor det må være lett frigitt), men, på den annen side, Hb ville være i stand til å gi alle oksygen som cellen trenger i en høy ATP krevende situasjonen (f.eks., trener). Mb, som ligger i cellenes cytoplasma, frigir oksygen til luftveiene kjede av mitokondrie, en organell som bruker oksygen raskere enn gass kan spre i det., Siden bindende affinitet for oksygen til cytokrom oksidase er ~10 ganger høyere enn for Mb, en «hyperbolske» slipp fungerer i denne spesielle situasjonen bedre enn en «felles» – versjonen.,
Gå tilbake til «cooperativity i revers» illustrert av 4-stemplet blokk analogi, som beskrevet tidligere, har jeg funnet ut at læring av et vanskelig konsept er videre tilrettelagt siden pedagog bruker her de tre viktigste modeller for læring: association, discovery og veiledning som følger:
-
Først, ved å sammenligne molekyler av oksygen til postkontoret stempler vi kan gå fra det abstrakte til det konkrete., Av slike bilder i sinnet av eleven nær riket av hverdagen, prosessen med foreningen er satt i bevegelse (behavioral theory of Pavlov og Skinner). Læreren forteller historien, male bilder og transport av elever til scenarioer av lyd, former og farger, og ved å gjøre det, han sømløst leverer idé å bli kommunisert. Dette er som å sende en tekst-e-post (konseptet) med en bilde fil «vedlegg» (tilhørende bildet).
-
Andre elevene er engasjert i en liten hands-on aktivitet., I modellen for utvikling og discovery (basert på erfaringsbasert teori om Piaget), studentene eksperimentere, ta på, føle, stille spørsmål om verden utenfor, og prøver å trekke ut de riktige svarene i seg selv. Siden eleven bruker sansene på en jakt etter de rette svarene, pedagog fungerer her som en tilrettelegger og studenten bearbeider dem inn i hans/hennes erfaring eller inne i verden.,
-
Tredje, hvis pedagog aksjer med klassen hvordan han eller hun følte når du først har oppstått dette vanskelig konsept, den vil etablere et opplærings-forhold (basert på Bandura), der lærer og elever dele opplevelser sammen. Dette ville være praktisk bare hvis det er en stor klasse er brutt ned i små grupper, og selv så, noen lærere kan føle motvillige til å omfavne en tilnærming som kan bli oppfattet som «utsette» svakhet i front av studentene.,
Men det er fortsatt en mulighet til å lære et abstrakt og vanskelig konsept: ved å lede dem til å oppdage sannheten av seg selv. Den «Sokratiske Metode» ble gjort one-on-one, som er involvert aktiv læring, var elev-sentrert, og tilrettelagt av læreren. Dyktig, hensiktsmessig-formulert, spørsmål rettet mot kunnskap, forståelse og anvendelse av vanskelig disipliner effektivt kan forbedre kognitive evner av studenter fra de ulike helseprofesjonene .,
I vårt eksempel av dissosiasjon kurve av hemoglobin, kan vi tenke oss vandre sammen med eleven på det grønne på universitetsområdet. Læreren kan stille spørsmålet: «La oss si at oksygen er bundet til hemoglobin i lunge -vil dette være en tett binding?»Studenten ville svare: «Muligens, siden vi ikke ønsker å miste noe av det der». Læreren, som så: «la oss Nå forestille erytrocytt er å reise lenger vekk fra lunge»; «Det er på tide å slippe det»; «Ja, men hva ville skje hvis det er gitt ut så snart oksygen trykket synker bare litt?,»; «Vel, jeg antar det vil ikke bli noe igjen for de mest skjulte vev badet i CO2»; «Nøyaktig»; «Så jeg kan tenke meg at utgivelsen skal være gradvis, men, vent et minutt, en mekanisme som bør finnes for det!»; «Faktisk. La oss kalle det mekanisme ‘cooperativity’ nå». Og så videre.
Men upraktisk, ville dette være den læring som metode for valg og bruk av interaktivt, online veiledning er å komme nærmere målet. I mellomtiden, jeg kan ikke vente med å starte en ny kvartal og se studentene ansikter glød når de oppdager hemmelighetene av oksygentilførsel ved hjelp av en 4×33 cent «enhet».,
Legg igjen en kommentar