De sigmoïdale dissociatiecurve van hemoglobine (Hb) en cooperativiteit zijn zeer moeilijk te begrijpen voor de studenten van de biochemie in de gezondheidswetenschappen (zoals studenten, chemie en biologie pre-medische majors). Het onderwijs van hemoglobine dient meerdere doeleinden in de biochemie klas, waaronder de illustratie van eiwitbinding en stabiliteit, transport en kinetiek., In deze zin, is het concept van de oorsprong van eiwitfunctie en zijn regelgeving in de cel één van de belangrijkste punten van voorgestelde innovatieve cursusopeenvolgingen die op de logica van chemie worden gebaseerd .

het feit dat het HB-molecuul bestaat uit 4 subeenheden (α1,α2,β1,β2) maakt oxygenatie gemakkelijker naarmate Hb meer verzadigd raakt met zuurstof. Om dit te verklaren, is het belangrijk om te herinneren dat hydrophobic evenals Ionische en waterstofbandinteractie tussen subeenheden de definitieve quaternaire structuur van een complexe proteã ne bepalen., Specifiek, houden een aantal ionenbindingen (klassiek aangeduid als “zoutbruggen”) gevormd tussen hoogst hydrofiele of geladen aminozuren (B.V., Asp, Glu, Lys, Arg) samen de vier subeenheden in de quaternaire structuur van Hb. Oxygenatie kan alleen optreden als de ionenbindingen worden verbroken en het polymeer schakelt van een “gespannen” (T) of lage zuurstof affiniteit conformatie naar een “ontspannen” (R) vorm. Wanneer dit gebeurt, kunnen de ijzeratomen de optimale stereochemische positie in het porfyrinevlak aannemen die voor de juiste binding van de zuurstofmolecule(s) toestaat., Hoe meer bruggen die worden gebroken, hoe gemakkelijker het is (dat wil zeggen, de bindingsaffiniteit of −ΔGo neemt toe) voor de binnenkomst van nieuwe moleculen zuurstof, tot vier per molecuul Hb. Dit was, in simplistische termen, een structureel mechanisme voorgesteld door M. F. Perutz in de jaren 70 dat, hoewel betwist door sommige onderzoekers, is wezenlijk correct gebaseerd op nieuw experimenteel bewijs .

sinds de eerste editie presenteert het biochemisch boek van L. Stryer de analogie tussen het breken van ionenbindingen en het uit elkaar scheuren van een blok van vier zegels als een verklaring voor het mechanisme van cooperativiteit., Ik heb ontdekt dat zelfs met behulp van deze analogie, studenten zijn nog steeds verward, hoogstwaarschijnlijk omdat “breken” (een stempel) wordt gelijkgesteld aan “binden” (van zuurstof), twee werkwoorden die intrinsiek tegenstrijdige betekenissen hebben, die niet natuurlijk leiden tot de vorming van een mentale associatie van twee abstracte ideeën.

verder concentreert het onderwijs van Hb zich vaak uitsluitend op het moleculaire mechanisme en strekt het zich niet uit tot de functionaliteit ervan in het lichaam., Ik heb met succes de analogie toegepast op het vrijgeven van zuurstof in plaats van op de binding, waardoor de biochemie (cooperativiteit) effectief wordt overbrugd met chemische fysiologie (zuurstof dissociatie). Zoals bij alle evenwichten is het proces omkeerbaar en kan de sigmoïdale kromme beide kanten op werken zoals we de X-as beschouwen: van links naar rechts voor de binding van zuurstof of Van rechts naar links voor de dissociatie (Fig. 1). In het laatste geval zorgt de hoge O2 spanning van de longen (100 mmHg) voor volledige verzadiging., Als bloed verlaat de longen voor de perifere weefsels, HB releases zijn belasting en het percentage oxyhemoglobine afneemt.

de klassieke zuurstof-DISSOCIATIECURVE van hemoglobine

de vorm van de zuurstof-dissociatiecurve van Hb is sigmoïdaal, terwijl die van andere zuurstofdragende moleculen (zoals myoglobine) hyperbolisch is. Alleen de sigmoïdale kromme is kenmerkend voor het coöperatieve proces waarbij het vrijkomen van één zuurstofmolecuul de affiniteit verandert voor de resterende zuurstofverbindingen die gebonden zijn aan de andere proteic subeenheden., De 4 subunit arrangement in Hb (α1, α2, β1, β2), dient om een specifieke functie in het organisme van gewervelde dieren te bereiken, als het beweegt van een extreme gradiënt van zuurstof partiële druk (of zuurstof spanning) van longen naar hypoxische weefsels. De gestippelde diagonale lijnen in de figuur geven aan dat zuurstofmoleculen gebonden zijn aan α / β-subeenheden (aan de zesde coördinatieposities van Fe2+ – ionen op de heemvlakken).,

om de “cooperativity in reverse”, die in werkelijkheid een functionele, in plaats van een structurele analogie, te werken, geef ik sommige studenten een vier postkantoor stempel vierkant blok en vertel hen dat de stempels vertegenwoordigen de vier moleculen van zuurstof gebonden aan Hb in een erythrocyt in de Long, (op dit punt, Ik zorg ervoor dat ze begrijpen dat de zuurstof moleculen in het echte leven gebonden zijn aan de hemoglobine subeenheden, niet aan elkaar). Dan doe ik alsof ik op reis ga naar de weefsels waar al deze zuurstof nodig is., Als ik hen vertel om de eerste stempel uit elkaar te scheuren, doen ze dat door twee sneden te maken, een horizontaal en de andere verticaal. Om de tweede stempel vrij te geven is slechts één snede nodig. En met een laatste snede worden de laatste twee stempels gescheiden. Dan ga ik naar de dissociatiecurve grafiek (Fig., 2) en ik vertel hen dat cooperativiteit betekent dat de afgifte van elke zuurstof uit Hb in gebieden van het lichaam verder en verder weg van de longen, vergemakkelijkt de afgifte van elke volgende molecule, en met minder energie elke keer (als 1 snede = 1 Willekeurige eenheid van energie, dan om de eerste, tweede, derde en vierde zuurstof nodig hebben we, respectievelijk, 2 eenheden, 1 eenheid, 1/2 eenheid en 1/2 eenheid).,

De postzegel analogie

om enkele postzegels uit een blok van vier vrij te geven, moeten we twee keer knippen om de eerste postzegel vrij te geven, slechts één keer om de tweede vrij te geven, en met de laatste knipbeurt geven we de laatste twee postzegels vrij, waardoor elke keer “minder energie” nodig is om het werk te doen. Ook zuurstof blijft strak gebonden aan hemoglobine (Hb) in de longen, maar het zal geleidelijk worden vrijgegeven als gedeeltelijke zuurstofdruk daalt in de verschillende weefsels van het lichaam., De afgifte van een tweede, en nog meer het derde zuurstofmolecuul, vereisen kleinere drukdalingen als de HB-dragende erytrocyt verder naar de longen beweegt. In de analogie bestaat Hb * 4O2 als “vier zegels gebonden aan de 4 HB subeenheden”; Hb•3O2 bestaat als “drie zegels gebonden + 1 subeenheden vrij” enzovoort.

een nadere blik op de X-as toont aan dat Voor het vrijkomen van de eerste zuurstof de spanning moet dalen van 100 tot 40 mmHg. Echter, voor de release van de tweede, de daling is kleiner, naar beneden van 40 tot 26 mmHg (de normale P50 voor Hb)., Verder vereist het vrijkomen van een derde of een vierde zuurstofmolecuul slechts de kleinste drukdaling (in het echte leven ontlast Hb echter nooit zijn zuurstofgehalte volledig). Op dit punt benadruk ik de functionele betekenis van “minder energie nodig hebben elke keer” om zuurstof te lossen: slechts kleine druppels in gedeeltelijke druk doen de truc op de juiste plaats (weefsels), maar niet in de verkeerde (longen) waar we het nodig strak gebonden aan de drager.,

deze analogie beschrijft de stappen in het mechanisme van HB / O2 interactie en biedt een pictoriaal kader voor het krijgen in de traditionele biochemische verhaal (dat wil zeggen, nu bewegen naar de binding van zuurstof: links naar rechts in de X-as van Fig. 1). Het model wordt daarom in de algemene context van cooperativity gezet in die zin dat de eerste gebonden molecule structurele veranderingen veroorzaakt die de band van de volgende molecule beà nvloeden., Deze eigenschap (samen met allosterisme) is een direct gevolg van de quaternaire rangschikking van de 4 polypeptiden in Hb, verwant aan “moleculaire communicatie” die ontbreekt in andere zuurstofbindende moleculen, zoals myoglobine (Mb). De vorm van de zuurstofdissociatiekromme van Hb is sigmoïdaal, terwijl die van Mb dat niet is (het is hyperbolisch); alleen de sigmoïdale kromme is kenmerkend voor het coöperatieve proces. De natuur heeft twee slimme moleculaire ontwerpen bedacht voor bijzonder verschillende doeleinden in het lichaam., Hb brengt zuurstof in de bloedstroom van een extreme gradiënt van partiële druk van longen (waar het strak gebonden moet blijven) naar weefsels (waar het gemakkelijk moet worden vrijgegeven), maar, aan de andere kant, Hb zou niet in staat zijn om alle zuurstof die de cel nodig heeft in een hoge ATP veeleisende situatie (bijvoorbeeld oefenen). Mb, gelegen in het celcytoplasma, geeft zuurstof af aan de ademhalingsketen van de mitochondrion, een organel die zuurstof sneller gebruikt dan het gas erin kan diffunderen., Aangezien de bindingsaffiniteit van zuurstof aan cytochroomoxidase ~10 keer hoger is dan die voor Mb, werkt een “hyperbolische” versie in deze specifieke situatie beter dan een” coöperatieve ” versie.,

teruggaand op de” coöperativiteit in omgekeerde richting”geïllustreerd door de 4-stempelblok analogie zoals eerder beschreven, heb ik ontdekt dat het leren van een moeilijk concept verder wordt vergemakkelijkt omdat de opvoeder hier de drie belangrijkste leermodellen gebruikt: associatie, ontdekking en mentoring als volgt:

  • Ten eerste kunnen we door zuurstofmoleculen te vergelijken met postbuszegels van het abstracte naar het concrete., Door het oproepen van beelden in de geest van de leerling dicht bij het rijk van het dagelijks leven, wordt het proces van Vereniging in gang gezet (gedragstheorie van Pavlov en Skinner). De leraar vertelt het verhaal, schildert foto ’s en transporteert de leerlingen naar scenario’ s van geluid, vormen en kleuren en levert daarbij naadloos het idee op dat gecommuniceerd moet worden. Dit is als het verzenden van een tekst e-mail (het concept) met een beeldbestand “bijlage” (de bijbehorende afbeelding).

  • ten tweede houden de leerlingen zich bezig met een beetje hands-on activiteit., In het model van ontwikkeling en ontdekking (gebaseerd op de ervaringstheorie Van Piaget) experimenteren, voelen, voelen, vragen stellen over de buitenwereld en proberen zelf de juiste antwoorden te vinden. Omdat de leerling de zintuigen gebruikt in een zoektocht naar de juiste antwoorden, dient de opvoeder hier als facilitator en assimileert de student ze in zijn/haar ervaring of in de wereld.,

  • Ten derde, als de opvoeder deelt met de klas hoe hij of zij zich voelde toen hij voor het eerst dit moeilijke concept ontmoette, zal het een mentorrelatie tot stand brengen (gebaseerd op Bandura), waarin leraar en leerlingen ervaringen met elkaar delen. Dit zou alleen praktisch zijn als een grote klas wordt opgesplitst in kleine groepen, en zelfs zo, sommige docenten kunnen zich terughoudend voelen om een aanpak te omarmen die zou kunnen worden gezien als “blootleggen” zwakte in het bijzijn van de studenten.,

echter, er is nog een andere mogelijkheid om een abstract en moeilijk concept te onderwijzen: door hen te leiden om de waarheid zelf te ontdekken. De “Socratische methode” werd gedaan een-op-een, betrokken actief leren, was leerling-gecentreerd, en gefaciliteerd door de leraar. Bekwame, op de juiste wijze geformuleerde vragen gericht op kennis, begrip en toepassing van moeilijke disciplines kunnen de cognitieve vaardigheden van studenten uit de verschillende gezondheidsberoepen efficiënt verbeteren .,

in ons voorbeeld van de dissociatiecurve van hemoglobine, kunnen we ons voorstellen dat we naast de discipel lopen op het groen van de universiteitscampus. De leraar zou de vraag kunnen stellen: “laten we zeggen dat zuurstof gebonden is aan hemoglobine in de Long-zal dit een strakke binding zijn?”De student zou antwoorden:”mogelijk, omdat we niet willen dat er iets van te verliezen daar”. De leraar dan: “laten we ons voorstellen dat de erytrocyt verder van de long af reist”; “het is tijd om het los te laten”; “Ja, maar wat zou er gebeuren als het vrijkomt zodra de zuurstofdruk lichtjes daalt?,”; “Nou, ik veronderstel dat er niets meer over zal zijn voor de meest verborgen weefsels die gebaad zijn in CO2”; “precies”; ” dan stel ik me voor dat de afgifte geleidelijk moet zijn, maar wacht even, daar moet een mechanisme voor bestaan!”; “Inderdaad. Laten we dat mechanisme ‘cooperativiteit’ noemen voor nu”. En zo verder.

hoewel dit onpraktisch zou zijn, zou dit de leermethode van keuze zijn en het gebruik van online interactieve tutoring komt dichter bij dat doel. In de tussentijd, ik kan niet wachten om een nieuw kwartaal te beginnen en zie de studenten gezichten gloeien wanneer ze ontdekken de geheimen van zuurstof levering met behulp van een 4×33-cent “apparaat”.,