sigmoidal dissociationskurvan för hemoglobin (HB) och kooperativitet är mycket svåra begrepp att förstå för studenterna i biokemi inom hälsovetenskapen (såsom studenter, Kemi och biologi Pre-medical majors). Undervisningen av Hemoglobin tjänar flera syften i biokemi klassrummet, bland annat illustrationen av proteinbindning och stabilitet, transport och kinetik., I den meningen är begreppet ursprung av proteinfunktion och dess reglering i cellen en av de viktigaste punkterna i föreslagna innovativa kurssekvenser baserade på kemins logik .

det faktum att HB-molekylen består av 4 subenheter (α1,α2,β1,β2) gör syresättningen lättare eftersom Hb blir mer mättad med syre. För att förklara detta är det viktigt att komma ihåg att hydrofoba såväl som joniska och vätebindningsinteraktioner mellan subenheter bestämmer den slutliga kvartära strukturen hos ett komplext protein., Specifikt innehåller ett antal jonbindningar (klassiskt kallade ”saltbroar”) som bildas mellan höghydrofila eller laddade aminosyror (t.ex. Asp, Glu, Lys, Arg) de fyra subenheterna i HB: s kvaternära struktur. Syresättning kan endast ske om jonbindningarna är trasiga och polymeren växlar från en ” spänd ”(T) eller låg syreaffinitet konformation till en” avslappnad ” (R) form. När detta händer kan järnatomerna anta den optimala stereokemiska positionen i porfyrinplanet som möjliggör korrekt bindning av syremolekylerna., Ju fler broar som bryts desto lättare är det (dvs bindningsaffiniteten eller −ΔGo ökar) för inträde av nya syremolekyler, upp till fyra per molekyl av Hb. Detta var, i förenklade termer, en strukturell mekanism som föreslagits av M. F. Perutz på 70-talet att, även om ifrågasatta av vissa utredare, är väsentligt korrekt baserat på nya experimentella bevis .

sedan dess första upplaga, biokemi bok av L. Stryer har presenterat analogi mellan att bryta jonbindningar och rippa isär ett block av Fyra frimärken som en förklaring av mekanismen för kooperativitet., Jag har funnit att även med hjälp av denna analogi är eleverna fortfarande förvirrade, troligtvis för att ”bryta” (en stämpel) likställs med ”bindning” (av syre), två verb som har inneboende motsägelsefulla betydelser, vilket inte leder naturligt till bildandet av en mental förening av två abstrakta idéer.

vidare koncentrerar undervisningen av Hb ofta enbart på molekylärmekanismen och sträcker sig inte till dess funktionalitet i kroppen., Jag har framgångsrikt tillämpat analogi till frisättningen av syre i stället för bindningen, vilket effektivt överbryggar biokemi (kooperativitet) med kemisk fysiologi (syredissociation). Som med alla jämvikter är processen reversibel och sigmoidkurvan kan fungera hur som helst när vi betraktar X-axeln: vänster till höger för bindning av syre eller höger till vänster för dess dissociation (Fig. 1). I det senare fallet ger lungens höga O2-spänning (100 mmHg) full mättnad., När blod lämnar lungorna för perifera vävnader, HB släpper sin belastning och procent oxyhemoglobin minskar.

den klassiska SYREDISSOCIATIONSKURVAN för HEMOGLOBIN

formen på syredissociationskurvan för Hb är sigmoidal, medan den för andra syrebärande molekyler (såsom Myoglobin) är hyperbolisk. Endast sigmoidkurvan är karakteristisk för den kooperativa processen genom vilken frisättningen av en syremolekyl förändrar affiniteten för de återstående oxygenerna bundna till de andra proteiska subenheterna., 4-subenheten i Hb (α1, α2,β1, β2) tjänar till att uppnå en specifik funktion i vertebratens organism, eftersom den rör sig från en extrem gradient av syrepartialtryck (eller syrespänning) från lungor till hypoxiska vävnader. De streckade diagonala linjerna i figuren indikerar att syremolekyler är bundna till α / β-subenheter (till de sjätte koordinationspositionerna för Fe2+ joner på hemplanerna).,

för att arbeta ”cooperativity in reverse”, som är i verkligheten en funktionell, snarare än en strukturell, analogi, jag ger några studenter en fyra Post-Office stämpel fyrkantsblock och berätta för dem att stämplarna representerar de fyra molekyler av syre bundet till Hb inuti en erytrocyt i lungan, (vid denna punkt, jag se till att de förstår att syremolekylerna i verkliga livet är bundna till hemoglobin subenheter, inte till varandra). Sedan låtsas jag att jag går in på en resa till vävnaderna där allt detta syre behövs., Som jag säger till dem att riva den första stämpeln ifrån varandra, gör de det genom att göra två snitt, en horisontell och den andra vertikal. För att frigöra den andra stämpeln behövs endast en skärning. Och med en sista snitt separeras de två sista stämplarna. Sedan flyttar jag till dissociationskurvan (Fig., 2) och jag berätta för dem att kooperativitet innebär att frisättningen av varje syre från Hb i delar av kroppen längre och längre bort från lungorna, underlättar frisättningen av varje efterföljande molekyl, och med mindre energi varje gång (om 1 cut = 1 godtycklig energienhet, sedan för att separera de första, andra, tredje och fjärde oxygenerna vi behöver, respektive, 2 enheter, 1 enhet, 1/2 enhet och 1/2 enhet).,

POSTAGE-STAMP analogi

för att släppa enstaka stämplar från ett block av fyra, måste vi göra två nedskärningar för att släppa den första stämpeln, bara ett snitt för att släppa den andra, och med den sista snittet släpper vi de två sista stämplarna, så varje gång behöver ”mindre energi” för att göra jobbet. På samma sätt förblir syre tätt bundet till hemoglobin (HB) i lungorna, men det kommer successivt att släppas som partiella syre tryckfall i de olika vävnaderna i kroppen., Frisättningen av en sekund, och ännu mer den tredje syremolekylen, kräver mindre tryckfall när HB-bärande erytrocyt rör sig längre bort till lungorna. I analogi finns Hb * 4O2 som ”fyra stämplar bundna till 4 HB-subenheterna”; Hb•3O2 existerar som” tre stämplar bundna + 1-subenheter gratis ” och så vidare.

en närmare titt på X-axeln avslöjar att för utsläpp av det första syret måste spänningen sjunka från 100 till 40 mmHg. Men för frisättningen av den andra är droppen mindre, ner från 40 till 26 mmHg (den normala P50 för Hb)., Vidare kräver frisättningen av en tredje eller en fjärde syremolekyl endast den minsta tryckfallet(men i verkligheten avlastar Hb aldrig syrehalten helt). Vid denna tidpunkt betonar jag den funktionella betydelsen av att” behöva mindre energi varje gång ” för att lossa syre: bara små droppar i partialtryck gör tricket på rätt ställe (vävnader) men inte i fel (lungor) där vi behöver det tätt bundet till bäraren.,

denna analogi beskriver stegen i mekanismen för HB / O2-interaktion och ger en bildram för att komma in i den traditionella biokemiska berättelsen (dvs flytta nu till bindningen av syre: vänster till höger i X-axeln i Fig. 1). Modellen sätts därför in i det allmänna sammanhanget av kooperativitet genom att den första molekylbundna orsakar strukturella förändringar som påverkar bindningen av nästa molekyl., Denna egenskap (tillsammans med allosterism) är en direkt följd av det kvartära arrangemanget av de 4 polypeptiderna i Hb, som liknar ”molekylär kommunikation” som saknas i andra syrebindande molekyler, såsom myoglobin (Mb). Formen på syredissociationskurvan för Hb är sigmoidal, medan den för Mb inte är (den är hyperbolisk). endast sigmoidkurvan är karakteristisk för kooperativprocessen. Naturen har kommit med två smarta molekylära mönster för särskilt distinkta ändamål i kroppen., Hb transporterar syre i blodflödet från en extrem gradient av partialtryck från lungorna (där det måste förbli tätt bundet) till vävnader (där det lätt måste släppas), men å andra sidan skulle Hb inte kunna ge allt syre som cellen behöver i en hög ATP-krävande situation (t.ex. träning). Mb, som ligger i cellcytoplasman, frigör syre till mitokondrionens respiratoriska kedja, en organell som använder syre snabbare än gasen kan sprida sig in i den., Eftersom bindningsaffiniteten av syre till cytokromoxidaset är ~10 gånger högre än för Mb, fungerar en ”hyperbolisk” frisättning i denna speciella situation bättre än en ”kooperativ” frisättning.,

gå tillbaka till ”cooperativity in reverse” illustrerad av 4-stämpelblock analogi som beskrivits tidigare har jag funnit att lärandet av ett svårt koncept underlättas ytterligare eftersom utbildaren använder här de tre huvudmodellerna för lärande: förening, upptäckt och mentorskap enligt följande:

  • först genom att jämföra syremolekyler till postkontor frimärken kan vi flytta från abstrakt till betongen., Genom att framkalla bilder i elevens sinne nära vardagslivets rike sätts föreningsprocessen i rörelse (beteendeteori av Pavlov och Skinner). Läraren berättar historien, målar bilder och transporterar eleverna till scenarier av ljud, former och färger och därigenom levererar han sömlöst den idé som ska kommuniceras. Det här är som att skicka ett e-postmeddelande (konceptet) med en bildfil ”attachment” (den associerade bilden).

  • För det andra är eleverna engagerade i lite praktisk aktivitet., I modellen för utveckling och upptäckt (baserat på Piagets erfarenhetsteori) experimenterar eleverna, berör, känner, ställer frågor om omvärlden och försöker extrahera de rätta svaren själva. Eftersom eleven använder sinnena i en sökning efter rätt svar, fungerar utbildaren här som en facilitator och studenten assimilerar dem i sin erfarenhet eller i världen.,

  • tredje, om utbildaren delar med klassen hur han eller hon kände när han först stötte på detta svåra koncept, kommer det att skapa ett mentorförhållande (baserat på Bandura), där lärare och studenter delar erfarenheter tillsammans. Detta skulle vara praktiskt endast om en stor klass är uppdelad i små grupper, och ändå kan vissa lärare känna sig ovilliga att omfamna ett tillvägagångssätt som kan uppfattas som ”exponera” svaghet framför eleverna.,

det finns dock fortfarande en möjlighet att lära sig ett abstrakt och svårt koncept: genom att styra dem för att upptäcka sanningen av sig själva. Den ”sokratiska metoden” gjordes en-mot-en, involverade aktivt lärande, var elevcentrerad och underlättades av läraren. Skicklig, lämpligt formulerad, frågor som syftar till kunskap, förståelse och tillämpning av svåra discipliner kan effektivt förbättra de kognitiva förmågorna hos studenter från de olika hälsoyrkena .,

i vårt exempel på dissociationskurvan för hemoglobin kan vi föreställa oss att gå bredvid lärjungen på universitetets gröna campus. Läraren kunde ställa frågan: ”låt oss säga att syre är bundet till hemoglobin i lungan-kommer det att vara en tät bindning?”Studenten skulle svara:” möjligen, eftersom vi inte vill förlora något av det där”. Läraren, då: ”låt oss nu föreställa oss att erytrocyten reser längre bort från lungan”; ”det är dags att släppa det”; ” Ja, men vad skulle hända om det släpps så snart syretrycket sjunker bara något?,”; ”Tja, jag antar att det inte kommer att finnas något kvar för de mest dolda vävnaderna badade i CO2”; ”exakt”; ” då föreställer jag mig att frisättningen ska vara gradvis, men vänta en minut, en mekanism borde existera för det!”; ”Verkligen. Låt oss kalla den mekanismen ”kooperativitet” för nu”. Och så vidare.

om än opraktiskt skulle detta vara inlärningsmetoden för val och användningen av online interaktiv handledning kommer närmare det målet. Under tiden kan jag inte vänta med att starta ett nytt kvartal och se eleverna ansikten glöd när de upptäcker hemligheterna av syreleverans med hjälp av en 4×33-cent ”enhet”.,