هم (Heme): موتور کوچک قرمز رنگ بدن
هم چیست و در کجا یافت می‌شود؟
گروه هم یک جزء یا کوفاکتور۴ بسیار مهم است. این گروه خودش یک پروتئین نیست، بلکه یک مولکول کوچک است که به پروتئین‌های بزرگ‌تر متصل می‌شود تا به آن‌ها توانایی خاصی بدهد؛ درست مثل کلیدی که موتور یک ماشین را روشن می‌کند. مهم‌ترین ویژگی گروه هم، وجود یک اتم آهن۵ در مرکز آن است. این اتم آهن است که می‌تواند به مولکول اکسیژن بچسبد و آن را حمل کند.
دو مکان اصلی که گروه هم در بدن شما پیدا می‌شود، عبارت‌اند از:
- هموگلوبین: این پروتئین داخل گلبول‌های قرمز خون شماست و مسئول حمل اکسیژن از ریه‌ها به تمام نقاط بدن است. هر مولکول هموگلوبین چهار گروه هم دارد!
- میوگلوبین: این پروتئین در سلول‌های ماهیچه‌ای شما وجود دارد و به عنوان یک مخزن اکسیژن عمل می‌کند. وقتی ماهیچه‌ها به شدت کار می‌کنند، میوگلوبین اکسیژن ذخیره‌شده خود را آزاد می‌کند. هر مولکول میوگلوبین یک گروه هم دارد.
ساختار شیمیایی گروه هم
ساختار گروه هم شبیه یک حلقه یا چرخ‌فلک است. این حلقه از چهار حلقه کوچک‌تر پنج‌ضلعی به نام پیرول۶ تشکیل شده که به هم متصل هستند و یک حلقهٔ بزرگ‌تر به نام پورفیرین۷ را می‌سازند. درست در مرکز این حلقه، اتم آهن قرار گرفته است.
اتم آهن در مرکز هم می‌تواند شش پیوند شیمیایی برقرار کند. چهار تا از این پیوندها به اتم‌های نیتروژن در حلقهٔ پورفیرین متصل هستند. یک پیوند به خود پروتئین (هموگلوبین یا میوگلوبین) متصل است و پیوند ششم، جایگاه بسیار مهمی است که برای اتصال به مولکول اکسیژن ($O_2$) رزرو شده است.
| ویژگی | هموگلوبین | میوگلوبین |
|---|---|---|
| محل قرارگیری | گلبول‌های قرمز خون | سلول‌های ماهیچه‌ای |
| تعداد گروه هم در هر مولکول | 4 | 1 |
| عملکرد اصلی | حمل اکسیژن در جریان خون | ذخیره‌سازی اکسیژن در ماهیچه‌ها |
| رنگ | قرمز (علت قرمزی خون) | قرمز تیره (علت قرمزی گوشت) |
نحوه عملکرد هم در انتقال اکسیژن
فرآیند انتقال اکسیژن توسط گروه هم، یک رقص مولکولی بسیار دقیق است:
- در ریه‌ها: وقتی شما نفس می‌کشید، اکسیژن وارد ریه‌های شما می‌شود. این اکسیژن از غشای نازک کیسه‌های هوایی عبور کرده و به جریان خون میرسد. در آنجا، به اتم آهنِ گروه همِ موجود در هموگلوبین متصل می‌شود. در این حالت، آهن در حالت +۲ قرار دارد و این برای اتصال به اکسیژن ضروری است.
- در مسیر خون: هموگلوبین که حالا پر از اکسیژن شده است (اکسی‌هموگلوبین)، توسط قلب به تمام بافت‌های بدن پمپاژ می‌شود. رنگ خون در این حالت قرمز روشن است.
- در بافت‌ها: در بافت‌هایی که اکسیژن کمی دارند (مانند یک ماهیچهٔ در حال ورزش)، پیوند بین اکسیژن و آهن ضعیف می‌شود. اکسیژن از گروه هم جدا شده و وارد سلول‌ها می‌شود تا در تولید انرژی مورد استفاده قرار گیرد.
- بازگشت به ریه: هموگلوبینی که اکسیژن خود را از دست داده است (دئوکسی‌هموگلوبین)، رنگ قرمز تیره‌تری دارد و دوباره به سمت ریه‌ها بازمی‌گردد تا چرخه را از نو آغاز کند.
اهمیت هم در زندگی روزمره و طبیعت
شما اثرات وجود گروه هم را به طور مستقیم در زندگی خود می‌بینید. رنگ قرمز خون شما به خاطر وجود میلیاردها مولکول هموگلوبین حاوی گروه هم است. حتی رنگ قرمز گوشت قرمز نیز به دلیل وجود میوگلوبین غنی از هم در بافت ماهیچه‌ای حیوانات است. هرچه گوشت قرمزتر باشد (مانند گوشت گاو)، نشان‌دهندهٔ میوگلوبین بیشتر و در نتیجه، توانایی بیشتر آن حیوان برای فعالیت‌های استقامتی بوده است.
یک مثال جالب دیگر، گیاهان هستند. برگ درختان سبز است چون کلروفیل۸ دارند. جالب است بدانید ساختار کلروفیل بسیار شبیه به گروه هم است با این تفاوت که به جای اتم آهن، یک اتم منیزیم۹ در مرکز آن قرار دارد. این شباهت ساختاری نشان می‌دهد که طبیعت چگونه از یک طرح پایه برای عملکردهای مختلف (تنفس در جانوران و فتوسنتز در گیاهان) استفاده می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر! تقریباً تمام جانورانی که از اکسیژن برای تنفس استفاده می‌کنند، از مولکول‌های حاوی گروه هم (مانند هموگلوبین) بهره می‌برند. این موضوع شامل پستانداران، پرندگان، ماهی‌ها و حتی بسیاری از کرم‌ها می‌شود.
پاسخ: اگر به دلایلی مانند تغذیهٔ نادرست، بدن آهن کافی نداشته باشد، نمی‌تواند گروه هم کافی تولید کند. در نتیجه، تولید هموگلوبین کاهش یافته و بیماری به نام کم‌خونی فقر آهن۱۰ ایجاد می‌شود. در این حالت فرد احساس خستگی و ضعف می‌کند زیرا اکسیژن‌رسانی به بافت‌های بدنش به خوبی انجام نمی‌شود.
پاسخ: مونوکسیدکربن یک گاز بسیار خطرناک است زیرا میل ترکیبی آن با اتم آهن گروه هم، حدود 200 برابر بیشتر از اکسیژن است. وقتی $CO$ وارد ریه شود، به طور دائم به جایگاه اکسیژن در گروه هم می‌چسبد و آن را مسدود می‌کند. این کار باعث می‌شود هموگلوبین نتواند اکسیژن حمل کند و حتی در هوای پراکسیژن نیز فرد دچار خفافی می‌شود.
پاورقی
۱هم (Heme): گروه پروستتیک حاوی آهن که بخش غیرپروتئینی هموگلوبین و میوگلوبین را تشکیل می‌دهد.
۲هموگلوبین (Hemoglobin): پروتئین موجود در گلبول‌های قرمز خون که مسئول انتقال اکسیژن از ریه‌ها به بافت‌های بدن است.
۳میوگلوبین (Myoglobin): پروتئین موجود در بافت ماهیچه‌ها که به عنوان ذخیره‌کننده و انتقال‌دهندهٔ اکسیژن درون سلول‌های ماهیچه‌ای عمل می‌کند.
۴کوفاکتور (Cofactor): یک جزء شیمیایی غیرپروتئینی که برای فعالیت بیولوژیکی یک پروتئین (مانند یک آنزیم) ضروری است.
۵آهن (Iron): یک عنصر شیمیایی با نماد Fe که برای بسیاری از فرآیندهای زیستی از جمله انتقال اکسیژن ضروری است.
۶پیرول (Pyrrole): یک ترکیب آلی حلقوی که واحد سازندهٔ ساختار پورفیرین است.
۷پورفیرین (Porphyrin): یک ترکیب حلقه‌ای بزرگ که از چهار حلقهٔ پیرول تشکیل شده و هستهٔ مرکزی مولکول‌هایی مانند هم و کلروفیل را می‌سازد.
۸کلروفیل (Chlorophyll): رنگدانهٔ سبزی که در گیاهان وجود دارد و برای جذب نور در فرآیند فتوسنتز استفاده می‌شود.
۹منیزیم (Magnesium): یک عنصر شیمیایی با نماد Mg که در مرکز حلقهٔ کلروفیل قرار دارد.
۱۰کم‌خونی فقر آهن (Iron Deficiency Anemia): نوعی کم‌خونی که در اثر کمبود آهن در بدن ایجاد شده و منجر به کاهش تولید هموگلوبین می‌گردد.