Hemoglobin

제가 적혈구에 있는 헤모글로빈의
중요성에 대해 많이 얘기해서

비디오 하나를 통채로

헤모글로빈을 설명하는 데 써야겠다고 생각했습니다

왜냐하면 첫번째로 이것이 중요하기도 하지만
다음과 같은 이유를 설명해줍니다

어떻게 헤모글로빈 혹은 적혈구는

여러분이 어느 단계를 작동하길 원하는지
알 수 있을까요

꼭 예를 들어야만 합니다

이것들은 지각이 있는 것들이 아닌데

어떻게 언제 산소를 갖고
언제 산소를 놓을지 알 수 있겠습니까?

그래서 여기 이것은 실제
헤모글로빈의 사진입니다

이것은 4개의 아미노산곁사슬로 만들어졌습니다

저건 그 중 하나입니다

저것들은 다른 2개입니다

저희는 그 안의 세세한 것까지 보진 않겠지만

저것들은 곱슬곱슬한 리본 같이 생겼습니다.

상상하면 그것들은 분자와 아미노산들이 잔뜩 모여있고

그 주변은 곱슬곱슬하게 둘러싸여 있는 것입니다

그래서 여기 있는 것들은 모양을 만듭니다

그리고 각각의 그 그룹들은
아니면 각각의 체인들은

이 초록에 헴(heme) 그룹이 있을 것입니다

바로 이곳이 헤모글로빈에서
헴이 있는 곳입니다

네 개의 헴 그룹이 있고
글로빈은 본질적으로

다른 나머지를 표현합니다
단백질 분자구조

네 개의 펩티드 사슬

헴 그룹은 꽤 흥미롭습니다

이것은 사실 포르피린 구조입니다

만약 엽록소에 대한 동영상을 본다면

포르피린 구조를 기억할 것입니다
하지만 그것의 정중앙에는

엽록소 안에는
마그네슘 이온이 있지만

헤모글로빈의 정중앙에는 철 이온이 있고

이곳이 바로 산소가 결합하는 곳입니다

헤모글로빈에는 산소를 위한
네 개의 주요한 결합부위가 있습니다

저기 있고
저기에 있을 수도 있고

저 뒤에 있고
여기에 있습니다

이제 왜 헤모글로빈이
산소는 여기에 잘 결속될 것이지만

헤모글로빈은 상당한 특징이 있습니다

첫째로 이것은 산소를 결속시키는 것을
잘하고 또한

놓아야 할 때 내놓는 것도 잘합니다

그래서 그것은 '협동 결합' 이라고 불리는
특질을 가집니다

이것은 이런 원리입니다
산소 한 분자와 결합하면

산소 한 분자가 여기에 결합하면

다른 부위들이 산소와
결합하기 쉽도록 형태를 바꿉니다

하나의 결합이 다른 부위들이 산소와
결합하기 더 쉽도록 형태를 바꿉니다

그거 꽤 괜찮은데요 라고
말할 수 있겠어요

이로서 아주 좋은 산소 수용체가 됩니다

폐모세혈관을 통과하며 지날 때요

그 때 산소는 폐포로부터 나옵니다

이 방식은 산소를 얻는데 매우 유용합니다

하지만 언제 산소를 내 놓을지 아는 것일까요?

매우 흥미로운 질문입니다

언제 산소를 내어놓을까?

눈이나 위치추적기가 달린 것도 아닌데 말입니다

사람이 달리고 있습니다
그래서 모세혈관 속에서

이산화탄소를 많이 만들어내고 있습니다

그는 대퇴사두근(허벅지)를 둘러 싼 모세혈관에
많은 양의 산소가 필요합니다

산소를 전달해야 합니다

전달장소가 허벅지인지는 모릅니다

헤모글로빈은 어떻게 산소를
그곳에 내놓아야 하는 것을 알까요?

'알로스테릭 억제' 라고 부르는 부산물 덕분입니다
( allosteric = 다른 자리 입체성)

용어는 어렵지만, 사실
개념은 꽤 간단합니다

알로스테릭 억제
( allosteric = 다른 자리 입체성)

알로스테릭에 대해 말할 때

주로 효소와 관련이 있습니다

어떤 것이 다른 부분과 결합하는 것을 의미합니다

'알로(allo)' 는 '다른' 이라는 뜻입니다

다른 부분의 단백질이나
효소와 결합하려고 할 때

효소는 단백질입니다

단백질이나 효소가 일반적으로 하는 일에
영향을 미칩니다

그래서 헤모글로빈은 알로스테릭하게 억제됩니다

이산화탄소와 양성자에 의해서

그러니까 이산화탄소는 헤모글로빈의
다른 부분들과 결합할 수 있습니다

정확하게 어느 부분인지는 모르겠지만요

양성자 또한 결합할 수 있습니다

기억하세요. 산도는 단지
양성자의 고농도를 의미합니다

산성 환경에 있을 때
양성자들은 결합합니다

분홍색으로 양성자들을 표시하겠습니다

양성자는 전자가 없는 수소입니다
(H+)

양성자는 단백질의 특정부분과
결합할 수 있고

그래서 산소를 붙들기 어렵게 만듭니다

이산화탄소가 많은 곳이나
산성 환경에 있게 되면

이것들은 산소를 내놓게 합니다

산소를 내놓기 매우 좋은 때가 됩니다

다시 이 사람이 달리던 때로 돌아갑시다

바로 여기 허벅지의 세포들 속에서
많은 활동이 일어납니다

많은 이산화탄소를 모세혈관으로 내보내고 있습니다

그 시점에, 동맥과 정맥까지 가고

산소가 많이 필요합니다

이 때가 헤모글로빈이 산소를 내놓기 딱 좋습니다

그래서 헤모글로빈이 이산화탄소에 의해

알로스테릭하게 억제된 것은 매우 잘 된 일입니다

이산화탄소는 헤모글로빈의 특정 부분에 결합합니다

산소를 내놓기 시작하고

그곳이 정확히 우리 몸에서 산소가 필요한 곳입니다

잠시만요

산성 환경은 무엇일까요?

이건 어디서 나오는 것입니까?

대부분의 이산화탄소는 실제로
분리되는 것으로 밝혀졌습니다

실제로 분리됩니다

이산화탄소는 혈장 속으로 들어가서

탄산이 되는 것입니다

여기에 공식을 써 볼 게요

이산화탄소가 있고 물과 섞이면

그러니까 혈장과 섞이면
주 성분이 물입니다

그래서 이산화탄소를 받아들이면
물과 섞이고

효소 속에 두고

이 효소는 적혈구 속에 존재합니다

이것을 '탄소탈수효소'라고 부릅니다

반작용도 일어납니다

기본적으로 탄산이 됩니다

이제 탄산이 있습니다

평형상태입니다

산소 셋, 수소 둘, 탄소 하나가 있습니다

탄산이라 부릅니다
수소 양성자를 잘 내놓기 때문입니다

산은 짝염기와 수소양성자로 쉽게 분리됩니다

그래서 탄산은 쉽게 분리됩니다

평형상태의 식을 써 보겠지만
이것은 산입니다

이 기호식이 헷갈리거나 더 알고 싶다면

산의 해리나 평형반응 혹은
그 모두와 관련된 화학과목영상을 보세요

근본적으로 수소를 하나 내어 놓는 것입니다

하지만 양성자가 수소의 전자를 유지하려고 합니다

수소양성자와 거기에 더해

다른 수소 하나가 더 나와야 하니 여기에 하나

이것은 '중탄산이온' 입니다

하지만 이것은 오로지 양성자만을 내놓고

전자가 유지됩니다

이것들을 화합한 식은 중립이 되고

이것으로 나타냅니다

그러니 제가 다리의 모세혈관에 있다면

한 번 그려보겠습니다

제가 다리의 모세혈관에 있다고 합시다

중간색으로 해 보겠습니다

제 다리의 모세혈관입니다

모세혈관의 한 부분을 확대해보겠습니다

항상 갈림길이 있습니다

너머엔 근육세포가 있습니다

이산화탄소를 많이 발생시킵니다

산소가 필요합니다

이제 무슨 일이 일어날까요?

적혈구가 흘러들어옵니다

상당히 흥미롭습니다
적혈구는

가장 작은 모세혈관보다
지름이 25%나 더 큽니다

그래서 작은 모세혈관을 통과하기 위해
스스로를 억지로 밀어넣습니다

많은 수의 사람들은 그것이
적혈구가 갖고 있는 내용물과

포함하고 있는 약간의 산소를 내놓는데

도움을 준다고 믿습니다

여기로 적혈구가 들어옵니다

모세혈관 속을 비집고 들어옵니다

다수의 헤모글로빈 입니다
여러분도 아시겠지만

각각의 적혈구는 2억7천만 개의
헤모글로빈 단백질을 갖고 있습니다

우리 몸 전체에 있는
헤모글로빈 수를 합산해보면

엄청납니다
약 20~30조 개의 적혈구가 있습니다

또 그 20~30조 개의 적혈구는

각각 2억 7천만 개의
헤모글로빈 단백질을 갖고 있습니다

매우 많은 헤모글로빈이
있는 것입니다

적혈구는 대략 우리 몸의 모든 세포 중
25%를 이룹니다

약 100조 혹은 그 이상이 있습니다

주고 받는

제가 직접 세어 본 적은 없습니다

어쨌든 우리는 2억7천만 개의
헤모글로빈 입자 혹은 단백질이

개별 적혈구 속에 있고

왜 그 모든 적혈구가 헤모글로빈을 위한
공간을 만들기 위해

적혈구의 핵을 내보내야 하는지 설명됩니다

그들은 산소를 운반합니다

여기서 우리는 이것을 다룹니다

이것은 동맥입니다

심장으로부터 옵니다

적혈구는 저 방향으로 들어갑니다

그리고 산소를 내놓을 것입니다

그러면 정맥이 됩니다

이제 이산화탄소를 갖고 있다면 무슨 일이 벌어질까요?

근육세포에 고농도의 이산화탄소를
갖고 있다고 합시다

결국, 확산 기울기에 의해서

같은 색으로 나타내겠습니다
혈장에 들어가게 됩니다

그 중 일부는 적혈구의 세포막 안쪽으로 들어갑니다

적혈구 안에서는 탄산탈수효소가

이산화탄소를 분해하고

탄산이 되며 양성자를 내놓습니다

좀 전에 배웠듯이
그 양성자가

헤모글로빈의 산소 흡수를
알로스테릭하게 억제합니다

그래서 그 양성자는 다른 부분을 잇기 시작합니다

아직 반응하지 않은 이산화탄소도요

여기도 헤모글로빈을
알로스테릭하게 억제합니다

그리고 다른 부분들과도 결합합니다

그래서 헤모글로빈 단백질의 모양을 변형합니다

산소를 더 이상 붙들고 있지 못하게 하고

내놓게 됩니다

바로 '협동 결합'이 있기 때문에

더 많은 산소를 갖고 있을수록
더 많이 받아들일 수 있는 것입니다

그 반대의 경우도 마찬가지입니다

산소 하나를 내보내기 시작할 때
다른 산소도 지니기 어렵습니다

그래서 모든 산소가 나오게 됩니다

적어도 저의 의견으로는
아주 뛰어난 기제라고 생각합니다

필요한 곳에 산소가 전달되는 것입니다

단순히 말할 수는 없습니다

동맥에 있다가 정맥에 있다고 말이죠

지금 모세혈관을 통과했고

이제 정맥으로 갈 것이라고
할 수는 있습니다

산소를 내보내게 두세요

싫든 좋든 몸 전체로
산소를 내놓을 것이니까요

이산화탄소와 산성 환경에 의해서
알로스테릭하게 억제되는 이 시스템은

가장 필요한 곳에
산소를 전달하게 만듭니다

이산화탄소가 가장 많은 곳에

가장 격렬하게
호흡이 발생하는 곳에요

정말로 멋진 체계입니다

더 쉬운 이해를 위해

도표를 준비했습니다

헤모글로빈에 의한 산소흡수율
얼마나 포화상태인지를 나타냅니다

생물시간에 본 적이 있을 것입니다
(산소해리곡선)

이해를 돕습니다

여기서 X축(가로축)은
산소분압을 나타냅니다

'분압'에 관한 화학강의를
수강한 적이 있다면 알 것입니다

분압의 의미는 이렇습니다

얼마나 자주 산소를 받게 되는가

압력은 기체나 분자를 맞닥뜨림으로 인해 발생합니다

기체일 필요는 없지만
분자와 부딪치는 것입니다

산소분압은 산소분자가 발생시키는
모든 압력의 총량을 말합니다

(X축의) 오른쪽으로 간다고 하면

산소의 양이 많아질수록

더 많은 산소를 맞닥뜨리게 됩니다

그러니까 정리해서
축의 오른쪽으로 갈수록

주변에 산소가 얼마나 있는지를 나타냅니다
(산소분압증가)

세로축은 헤모글로빈 분자가
얼마나 포화상태인지를 나타냅니다

100%라 함은
모든 헤모글로빈 분자 혹은 단백질의

모든 헴 집단이 산소와
결합하고 있다는 의미입니다

0%는 하나도 없다는 의미구요

산소가 매우 적은 환경에서는

이것은 사실 협동결합을 보여줍니다

산소가 매우 적은 환경에 있다고 해 봅시다

한 번 약간의 산소가 결합하면

점점 더 산소와 결합하기 쉬워지게 만듭니다

아주 적지만 바로 기울기가 증가하는 이유입니다

대수학이나 미적분학까지
가고 싶지는 않지만

보시다시피
여긴 약간 평평하고

그리고 기울기가 증가합니다

약간의 산소와 결합해서
더 결합하기 쉬워집니다

그리고 어느 시점에서
산소가 헤모글로빈 분자와

바로바로 맞닥뜨리기 어려워집니다

하지만 보다시피 여기쯤부터 가속화됩니다

이제 많은 양의 이산화탄소 때문에

헤모글로빈이 알로스테릭하게 억제된
산성 환경을 보자면

이렇게 좋은 상태는 아닙니다

산성 환경에서는 이 곡선처럼

어느 산소분압의 정도나 산소의 양에서도

헤모글로빈과 더 적게 결합합니다

다른 색으로 표현하겠습니다

곡선은 이렇게 됩니다

포화곡선은 이렇습니다

산성 환경에서는 이렇게 됩니다

약간의 이산화탄소가 여기 있을 것입니다

그래서 이 지점에서 헤모글로빈은

알로스테릭하게 억제되고 산소를 내놓습니다

음, 글쎄요

이것을 알게 된 것이 즐거운 일인지는 잘 모르겠습니다

하지만 저는 이것이 엄청나다고 생각합니다

헤모글로빈이 필요한 곳에 산소를 내놓는
가장 간단한 방식이기 때문입니다

위치추적기도 필요 없고
로봇이 말할 필요도 없습니다

허벅지에 있고
사람은 달리는 중입니다

산소를 전달합니다

저절로 수행합니다

산성 환경 일수록
이산화탄소도 많아지기 때문에

점점 억제되고 산소는 전달되고

호흡에 사용될 준비가 됩니다