Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos (Voet Kapitel 9)

U.Albrecht BC1
Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos
(Voet Kapitel 9)
1. Funktion des Hämoglobins
2. Struktur und Mechanismus
3. Anormale Hämoglobine
4. Allosterische Regulation

1. Funktion des Hämoglobins
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Sauerstoff wird zur Energiegewinnung gebraucht. In kleinen Organismen gelangt O2 durch
Diffusion zum Gewebe. In grossen Organismen (Schichtdicke der Gewebe >1mm) aktiver
Transport nötig (Löslichkeit des O2 zu niederig). Sauerstoff bindende Proteine haben sich
entwickelt. Hämoglobin = Hb (Fe mit Häm), Hämocyanin (Cu haltig), Hämerythrin (Fe haltig,
ohne Häm). Fische der Antarktis einzige Vertebraten ohne Hämoglobin. O2 ist bei -1.9°C
ausreichend löslich, deshalb haben diese Fische farbloses Blut.
Myoglobin = Mb in Muskel erleichtert O2 transport in arbeitendem Muskel und dient in
Wassersäugern als O2 Speicher.
A. Häm
Häm
Mb und jede der 4 Untereinheiten von Hb enthalten nicht
kovalent gebundenes Häm, das auch in Cytochromen vorkommt.
Oxygenierung ändert Elektonenkonfiguation von Häm-Fe(II)
Farbwechsel des Blutes von dunkel purpur (venöses
Blut) zu leuchtend rot (arterielles Blut).
CO, NO, H2S binden besser als O2 Toxizität
Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) Methämoglobin (MetHb)
Metmyoglobin (MetMb). Keine Bindung von O2, H2O sättigt
Fe(III) ab braune Farbe von trockenem Blut
His Rest
In Erythrocyten reduziert Methämoglobinreduktase Fe(III) zu
Fe(II).

Absorptionsspektrum des oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobins
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Scharlachrot
Purpur

B. Sauerstoffbindung
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Hämoglobin bindet O2 kooperativ. Die Hill-Gleichung beschreibt die sigmoidale O2-
Bindungskurve von Hämoglobin.
Ys =
[S]
n
K + [S]
n
Ys = Sättigungsgrad
K = Dissoziationskonstante (p50)
S = Ligandkonz., hier pO2
n = Hill-Koeffizient
2.8
n = 1 nicht kooperative
Bindung wie in Myoglobin
n > 1 pos. kooperativ wie
in Hämoglobin
n < 1 neg. kooperativ
hyperbolische Bindungskurve mit demselben p50 wie Hb

Graphische Auswertung der Hill-Gleichung
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Hill-Auftragung
log
YO2
1-YO2
= nlogpO2 - nlogp50
pO2 = p50
0.3 Torr 30 Torr
viertes O2 bindet mit 100
höherer Affinität an Hämoglobin
als erstes O2
Hill-auftragung für Mb und Hb (doppelt logarhythmisch)

Globin verhindert die Autoxidation von Oxy-Häm
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N
N
Fe
N
Häm-Fe(II) bindet O2 und wird
oxidiert zu Häm-Fe(III)
Intermediat entsteht von 2 verbundenen
Häm-Molekülen über
eine Fe-O2-Fe Brücke. O2 ist
irreversibel gebunden.
Picked Fence mit methylierten
Imidazol Ringen verhindert dass
2 Häm sich anlagern können, die
Fe-O2-Fe Brücke kann sich nicht
ausbilden.
Globinproteine erfüllen diese
Funktion in Mb und Hb.
picked fence - Fe(II)-Porphyrin-Komplex

C. Kohlendioxidtransport und Bohr-Effekt
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Hb transportiert neben O2 auch CO2 im Blut.
O2 Bindung (physiolog. pH) Konformationsänderung von Hb (nicht aber Mb).
Acidität von Hb erhöht sich und Protonen werden freigesetzt. Wenn diese Protonen
durch erhöhen des pH abgefangen
werden Erhöhung
der O2 Bindungskapazität.
= Bohr-Effekt
Der Bohr-Effekt erleichtert den
O2 Transport
Aus O2 wird CO2 (gelöst). CO2 wird
zu Hydrogencarbonat (langsame
Reaktion). Wird in Erythrocyten beschleunigt
von Carboanhydrase).
CO2 wird im Blut als Hydrogencarbonat
transportiert (kein ausperlen
von CO2 möglich).
Gewebe pO2 niedrig
Lunge pO2 hoch
Einfluss des pH auf die O2-Bindungskurve des Hb
arbeitender Muskel pH tiefer
mehr O2 wird abgegeben.

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CO2 und Chlorid-Ionen modulieren die O2 - Affinität des Hämoglobins
CO2 bildet mit der N-terminalen Aminogruppen der Plasmaproteine ein
Carbamat.
R-NH2 + CO2 R-NH-COO + _ +
H
CO2 kann somit die Konformation von Hb beeinflussen was die O2-Affinität
beeinflusst. DesoxyHb bindet mehr CO2 als OxyHb.
_
Cl wird auch von DesoxyHb fester als von OxyHb gebunden (siehe später).
_
HCO3 passiert die Erythrocytenmembran ungehindert (in Gleichgewicht mit
Plasma). Elektroneutralität bedingt bei einem verlassen von Hydrocencarbonat Ion
_
dass im Gegenzug negative Ladung in Erythrocyt kommt. Dies ist Cl . Deshalb
hat venöses Blut eine höhere Chlorid Konzentration als arterielles.

D. Bedeutung von BPG für die O2 - Bindung
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Gereinigtes Hb hat höhere Affinität zu O2 als Vollblut. Unter anderem ist dafür
D-2,3-Bisphosphoglycerat (BPG= 2,3 DPG) verantwortlich. BPG bindet stärker an
DesoxyHb als an OxyHb. Es stabilisiert DesoxyHb. Selbe Funktion hat bei Vögeln Inositol
hexakisphosphat (IHP) und bei Fischen und Amphibien Adenosintriphosphat (ATP).
Modulation O2 Affinität von
Hb in Säugern:
+
1) H
2) CO2
-
3) Cl
4) BPG

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Ohne BPG wird nur wenig O2 freigesetzt
BPG erhöht p50 Wert
Einfluss von BPG und CO2 von
isoliertem Hb im Vergleich zu Vollblut

Bei Höhenanpassung steigt die BPG-Konzentration an
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Anpassung an Höhe führt
zur Vermehrung von
Erythrocyten. Nach einem
Tag ist bereits der Anstieg
vonBPG zu beobachten,
welches die Erythrocyten
nicht verlassen kann.
Verminderung der O2
Bindungsaffinintät.
Anstieg von BPG auch in
Patienten mit Hypoxie, z.B.
Anämien, kardiopulmonare
Insuffizienz

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Fetales Hämoglobin (HbF) hat
eine niedrige BPG-Affinität
und bindet O2 besser als mütterliches
Hämoglobin (HbA)
O2 Versorgung des Fetus wird
dadurch durch erst effizient.
Höhenadaption gewährleistet dass Sauerstoffversorgung
sich nicht vermindert.