Hæmoglobin
Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
 |
|
Hæmoglobin A er et protein der indeholder ferrojern og som kun findes i de røde blodlegemer (erytrocyterne) hos voksne. Hæmoglobin F er føtalt hæmoglobin. Molekylvægten er 64443. Molekylet er en tetramer med 4 hæmgrupper og kan derfor transportere 4 O2-molekyler.
Hæmoglobinet transporterer iltmolekyler fra lungerne ud til vævene. Hæmoglobin er det stof, som gør vores blod rødt. I musklerne bliver ilten overgivet til proteinet myoglobin. I vævene optager hæmoglobin affaldsstoffet CO2, der transporteres med tilbage til lungerne hvor det udskilles i udåndingsluften. Hæmoglobin nedbrydes til galdefarvestoffer.
Indholdsfortegnelse |
[redigér] Struktur
Hæmoglobin (også benævnt Hb) er en såkaldt heterotetramer. Den består af to α-subunits (underenheder) og to β-subunits. Til hver subunit er der bundet en hæm-gruppe med en ikke-kovalent binding. En hæm-gruppe består af en porphyrin-ring med Fe(II) i midten, hvortil der er bundet en histidin. Ilt bindes til hæmoglobin ved at bindes til jernionen.
Porphyrinringen er opbygget af fire pyrrolringe bundet sammen af methen-broer. På to af pyrrolringene sidder vinylsidegrupper, mens der på de to andre sidder propionatgrupper. På alle fire ringe sidder en methylgruppe. Det præcise navn for hæm-gruppen er ferro-protoporphyrin IX.
En subunit er en foldet polypeptidkæde, der udgør en afgrænset del af proteinet. Aminosyresammensætningen af en α-subunit og en β-subunit er 18 % identiske. Der er 141 aminosyrerester i en α-subunit og 146 i en β-subunit. I en β-subunits polypeptidkæde er der otte helixer, der inddeler kæden i otte dele (navngives: A-H). I en α-subunit er D-segmentet erstattet af et loop.
Tertiær-strukturen af α- og β-subunits ligner hinanden meget. De er symmetrisk relaterede ved en to-fold rotation. De fire subunits er bundet sammen af interaktioner; hovedsageligt mellem α1-β1 og α2-β2 (35 aminosyrerester), men der er også få interaktioner mellem α1-α2 og β1-β2 (19 aminosyrerester). De fleste interaktioner er hydrofobe, men hydrogenbindinger og ionbindinger er også med til at holde proteinet sammen. Visse interaktioner mellem α1-β2 og α2-β1 medfører konformationsændringer, som har betydning for iltbindingen.
[redigér] Konformationsændring ved binding af ilt
Når hæmoglobin binder ilt, ændres proteinets kvaternærstruktur. Denne strukturændring sker udelukkende over α1-β2 kontaktfladen (også kaldet interface), således at hæmoglobins dobbeltsymmetri bibeholdes. Bindingen af ilt roterer α1β1-dimeren ca. 15º i forhold til α2β2-dimeren, hvilket bevirker, at nogle atomer ved α1-β2 kontaktfladen flytter sig op til 6Å i forhold til hinanden. Den kvaternære konformation af deoxyHb kaldes T-state (T for ”tense”), mens den tilsvarende for oxyHb kaldes R-state (R for ”relaxed”). Ligeledes hedder de forskellige tertiære konformationer af de enkelte subunits t- og r-states for hhv. deoxy- og oxyHb. R-formen har højere iltaffinitet end T-formen. T-formen er stabiliseret af et netværk af saltbroer i C-terminalen, som brydes i dannelsen af R-formen. R-state stabiliseres ved bindingen af ilt. Ved konformationsændringerne i overgangen fra T- til R-state brydes T-formens saltbroer vha. den energi, der frigives ved jerns binding til ilt. Man kender ikke den præcise rækkefølge i hvilken de forskellige trin i overgangen sker. I t-state befinder Fe(II) sig 0,6Å ude af hæm-planen på samme side som den proximale Histidin, fordi bindingerne mellem jern og porphyrin er for lange til, at Fe(II) kan ligge i porphyrin-planen, og fordi porphyrin danner en slags kuppel, som forhindrer jern i at ligge dér. Ved iltbindingen forandres hæmgruppens elektronkonfiguration, hvilket eliminerer kuppeldannelsen og får Fe(II)-porphyrin-bindingerne til at trække sig 0,1Å sammen, således, at jern bevæger sig ind i hæm-planen. Under denne bevægelse ”trækker” jern den proximale Histidin og dennes bundne F-helix med sig, hvilket styrker Fe-O2-bindingerne, fordi den steriske hindring mellem ilt og hæm-gruppen mindskes. Overgangen fra R- til T-state sker sandsynligvis i muskelvævet, hvor iltkoncentrationen jo er lav, og T-state derfor er mest stabil. Kontaktfladerne mellem α1-β2 og α2-β1 har kun to stabile positioner, som styrkes af to ækvivalente sæt hydrogenbindinger. I begge disse konformationer passer sub-units’ene sammen som puslespilsbrikker. Derimod ville intermediate positioner skabe stor sterisk spænding, så strukturen ville være meget ustabil. En enkelt subunit eller dimer kan derfor ikke ændre konformation uafhængigt af de andre, hvilket giver anledning til kooperativiteten af hæmoglobins iltbinding.
[redigér] Kooperativitet
I protein-sammenhæng betyder kooperativitet, at bindingen af ligand eller substrat til én subunit af proteinet, ændrer proteinets overordnede konformation på en sådan måde, at bindingen af ligander til de øvrige subunits sker lettere end bindingen af den første. En deoxyHb subunit, som binder ilt, er tvunget til at forblive på t-formen, fordi den overordnede konformation af hele tetrameren er T-state. Denne t-form har imidlertid reduceret iltaffinitet, sandsynligvis fordi dens Fe-O2-binding strækkes længere end dens almindelige længde pga. den steriske frastødning mellem hæmgruppen og ilten, og i β-delene pga. nødvendigheden af at flytte Val E11 væk fra iltbindingsstedet. Efterhånden som mere ilt bindes til tetrameren opbygges denne steriske spænding i de subunits som har bundet ilt, indtil den er stærk nok til at få hele molekylet til at gå over til R-state. Den steriske spænding stammer fra energien i Fe-O2-bindingen. De subunits, som endnu ikke har bundet ilt, kommer altså også på r-formen, som har større iltaffinitet end t-formen. Derfor bindes ilt lettere til de resterende subunits end til den første. Faktisk bindes det fjerde iltmolekyle til hæmoglobin 100 gange lettere end det første. Hvis man fjerner de C-terminale aminosyre-rester, som danner t-formens stabiliserende saltbroer, antager deoxyHb en form, som ligner den normale form for oxyHb. Hermed mindskes den kooperative effekt, fordi proteinet jo allerede er (næsten) i R-state. Det samme er tilfældet, hvis man fjerner den proximale Histidin. Dog viser undersøgelser, at Hb uden den proximale Histidin stadig udviser en smule kooperativitet, hvilket viser, at hæmgrupperne også ”kommunikerer” med hinanden uden om denne aminosyrerest. Man kender endnu ikke de nøjagtige mekanismer for denne øvrige kommunikation, men den kan involvere bevægelser af proteingrupper i kontakt med hæmgruppen, af den distale His på de fire subunits samt af Val E11 på β-delene. Globindelen har altså stor betydning for iltbindingsaffiniteten. Derudover gør den også iltbindingen reversibel, hvilket jo er nødvendigt (ellers ville hæmoglobin jo ikke ”aflevere” ilten til vævet). Uden globindelen ville Fe(II) bundet til hæmgruppen oxideres irreversibelt til Fe(III) ved tilstedeværelse af ilt. Dette sker gennem formationen af et kompleks mellem to hæmgrupper. Fe(III) kan ikke binde ilt, fordi dens sjette ligandbindingsposition optages af et vandmolekyle. Globin forhindrer oxidationen ved at ”lukke porphyrin-Fe(II)-komplekset inde”, så det ikke kan reagere med noget. Globins aminosyrer skaber en sterisk hindring, så to hæmgrupper ikke kan mødes, og dermed at oxidationen til Fe(III) ikke kan finde sted.
[redigér] Iltbinding
Når ilt bindes til Hæmoglobin, sænkes pH i blodbanen lidt, og der frigives protoner. Hvis der fjernes protoner fra Hæmoglobin, stimuleres proteinet til at binde ilt. Dette kaldes Bohr effekten. Hvis pO2 er lav i kapillærerne, vil Hb optage H+. Selvom R-state har høj iltaffinitet, vil den bundne ilt afgives, fordi iltkoncentrationen i vævet er lav. Reaktionen katalyseres af carbonic anhydrase i erythrocytten. Det optagne H+ vil provokere Hb til at frigive den bundne ilt, så pH genoprettes. Optagelsen af H+ vil også stimulere dannelsen af bicarbonat, og derved fremme transporten af CO2 bundet til hæmoglobin. Hvis pO2 er høj, vil ilt bindes til Hb, så de bundne protoner frigives sammen med CO2. CO2 kan transporteres enten direkte ved at bindes til N-terminalen som carbamat eller indirekte ved at hæve koncentrationen af bicarbonat ved Bohr effekten. Protonerne som frigives ved carbamat- dannelsen bliver delvist optaget gennem Bohr effekten, og derved frigives en større mængde ilt end Hb ellers ville frigive. DeoxyHb binder mere CO2 som carbamat end oxyHb gør, og CO2 har, ligesom H+, derfor betydning for Hb’s iltaffinitet. Hb kan også binde Cl-, og koncentrationen af disse ioner har også betydning for iltaffiniteten. Det meste Cl- bindes, ligesom CO2, til Hb’s deoxy-form i N-terminalen. Cl- bindes når HCO3- forlader erythrocytten, da der skal være ens ladning på begge sider af membranen. Chloridionen bindes mellem N-terminalens aminogruppe Val 1 α2 og Arg 141 α1. Cl- bindes altså til Hb for at erstatte bicarbonat og stabilisere proteinet. I T-state er det midterste hulrum i proteinet større end i R-state, så der er flere Cl- -ioner i hulrummet i T-state end i R-state. Cl- stabiliserer T-state ved at de positive ladninger reduceres gennem ”electrostatic shielding”. Derfor har Cl- betydning for iltaffiniteten. Når α-subunits reagerer med cyanat, sker der en carbamoylation af N-terminalens aminogruppe. Hvis de blandes med almindelige β-subunits, mangler det påvirkede Hb 20-30 % af den normale Bohr effekt. Dette skyldes at Cl- ikke er til stede i carbamoylateret deoxyHb. Normalt har N-terminalen en pK omkring 8,0, men på deoxyformen er N-terminalen påvirket af Cl-, som hæver dens pK ved at binde protoner. N-teminalen er normalt kun delvist ladet, men pK-skiftet får N-teminal-aminogrupperne til at binde mange flere protoner i T-state end i R-state. N-terminalen i α-subunits bidrager altså til Bohr effekten. Det samme gør β-subunits. Fjernes C-terminalens His 146 β, reduceres Bohr effekten med 40 %. Dette skyldes, at der normalt dannes en saltbro mellem His 146 β’s imidazol-ring og Asp 94 β i samme subunit i T-state. Saltbroen stabiliserer proteinet i T-state og øger pK i imidazol-ringen til 8,0 hvilket gør det lettere at protonere molekylet. Denne saltbro findes ikke i R-state, så pK falder til den normale værdi på ca. 6,5, og da pH er omkring 7,4 i blodet, vil His 146 være uprotoneret i oxyHb. Man har altså redegjort for 60-70% af Bohr effekten. Overflade histidiner deltager også i Bohr effekten, hvor små ændringer i pK-værdien vil influere på hvor mange protoner der bindes af histidin. pK for disse histidiner påvirkes af skiftet fra T-state til R-state. En høj koncentration af protoner, vil fremme frigivelsen af ilt [2]. D-2,3-Biphosphoglycerat (BPG) dannes i det røde blodlegeme og kan bindes stærkt til deoxyHb. Derigennem falder Hb’s iltaffinitet, fordi BPG holder Hb i deoxy-formen. Hvis BPG ikke er til stede i kapillærerne, frigives meget lidt ilt, eftersom Hb’s iltaffinitet øges, når BPG ikke er til stede. Bindingen af BPG til deoxyHb, svækkes af høje saltkoncentrationer, hvilket indikerer, at bindingen er ionisk. BPG har fem anioniske grupper, som bindes til en ring af otte kationiske sidegrupper på de to β-subunits i deoxyHb’s midterste hulrum. De anioniske grupper på BPG er ikke længere væk fra de kationiske grupper på begge β-subunits, end at der kan dannes hydrogenbindinger og saltbroer mellem dem. Ved konformationsændringen fra T til R-state vil de to β H- helixer indsnævres, så BPG afgives, fordi hulrummet bliver for småt til at BPG kan være der. Desuden gøres afstanden mellem β-subunits’enes N-terminaler større, så afstanden er for stor til, at der kan dannes hydrogenbindinger mellem N-terminalerne og BPG’s phosphatgrupper. T-state stabiliseres af BPG ved at det krydsbinder de to β-subunits, så Hb’s iltaffinitet sænkes, da BPG sætter sig på iltens plads. Modsat både BPG og IHP kan NO, som binder stærkere til Hb end ilt gør, tvinge Hb ind i R-state, og derved fjerne ilt fra kapillærerne. BPG medvirker til højdeadaptation. Højdeadaptation er en stigning i mængden af Hb per erythrocyt og en stigning i antallet af erythrocytter. Det tager flere uger at opnå denne tilstand fuldstændigt. Dog kan en enkelt dag i højderne bevirke, at man har en mærkbar højdeadaptation. Adaptationen opnås ved at BPG koncentrationen stiger. Dette bevirker, at der sker et fald i iltaffinitet, og derfor sker der en stigning i den mængde af ilt, som Hb afgiver i kapillærerne. Kommer man ned til et lavere niveau, så vil mængden af BPG hurtigt falde og iltaffiniteten stige. Ved højdeadaptation sker der også en tilbageholdelse af CO2, som giver et fald i pH og derved sænker Hb’s iltaffinitet. Dette er medvirkende til en øget afgivelse af ilt til vævet men er uafhængigt af tilstedeværelsen af BPG. Hvis opstigningen sker for hurtigt, kan kroppen ikke nå at vænne sig til ændringerne i omgivelserne, og man får højdesyge, som i værste fald kan være dødeligt Ovenstående afsnit beskriver allosteriske interaktioner mellem Hb og forskellige ligander. Allosteriske interaktioner er når en bestemt ligands binding til et protein afhænger af en anden ligand bundet et andet sted på proteinet. Der findes forskellige modeller, der beskriver den kooperative binding af ligander. En model er symmetri-modellen, hvor bindingsaffiniteten kun afhænger af proteinets kvaternære tilstand.
[redigér] Iltafgivelse
Som nævnt bevirker den lave iltkoncentration i vævene, at Hb vil afgive sin bundne ilt, selvom proteinet er i sin højaffinitetskonformation (R-state). Undersøgelser har vist, at anæmi patienter, hvis blod kun indeholder halvt så meget hæmoglobin som normalt, kan leve (næsten) normalt. Tværtimod vil en rask person, som pludseligt får halvdelen af sine iltbindingssteder blokeret af CO dø, fx som når en person begår selvmord ved at lukke sig inde i en bil og lukke udstødning ind uden af lufte ud. Forklaringen er, at hæmoglobin har større affinitet for CO end for ilt, og når CO bindes, fastlåses hæmoglobin i R-state, så ilten ikke kan afgives til vævene. Derved kvæles man, populært sagt, i vævet i stedet for i lungerne. Anæmi-patienterne får transporteret mindre ilt, men da det afgives til vævene (som det skal), kan de leve forholdsvis normalt.
[redigér] Kilder/Hevisninger
Hjemmesiden: http://www.naturligvis.u-net.dk/ Portfolio med powerpointpræsentation af hæmoglobin: [1]
