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Proteindynamik: Myoglobin und Hämoglobin

Hämoglobin: eine Bewegung von Untereinheiten mit allosterischen Übergängen

Hämoglobin erfüllt vor allem zwei Aufgaben im Organismus: 1. möglichst viel Sauerstoff in der Lunge zu binden und diesen im peripheren Gewebe abzugeben sowie 2. im Gegenzug das Abfallprodukt CO2 in die Lungen zu befördern. Im Folgenden soll nun auf die Sauerstoff-Hb-Bindung eingegangen werden. Das Hämoglobin verfügt über besondere molekulare Eigenschaften. Seine Sauerstoff-Affinität steigt mit zunehmendem Sauerstoffpartialdruck (pO2 ) - also Bedingungen, die man in der Lunge vorfindet - und sinkt bei abfallenden pO2 , wie es im Gewebe erwartet wird. Jedes Hämoglobin-Molekül kann vier Moleküle Sauerstoff binden. Die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin ist kooperativ, d.h. dass die Bindung eines Sauerstoff-Moleküls die Bindung weiterer Sauerstoff-Moleküle begünstigt.

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Abb.1
3D-Struktur von Hämoglobin

Die vier Untereinheiten des Hämoglobins mit ihren Häm-Gruppen (in gelb). Die beiden α-Ketten sind in Rottönen, die beiden β-Ketten in Blautönen eingefärbt (PDB-Code: 1HGA).

Diese Kooperativität der Sauerstoff-Bindung an Hämoglobin bedeutet, dass die Bindung eines Liganden an eine Häm-Gruppe diejenige an weitere beeinflusst. Der Abstand zwischen zwei Häm-Gruppen ist aber zu groß, als dass diese Gruppen direkt miteinander wechselwirken könnten. Die Information wird stattdessen mechanisch durch die Protein-Umgebung übertragen, indem Hämoglobin bei der Oxygenierung eine andere Konformation einnimmt. Hämoglobin ist ein Tetramer aus zwei α- und zwei β-Ketten, die die beiden Dimere α1 β1 und α2 β2 bilden. Der allosterische Übergang geht mit einer Rotation des α1 β1 -Dimers von 15° relativ zum α2 β2 -Dimer einher. Bei der Oxygenierung geht das Deoxyhämoglobin (T-Form, von engl. tense) in Oxyhämoglobin (R-Form, von engl. relaxed) über.

Strukturveränderungen im Hämoglobin auf Tertiär- und Quartärstrukturebene

Die Bindung des ersten Sauerstoff-Moleküls an die T-Form erzeugt Spannung im Hämoglobin, da die Häm-Gruppe keine optimale Ausrichtung zu dem gebundenen Sauerstoff einnehmen kann. Diese Spannung um die Häm-Gruppe wird erst aufgehoben, wenn sich die beiden αβ-Dimere relativ zueinander bewegen. Mit dieser Bewegung gehen eine ganze Reihe von Strukturveränderungen einher, die sich auch auf die Oberflächengeometrie der Kontaktflächen auswirken. Zur Zeit wird noch diskutiert, welche zeitliche Abfolge die Strukturveränderungen beim T-R-Übergang haben. Nach neueren Arbeiten (Mouawad et al., 2002) ist der T-R-Übergang in zwei Hauptschritte unterteilt:

  • Der erste Schritt ist eine Konformationsänderung auf Quartärstruktur-Ebene (d.h. die Rotation des einen αβ-Dimers relativ zum anderen Dimer).
  • Der zweite Schritt ist die Veränderung der Tertiärstruktur (d.h. die internen Modifikationen der α- und β-Ketten, die zur veränderten Oberflächenstruktur der einzelnen Untereinheiten führen).

Literatur

Mouawad, L.; Perahia, D.; Robert, C. H.; Guilbert, C. (2002): New insight into the allosteric mechanism of human hemoglobin from molecular dynamics simulations.. In: Biophys. J.. 82 , 3224-3245

Zugang zur PubMed-Datenbank

Eine Animation der Bewegung

Tutorial zum Thema Hämoglobin

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