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Proteindynamik: Myoglobin und Hämoglobin

Die Oxygenierung von Hämoglobin: Übergang von der T- in die R-Form

1. Dynamische Änderungen der elektronischen Konfiguration des Eisen-Atoms in Gegenwart oder Abwesenheit von molekularem Sauerstoff

In der T-Form befindet sich das Fe(II)-Atom des Hämoglobins außerhalb der Häm-Ebene, die sich wie eine Art Kuppel in Richtung des proximalen His-F8 wölbt. Die Sauerstoff-Bindung an Eisen ändert den Spin-Zustand dieses Ions: Im desoxygenierten Zustand (low spin) hat das Eisen-Ion fünf Liganden (die vier Tetrapyrrol-N-Atome der Häm-Gruppen und das proximale His) und einen Ionenradius von 2,06 Å, im oxygenierten Zustand (high spin) hat es sechs Liganden (Sauerstoff an der 6. Koordinationsstelle) und einen Radius von 1,98 Å.

Abb.1
Molekülanimation zur Bindung von Sauerstoff an Häm
© Wiley-VCH

Das Eisen-Ion passt nur im oxygenierten Zustand in die Ebene der Tetrapyrrol-Ringe. Ohne irgendwelche sterische Behinderungen würde sich das Eisen also bei Oxygenierung in die Häm-Ebene bewegen; dieses ist aber nicht möglich, ohne dass sich in der Tertiärstruktur der Untereinheiten etwas ändert. Zum einen gibt es sterische Interaktionen zwischen dem proximalen His-F8 und der Häm-Gruppe und zudem ist die FG-Ecke im Weg. Bei den β-Untereinheiten gibt es noch ein weiteres Hindernis, da hier der Val-E11-Rest an der Stelle sitzt, wo eigentlich der Sauerstoff gebunden werden sollte. Bei der Oxygenierung werden diese sterischen Spannungen aufgehoben, indem die FG-Ecke nach außen gedrückt wird. Mit der Bewegung der F-Helix kann sich nun auch das proximale His-F8 und damit das Eisen bewegen. Diese Bewegung ändert die Geometrie der einzelnen Untereinheiten und hat damit auch Auswirkungen auf die Kontaktflächen.

Dynamische Änderungen in den Interaktionsdomänen zwischen den Untereinheiten

Beim Übergang der T- in die R-Form kommt es vor allem zu Strukturveränderungen in den Interaktionsbereichen zwischen den Untereinheiten α1 und β2 (das gleiche gilt für den Kontakt α2 -β1 ). Die FG-Ecke der α1 -Untereinheit kontaktiert die C-Helix der β2 -Untereinheit, während die FG-Ecke der β2 -Untereinheit die C-Helix der α1 -Untereinheit kontaktiert (dieser Bereich wird auch als switch-Region bezeichnet). Zwischen diesen beiden Kontakten besteht ein signifikanter Unterschied: die Interaktion α1 -FG-Ecke mit der β2 -C-Helix ist in der Oxy-Form und der Desoxy-Form gleich, aber die Interaktion β2 -FG-Ecke mit der α1 -C-Helix verändert sich erheblich beim Übergang von der Desoxy- in die Oxy-Form: Die β2 -FG-Ecke bewegt sich um etwa 6 Å relativ zur α1 -C-Helix und nimmt damit eine andere Geometrie an als in der Desoxy-Form. Dabei ändert sich die relative Position von β2 His-97 (FG4). Lag diese Aminosäure vorher zwischen α1 Pro-44 (CE2) und α1 Thr-41 (C6), liegt sie jetzt zwischen α1 Thr-41 (C6) und α1 Thr-38 (C3). Auch das Netzwerk der H- und Salz-Brücken wird geändert. Diese Bewegung wird als switch transition bezeichnet.

Die α1 α2 -Kontaktfläche verändert sich kaum während des Überganges, während die β1 β2 -Kontaktfläche sich deutlich ändert. In der T-Form gibt es einen Hohlraum zwischen den beiden β-Flächen, in dem 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-DPG) (grün) binden kann. Dieser Hohlraum schließt sich bei der Rotationsbewegung der Dimere. DPG verringert die Sauerstoff-Affinität, da es die T-Form durch diese zusätzlichen Bindungen stabilisiert.

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Abb.2
2,3-DPG-Bindung an Hämoglobin

Van-der-Waals-Oberflächen der vier Untereinheiten mit Häm-Gruppen (gelb) und einem gebundenem Molekül 2,3-DPG (grün) im Desoxyhämoglobin aus Homo sapiens (PDB-Code: 1B86). Die beiden α-Ketten sind in roten und die beiden β-Ketten in blauen Farbtönen dargestellt.

Änderungen in der Aminosäure-Umgebung des Häms beim T-R-Übergang

In den β-Ketten ist die Sauerstoff-Bindung schwieriger als bei den α-Ketten, da das Häm in der T-Form relativ schwer zugänglich hinter dem distalen His-E7 und Val-E11 liegt. Der Abstand von βHis-E7 und βVal-E11 zum Häm beträgt normalerweise 3,5 Å in der T-Form und steigt auf 5-5,5 Å in der R-Form. Daraus lässt sich folgern, dass das Eisen in den β-Ketten erst durch die Konformationsänderung erreichbar ist, während in den α-Ketten das Fe-Ion auch in der T-Form gut zugänglich ist. Beim Übergang in die R-Form werden in den β-Ketten diese beiden Reste zur Seite gedrückt. Dabei bewegen sich weniger die Aminosäuren, sondern das Häm selbst bewegt sich relativ zur Untereinheit.

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

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Tutorial zum Thema Hämoglobin

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