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Sauerstoff-Transport im Muskel und Blut

Hämoglobin und Erythrocyten

Hämoglobin (Hb) ist nach unserem derzeitigen Kenntnisstand das wichtigste Sauerstoff-bindende Protein und kommt in fast allen höheren Organismen vor. Selbst in Pflanzen findet man ein homologes Protein, das so genannte Leghämoglobin. Hb hat eine molekulare Masse von 64.500 Da und besteht aus vier Untereinheiten mit jeweils einer Häm-Gruppe. Beim Menschen kommen sechs verschiedene Protein-Varianten vor, die als α-, β-, γ-, δ-, ε- und ζ-Globine bezeichnet werden. Neben dem Transport von Sauerstoff und CO2 wurde 1996 gefunden, dass von Hämoglobin NO reversibel gebunden und transportiert werden kann. NO hat eine sehr kurze biologische Halbwertszeit von 2-4 s und übt vielfältige Funktionen im Human-Organismus aus. U.a. wirkt es als sekundärer Botenstoff (engl. second messenger), als Vasodilator und es ist an den unspezifischen Immunreaktionen beteiligt. Sobald NO aus dem NO-Hb-Komplex freigesetzt worden ist, wird es an Cys93 der β-Globin-Ketten gebunden und von dort an niedermolekulare, Sulfhydryl-Gruppen tragende, Reduktantien, wie Glutathion weitergereicht. Über diese Reaktionsfolge wird hoch reaktives, instabiles NO in eine stabile Form transferiert und letztendlich die Versorgung der (peripheren) Gewebe mit molekularem Sauerstoff unterstützt.

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Abb.1
3-dimensionale Anordnung des Hb

Die vier Untereinheiten (in Blau, Grün, Orange und Gelb) des Hämoglobins mit ihren Häm-Gruppen (in rot).

Hämoglobin kommt nur in den roten Blutkörperchen (Erythrocyten) vor und macht ca. 35 % ihres Gewichtes aus. Wichtig für die Transport-Funktion des Hämoglobins ist auch ein ausreichender Eisen-Gehalt im Blut, da Eisen ein essenzieller Cofaktor ist. Eisen-Mangel durch eine ungenügende Eisen-Zufuhr oder eine mangelhafte Resorption von Eisen im Gastrointestinaltrakt führt zu Anämien (Blutarmut, vide infra).

Abb.2
Frisches Hämatom

Erythrocyten werden beim Menschen nach ca. 120 Tagen im retikuloendothelialen System, vor allem in der Milz, abgebaut. Bei Verletzungen von Blutgefäßen unter der Haut treten Erythrocyten ins Gewebe ein. Das Hämoglobin wird dann freigesetzt und transient an Haptoglobin gebunden. Der Komplex zerfällt, Haptoglobin dissoziiert, die Globin-Ketten werden entweder recycelt oder zu Aminosäuren degradiert, das frei gewordene Fe wird an Transferrin gebunden und die Häm-Gruppe mittels Hämopexin in die Leber transportiert. Dort wird der Tetrapyrrolring schließlich mittels Häm-Oxidase oxidativ gespalten. Aus dem resultierenden Biliverdin entsteht schliesslich Bilirubin. Dieses wird an Albumin gebunden und darauf mit Glucuronsäure konjugiert. Als Bilirubin-Diglucuronid ist es in wasserlöslicher Form transportierbar und für die Ausscheidung über die Galle (direktes Bilirubin) und für den weiteren bakteriellen Abbau/Umbau im Darm vorbereitet. Die strukturell verschiedenen Biline weisen unterschiedliche Absorptionsspektren und Farben auf. Dies ist beispielsweise die Ursache für die zeitabhängige unterschiedliche Färbung von Hämatomen (blauviolett → grüngelb).

Veränderungen in der Struktur des Hämoglobins führen zu schwerwiegenden Erkrankungen. Bei der Sichelzellenanämie handelt es sich um eine Erbkrankheit, die durch den Austausch von nur einer Aminosäure verursacht wird. Thalassämien sind eine Gruppe ähnlicher Erbkrankheiten.

Eine genaue Darstellung einzelner Domänen dieses Proteins findet sich hier.

Literatur

Gross, S. S.; Lane, P. (1999): Physiological reactions of nitric oxide and hemoglobin: A radical rethink. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. . 96 (18) , 9967-9969

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