sobota, 03 grudnia 2011 21:18

Hemoglobina - budowa i funkcje

Oceń ten artykuł
(0 głosów)

Mioglobina i hemoglobina są białkami przenoszącymi tlen u kręgowców. Mioglobina służy jako magazyn tlenu i ułatwia jego transport w mięśniach, natomiast hemoglobina jest przenośnikiem tlenu we krwi.
Oba białka zawierają w swojej budowie grupę niebiałkową (prostetyczną) zwaną hemem.
Funkcją hemu w hemoglobinie i mioglobinie jest odwracalne wiązanie tlenu cząsteczkowego, nadaje on im również czerwone zabarwienie.


HEM

Hem jest cyklicznym tetrapirolem. Składa się z 4 pierścieni pirolowych połączonych mostkami a -metinowymi, a w pozycji b znajdują się grupy metylowe, winylowe i propanionowe. W centrum tego układu znajduje się atom żelaza, jest on powiązany z czterema atomami azotu. Pirolowe atomy azotu wiażą jon żelaza w pozycji ekwatorialnej, udostępniając dwie pozycje aksjalne dla innych ligandów. Atom żelaza może tworzyć dodatkowe dwa wiązania- każde po jednej płaszczyźnie hemu. Miejsca te określa się jako piąta i szóstą pozycję koordynacyjną. Atom żelaza występuje formie jonu (Fe2+ lub Fe3+), jednak tylko hemoglobina (tzw. ferrohemoglobina) w której atom żelaza występuje na drugim stopniu utlenienia, jest zdolna do wiązania tlenu! Utlenienie żelaza wiąże się z utratą aktywności biologicznej. Funkcje hemu zależą od jego otoczenia polipeptydowego, gdyż ta sama grupa hemowa występuje w innych białkach gdzie pełni zupełnie odmienną funkcje np. w cytochromach jest ona odpowiedzialna za przenoszenie elektronów w łańcuchach oddechowych, a jej funkcja ich funkcja biologiczna wynika właśnie z utlenienia i redukcji atomu żelaza. Natomiast w katalazach i peroksydazach, katalizuje przemianę nadtlenku wodoru w wodę i tlen.

 

MIOGLOBINA-budowa

Białko to ma postać pojedyńczego łańcucha polipeptydowego, który składa się ze 153 reszt aminokwasowych. Mioglobina jest silnie upakowaną w przybliżeniu kulistą cząsteczką, jej łańcuch złożony jest z 8 prawoskrętnych a heliksów-każdy z nich zawiera około 7-20 aminokwasów. Poczynając od końca N odcinki helikalne oznacza się kolejno literami od A do H, fragmenty międzyhelikalne literami dwóch odcinków, które one łączą np. AB jeżeli łączy on fragment A i B. Dodatkowo występują jeszcze dwa rejony niekelikalne-dwie reszty aminokwasowe od strony końca N i pięć od strony końca C.
Wewnętrzna część cząsteczki mioglobiny składa się niemal wyłącznie z reszt aminokwasów niepolarnych (np.leucyna, walina, metionina). Natomiast reszty aminokwasowe zawierające zarówno grupę polarną jak i niepolarną (tyrozyna, treonina i tryptofan) są skierowane swoją częścią niepolarną do wnętrza cząsteczki. Zewnętrzna część cząsteczki zbudowana jest z polarnych jak i niepolarnych reszt aminokwasowych. Grupa hemowa znajduje się w zagłębieniu cząsteczki mioglobiny, między heliksem E i F. Polarne, priopanionowe łańcuchy boczne hemu skierowane są na zewnątrz cząsteczki (w fizjologicznym ph grupy kwasu są zjonizowane) natomiast pozostała część hemu znajduje się we wnętrzu cząsteczki gdzie za wyjątkiem histydyny F8 i histydyny E7 otaczają ją reszty niepolarne. Histydyna F8 wiąże się bezpośrednio z atomem żelaza -zajmuje ona piątą pozycję koordynacyjna żelaza (histydyna proksymalna). Natomiast miejsce wiązania tlenu znajduje się po drugiej stronie płaszczyzny hemu, w szóstej pozycji koordynacyjnej. W jej pobliżu leży druga reszta histydyny (E7) zwana dystynalną -która nie wiąże się z grupą hemową.

 

Wiązanie tlenku węgla i rola histydyny dystynalnej

Tlenek wegla jest trucizną ponieważ łącząc się z nieutlenowaną mioglobiną lub hemoglobiną hamuje transport tlenu. Tlenek węgla zawarty w tych dwóch białkach wykazuje o ok. 220 razy większe powinowactwo do tlenku węgla niż do tlenu . Z wyizolowanymi cząsteczkami tlenku węgla hem tworzy kompleksy w których Fe, C i O są ustawione w linii prostej. Natomiast w przypadku mioglobiny na skutek obecności histydyny E7 następuje zawada przestrzenna i CO wiąże się pod kątem z Fe -powoduje to osłabienie oddziaływania tlenku węgla z hemem. Ma to duże znaczenie, ponieważ tlenek węgla jest wytwarzany endogennie ( w obrębie komórek) w wyniku rozpadu hemu.

 
 

HEMOGLOBINA

Hemoglobina jest tetramerem czyli składa się z czterech łańcuchów peptydowych (ściśle z dwóch par identycznych łańcuchów) z których każdy zawiera jedną grupę hemową czyli jedno miejsce wiązania tlenu (jedna cząsteczka hemoglobiny wiąże 4 cząsteczki tlenu).
Istnieją różne typy hemoglobin -np. hemoglobina A, która występuje u ludzi dorosłych składa się z dwóch łańcuchów a (posiada on 141 reszt aminokwasowych) i b (146 reszt aminokwasowych) -różnią się one między sobą strukturą pierwszorzędową. U dorosłego człowieka występuje również hemoglobina A2 ok. 2% składu całej hemoglobiny) -różni się tym, że zamiast łańcuchów b posiada łańcuchy. Zarodek i płód mają inną hemoglobinę. Hemoglobina F (podstawowa hemoglobina podczas ostatnich 6 miesięcy życia płodowego) ,ma strukturę: a2g2.
Kształt cząsteczki hemoglobiny zbliżony jest do kuli -cztery łańcuchy upakowane są w formę czworościanu -grupy hemowe są usytuowane pojedyńczo w każdej podjednostce, w zagłębieniach na ich powierzchni. Cztery miejsca wiązania tlenu są znacznie od siebie oddalone.Każdy łańcuch  alfa kontaktuje się z obydwoma łańcuchami beta, natomiast oddziaływania między dwoma łańcuchami a lub dwoma łańcuchami b są nieliczne.
Struktura przestrzenna łańcuchów alfa i beta jest bardzo podobna do struktury przestrzennej mioglobiny. Każdy z łańcuchów hemoglobiny również zawiera osiem helikalnych łańcuchów, których struktura pokrywa się ze strukturą odcinków występujących w cząsteczce mioglobiny. Pomimo podobieństwa w pofałdowaniu głównych łańcuchów, sekwencje aminokwasów wykazują liczne różnice-w zasadzie zgodne są tylko niektóre. Jak widać różne sekwencje aminokwasów mogą określać różne struktury przestrzenne. Ponadto skomplikowane pofałdowanie łańcucha polipeptydowego występującego zarówno w mioglobinie jaki i hemoglobinie jest podstawowym modelem przenośnika tlenu. Stwarza ono odpowiednie środowisko dla grupy hemowej , co umożliwia odwracalne wiązanie tlenu.
 

Oddziaływania allosteryczne

W przypadku obu białek występuje ten sam wzorzec struktury -jednak forma tetrameru powoduje, że hemoglobina ma nowe właściwości! Te nowe cechy to oddziaływania allosteryczne -czyli oddziaływania między przestrzenie oddalonymi miejscami w tej samej cząsteczce.
 
 

Mioglobina jako magazyn tlenu, hemoglobina jako jego przenośnik.

Na podstawie krzywej zależności stopnia wysycenia hemoglobiny i mioglobiny tlenem od jego stężenia (wyrażonego jego ciśnieniem parcjalnym).
Dla mioglobiny krzywa ta ma kształt hiberboli . W naczyniach włosowatych płuc gdzie znajduje się duże stężenie tlenu mioglobina w tych warunkach mogłaby skutecznie wiązać tlen -jednak występuje ona w żyłach i mięśniach gdzie stężenie tlenu jest mniejsze i wynosi odpowiednio 40 i 20 mm Hg . Mimo to mioglobina nie oddaje znacznej części związanego tlenu (duży stopień wysycenia) nawet, przy 20 mm Hg)-dopiero przy 5 mmHg w warunkach niedoboru tlenu (wysiłek fizyczny) mioglobina uwalnia związany tlen -który w mitochondriach mięśni wykorzystywany jest do biosyntezy ATP. Natomiast w przypadku hemoglobiny (przebieg krzywej sigmoidalny). Krew opuszczająca płuca gdzie panuje duże stężenie tlenu jest nim w dużym stopniu nasycona (krew utlenowana), natomiast w miarę zmniejszania się stężenia tlenu zmniejsza się też wysycenie hemoglobiny tlenem -przy 40 mmHg (włosowate czynne komórki mięśniowe) wysycenie hemoglobiny tlenem jest małe (oddawanie tlenu-hemoglobina nieutlenowana). Widzimy zatem, że mioglobina wykazuje większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina i dlatego, mioglobina jest odpowiedzialna za magazynowanie tlenu, a hemoglobina za jego transport.
 

Kooperatywne wiązanie atomów tlenu

Tetrametryczna budowa hemoglobiny pozwala na większą wydajność dostarczania tlenu niż gdybyśmy mieli do czynienia z pojedynczym, niezależnym łańcuchem-bowiem struktura ta sprawia, że związanie tlenu z jednym hemem umożliwia związanie cząsteczki tlenu z drugim hemem znajdującym się w tej samej cząsteczce i na odwrót, uwolnienie jednej grupy hemowej ułatwia uwalnianie tlenu z pozostałych grup hemowych. Taka zależność nie występuje w przypadku mioglobiny -zatem wiązanie przez nią tlenu jest niekooperatywne.


Efekt Bohra

Po uwolnieniu tlenu w tkankach hemoglobina bierze udział w transporcie dwutlenku węgla z tkanek do płuc, skąd jest usuwany podczas wydychania. Hemoglobina m.in. pełni również rolę układu buforowego organizmu. Wiąże ona protony (0,5 protona na jedną cząsteczkę tlenu ) co ułatwia utrzymanie stałego pH w tkankach aktywnych metabolicznie czyli mięśniach.
Obecność większych ilości dwutlenku węgla i protonów w naczyniach włosowatych (mięśniach) sprzyja uwalnianiu tlenu z utlenowanej hemoglobiny (proces dostarczania tlenu do tkanek), natomiast duże stężenie tlenu w naczyniach włosowatych pęcherzyków płucnych powoduje usunięcie protonów i dwutlenku węgla z hemoglobiny ( usuwanie dwutlenku węgla na zewnątrz organizmu -wydech ). Mioglobina -jest nieczuła na zmiany pH i obecność dwutlenku węgla.



Protony-mechanizm

Uwolnienie tlenu zwiększa powinowactwo pewnych miejsc w cząsteczce hemoglobiny do protonów -muszą być to grupy o pK około 7 , których otoczenie w nieutlenowanej hemoglobinie jest bardziej "ujemne" niż w hemoglobinie utlenowanej. Reszty te to: reszty histydyny 146 łańcucha beta i 122 łańcucha alfa oraz grupa alfa-aminowa łańcucha alfa.
Np.w utlenowanej hemoglobinie histydyna 146 ma swobodę rotacji, natomiast w nieutlenowanej hemoglobinie jej pierścień imidazolowy oddziałuje z ujemnie naładowaną resztą asparginianu 94 (znajduje się on w odcinku niehelikalnym FG tego samego łąńcucha beta). Bliskie sąsiedztwo ujemnie naładowanej grupy zwiększa wartość pK histydyny zwiększając zarazem jej powinowactwo do protonów.



Transport dwutlenku węgla

W metabolizmie tlenowym na jedną cząsteczkę tlenu przypada około 0,8 cząsteczki utworzonego dwutlenku węgla. Większa część powstałego dwutlenku węgla transportowana jest w postaci wodorowęglanu, który powstaje w erytrocytach w wyniku działania anhydrazy węglanowej. Wiele protonów powstałych w tej reakcji wiąże się z nieutlenowana hemoglobiną co stanowi część efektu Bohra. Pozostały dwutlenek węgla przenoszony jest przez grupy ?-aminowe hemoglobiny, które są zdolne do odwracalnego wiązania dwutlenku węgla w postaci karbaminianu.



Zmniejszanie powinowactwa hemoglobiny do tlenu przez BPG

Hemoglobina wewnątrz krwinki czerwonej wykazuje mniejsze powinowactwo do tlenu niż w wolnym roztworze ( w takich warunkach jej powinowactwo do tlenu jest takie same jak w mioglobinie) zatem wszystko wskazuje na obecność jakiejś trzeciej substancji. Występujący w krwinkach czerwonych 2,3-bisfosfoglicerynian zmniejsza powinowactwo hemoglobiny do tlenu (występuje on w erytrocytach w stężeniu odpowiadającym hemoglobinie). BMG zmniejsza powinowactwo nieutlenowanej hemoglobiny na skutek wiązania się z nią -natomiast utlenowana hemoglobina nie wiąże BMG. Jeden mol BMG wiąże się z hemoglobiną w stosunku 1:1. Wnika on do środkowej przestrzeni cząsteczki , gdzie wszystkie cztery podjednostki znajdują się blisko siebie. Cząsteczka w fizjologicznym pH ma prawie cztery ładunki ujemne i w tej środkowej przestrzeni cząsteczki hemoglobiny wiąże się ona z dodatnio naładowanymi grupami łańcuchów beta, które są zwrócone do wnętrza środkowej przestrzeni cząsteczki hemoglobiny . BPG stabilizuje strukturę czwartorzędowej nieutlenowanej hemoglobiny przez sieciowanie łańcuchów beta wiązaniamipoprzecznymi.
Podczas utlenowania środkowa przestrzeń cząsteczki hemoglobiny zmniejsza się, co wyklucza wiązanie cząsteczki BPG (zwęża się luka między heliksami H łańcuchów beta i zwieksza się odległość między grupami alfa-aminowymi.

 


 

Proces wiązania tlenu

W wyniku utlenowania hemoglobiny jej struktura czwartorzędowa ulega zmianie czyli hemoglobina nieutlenowana różni się strukturą od hemoglobiny nieutlenowanej. W utlenowanej hemoglobinie reszty aminokwasów na końcach C wszystkich czterech łańcuchów mają prawie całkowitą swobodę rotacji. W nieutlenowanej hemoglobinie reszty na końcach C są pozbawione tej możliwości gdyż grupy karboksylowe i łąńcuchy boczne aminokwasów na końcach C tworzą wiązania jonowe, które krępują tetrametr-stąd cząsteczka nieutlenowanej hemoglobiny jest bardziej napięta i skrępowana niż hemoglobiny utlenowanej i zwana jest ona formą T (taut, tense-napięta), natomiast struktura utlenowanej hemoglobiny -formą R (relaxed-rozluźniona).
Forma T jest stabilizowana przez:

  • tworzone wiązania jonowe przez reszty aminokwasowe na końcach C
  • wiązania jonowe tworzone w wyniku wiązania dwutlenku węgla w formie karbinianu
  • wiązania poprzeczne powstałe w wyniku wiązania BPG
    Forma ta wykazuje mniejsze powinowactwo do tlenu!!!

     

Mechanizm utlenowania

W nieutlenowanej hemoglobinie atom żelaza jest wysunięty o około 0,04 nm z płaszczyzny pierścienia porfiryny w stronę histydyny proksymalnej, tw ten sposób, że grupa hemowa jest uwypuklona w tym samym kierunku. Podczas utlenowania atom żelaza, tworząc silne wiązanie z tlenem, wsuwa się w pierścień porfiryny, a hem staje się bardziej płaski. Wsuwając się w pierścień porfiryny atom żelaza pociąga za sobą histydynę proksymalną. Zmiana położenia histydyny F8 powoduje przesunięcie heliksy F i odcinków niehelikalnych EF i FG . Te zmiany konformacyjne są z kolei przekazywane do rejonu oddziaływań między podjednostkami wskutek czego dochodzi do zerwania między łańcuchowych wiązań jonowych czyli przejście białka w formę R. Zostają zerwane wiązania karbinianowe (przesunięcie równowagi w lewo),wiązania poprzeczne tworzone przez BPG oraz wiązania jonowe tworzone przez reszty aminokwasowe końców C.
Zmiana strukturalna w obrębie jednej podjednostki wywołuje zmiany strukturalne w rejonach oddziaływań między podjednostkami. Informacja o związaniu tlenu przez jedną grupę hemową jest w ten sposób przenoszona do fragmentów cząsteczki, znajdujących się w dużej odległości od miejsca wiązania !!!

Model sekwencyjny
Każda podjednostka może występować tylko w dwóch formach -R i T. Przejście konformacyjne podjednostki z formy T do R wywołane jest związaniem liganda przez tą jednostkę . Zmiana konformacyjna wprowadzona wiązaniem liganda do jednej podjednostki powoduje zwiększenie powinowactwa wiązania ligandu przez inne podjednostki. Podjednostka w formie R ma większe powinowactwo do liganda niż podjednostka w formie T sąsiadująca z podjednostką T.

Model jednoprzejściowy
Białko może występować w jednej z dwu konformacji -R i T. Wszystkie podjednostki tego białka muszą występować w jednej w formie T lub muszą wszystkie występować w formie R. Forma T wykazuje małe powinowactwo do substratu, forma R -duże. Wiązanie każdego liganda zwiększa prawdopodobieństwo, że wszystkie podjednostki danej cząsteczki są w formie R. Przejście allosteryczne jest jednoprzejściowe, ponieważ zachodzi jednocześnie we wszystkich podjednostkach.

 

Artykuł napisał:

Ćma
 

Literatura:
L.Stryer "Biochemia" PWN Warszawa

Czytany 11183 razy Ostatnio zmieniany środa, 07 grudnia 2011 20:21
Zaloguj się, by skomentować
  1. kredyty kłodzko
  2. Kłodzko, ul. Czyszczenie BIK Ubezpieczenia w Kłodzku.

    operatorbankowy.pl