Oleksyszyn, Biochemia I, HEMOGLOBINA.pdf

H E M O G L O B I N A

1. Hemoglobina – jedno z najlepiej poznanych białek, zarówno od strony budowy jak i

funkcji.

Badania nad strukturą trwały blisko 30 lat i uwieńczone zostały przyznaniem Nagrody Nobla m.in. Maxowi

Perutzowi, który jest ponadto głównym autorem koncepcji mechanizmu jej funkcjonowania. Znanych jest

równieŜ szereg tzw. patologicznych hemoglobin, tzn. Hb, które nie wypełniają swojej funkcji. Wyjaśnienie

przyczyn utraty lub upośledzenia funkcji takich hemoglobin na poziomie molekularnym dobitnie wskazuje na

istnienie ścisłej zaleŜności pomiędzy strukturą a funkcją białek.

2. Hemoglobina (Hb) – białko o strukturze czwartorzędowej, zbudowane z czterech

łańcuchów polipeptydowych, parami identycznych; w okresie Ŝycia osobniczego powstaje

kilka prawidłowych rodzajów hemoglobiny: Hb Gower1 - x 2 e 2 - embrionalna, Hb F - a 2 g 2 -

płodowa, Hb A -

- główna Hb dorosłego organizmu (97%), Hb A 2 -

m, 4.2 –

6.2x10 6 /mm 3 krwi, przeŜywalność około 120 dni); stęŜenie Hb w erytrocycie wynosi min.

około 33% (5 mM), co daje 12 – 18% jej stęŜenia we krwi i jak na białko jest bardzo

wysokim stęŜeniem (stęŜenie głównego białka surowicy krwi, albuminy, wynosi około 4%).

3. Hb A – tetrametr zbudowany z dwóch identycznych łańcuchów a (141 ak., N – val, C –

arg, 7 odcinków

f = 7.3 m

146

ak, N – val, C – his, 8 odcinków heliakalnych A – H); cztery łańcuchy ułoŜone są w stosunku

do siebie tak, jakby znajdowały się w wierzchołkach czworościanu tworząc układ

przestrzenny dwóch protomerów ab o dwukrotnej osi symetrii stabilizowany

oddziaływaniami hydrofobowymi i elektrostatycznymi, z których największa ilość występuje

między łańcuchami

helikalnych – A, B, C, E, F, G, H) i dwóch identycznych łańcuchów

b (

b 2 tworzącymi protomery; M W 65 kDa.

4. Hemoglobina – białko złoŜone – kaŜdy łańcuch polipeptydowy Hb wiąŜe hem, związek

organiczny wykazujący powinowactwo do tlenu – protoporfiryna IX z centralnie

skoordynowanym jonem Fe +2 przez 4 azoty piroli i azot histydyny w pozycji 8 odcinka F (His

F8), w 6-tej pozycji koordynacyjnej jonu Fe +2 moŜe wiązać się O 2 , fizjologiczny ligand tego

białka; deoksyhemoglobina [Hb] – hemoglobina nieutlenowana i oksyhemoglobina [Hb(O 2 ) n ]

– hemoglobina utlenowana; methemoglobina – hemoglobina z jonem Ŝelaza na +3 st.utl.

[Hb(Fe +3 )] – nie ma zdolności wiązania O 2 ; globina – część białkowa Hb, hemina –

protporfiryna IX ze skoordynowanym jonem Fe +3 – tworzy się natychmiast po odszczepieniu

hemu od globiny (utlenienie tlenem jonu Fe +2 ).

5. Hemoglobina – jedyne w zasadzie (oprócz mioglobiny – Mb) białko organizmów wyŜszych

charakteryzujących się zdolnością odwracalnego wiązania tlenu – główna funkcja Hb to

transport tlenu z płuc do tkanek aerobowego organizmu; przy ciśnieniu parcjalnym tlenu

panującym w płucach – 90 mmHg (torów) = 12kPa [1 tor = 0.133 kPa] w 1 dm 3 osocza

rozpuszcza się 2.8 cm3O2 (4.1 mg, 1.3x10 -4 M), co pozwala na transportowanie w ten sposób

30g tlenu (~21 dm 3 )/dobę; 1g HbA wiąŜe ok. 1.35 cm3 O 2 , co przy średnim jej stęŜeniu we

krwi 150g/dm 3 daje ponad 200 cm3 O 2 (285 mg, 8.9x10 -3 M) w 1 dm 3 krwi (ocenę efektywności

wysycania krwi tlenem umoŜliwia porównania stęŜenia tlenu w powietrzu, które w

najlepszych warunkach wynosi ok. 20% tzn. w 1 dm 3 powietrza znajduje się 200 cm 3 O 2 );

dzi ę ki obecno ś ci Hb we krwi nast ę puje bardzo efektywne, około 70-ciokrotnie wy Ŝ sze

nasycenie jej tlenem z powietrza, co pozwala na transportowanie do tkanek około 600 dm 3

O 2 na dob ę .

a 1

b 1

oraz

a 2

a 2 d 2 - dorosłego

organizmu (2-3%); Hb powstaje w erytroblastach i retikulocytach, prekursorach dojrzałych

erytrocytów, które pozbawione są z jednej strony jądra, a więc niezdolne do prowadzenia

biosyntezy białka, a ponadto mitochondriów, co uwalnia je od głównego miejsca tlenowego

metabolizmu, przez co stają się jakby „pojemnikami” wypełnionymi Hb (

a 2 b 2

6. Analiza budowy hemoglobiny i mioglobiny: badania rentgenograficzne kryształów tych

białek ujawniły podobieństwo trzeciorzędowej struktury poszczególnych łańcuchów Hb

(zwłaszcza

b - 146

ak, 8 odcinków

a -

helikalnych, M w ~ 16.5 kDa) i Mb (153 ak, 8

helikalnych, M w 17.3 kDa), a ich charakterystyczną postać określa się mianem

„zwinięcia globinowego” (globin fold) – 7 lub 8 odcinków

a -

- helikalnych przedzielonych

fragmentami o nieregularnej strukturze drugorzędowej zorganizowanych w splot

stabilizowany oddziaływaniami hydrofobowymi i elektrostatycznymi bez udziału mostków

dwusiarczkowych i tak uformowany, Ŝe tworzy się hydrofobowa nisza, kieszeń, w której

pomiędzy odcinkami E i F lokalizuje się hem – grupa prostetyczna nadająca tym białkom

funkcję; porównanie składu aminokwasowego i struktury pierwszorzędowej ujawnia

natomiast znaczne róŜnice – łańcuchy a

mają 64 identyczne pozycje ak, łańcuchy a, b i

Mb mają zaledwie 28 identycznych pozycji, z których jednakŜe znaczna część

odpowiedzialna jest za wiązanie i oddziaływania z hemem (w tym tzw. histydyny

proksymalna F8 – His F8 i dystalna E7 – His E7), czyli zasadnicza ze względu na funkcję;

wiele z róŜniących się pozycji jest wynikiem podstawień o charakterze konserwatywnym –

aminokwasy w tych pozycjach choć nie są identyczne, to jednak mają podobne właściwości

fizykochemiczne; przykład ten pokazuje, Ŝ e białka o podobnych wy Ŝ szych szczeblach

(poziomach) organizacji i funkcjach mog ą by ć uzyskiwane z wykorzystaniem znacznie

ró Ŝ ni ą cych si ę sekwencji aminokwasowych, cho ć niew ą tpliwie z rygorystycznym zachowaniem

elementów i rozwi ą za ń niezb ę dnych dla osi ą gni ę cia zamierzonych celów.

7. Analiza krzywych wysycenia hemoglobiny i mioglobiny ligandem (tlenem):

- Y (stopień wysycenia = stosunek stęŜenia miejsc ze związanym O 2 do stęŜenia

wszystkich miejsc zdolnych do wiązania O 2 ) jako funkcja pO 2 (ciśnienia parcjalnego

tlenu)

- P 50 – miara powinowactwa Mb lub Hb do O 2 – ciśnienie parcjalne, przy którym 50%

potencjalnych miejsc wiąŜących tlen jest nim wysycone

a) Mb – zaleŜność hiperboliczna,

b) Hb – zaleŜność sigmoidalna (esowata),

c) wykazanie przewagi Hb nad Mb w odniesieniu do transportu tlenu z płuc

do metabolizujących tkanek,

d) interpretacja przebiegu krzywych w oparciu o równowagowy proces

wiązania liganda (tlenu) do białka (charakteryzującego się określonym

powinowactwem – P 50 ) i jego oddysocjowywania jako funkcji stęŜenia

liganda (pO 2 ) – sigmoidalny przebieg krzywej wysycenia Hb tlenem

wskazuje na występowanie wzrastającego powinowactwa Hb do tlenu w

miarę wiązania do niej kolejnych cząsteczek O 2 , co świadczy o istnieniu w

tym przypadku tzw. kooperatywno ś ci dodatniej ,

e) zaleŜność Hilla (wykres w układzie logarytmicznym) – wyznaczanie

wartości współczynnika Hilla:

Mb – n H = 1 – brak oddziaływań pomiędzy miejscami wiąŜącymi O 2 ,

kaŜda cząsteczka Mb (jedno miejsce wiązania O 2 ) oddziaływuje z

tlenem niezaleŜnie od pozostałych

Hb – n H = ~ 2.8 – taka wartość współczynnika Hilla (n H >0) świadczy,

Ŝe mamy do czynienia ze zjawiskiem kooperatywno ś ci dodatniej, czyli

wyst ę powaniem oddziaływa ń pomi ę dzy miejscami wi ąŜą cymi O 2 , nie s ą

one od siebie niezale Ŝ ne

– zwi ą zanie cz ą steczki tlenu sprzyja wi ą zaniu nast ę pnych i na odwrót

oddysocjowanie cz ą steczki O 2 ułatwia odł ą czanie si ę dalszych

8. Hemoglobina – białko allosteryczne: zjawisko kooperatywności w oddziaływaniu białka z

ligandem najczęściej znamionuje występowanie zjawiska allosterii, czyli zmian aktywności

i b

odcinków

białka wywoływanym działaniem czynników (efektorów allosterycznych) wiąŜących się

odwracalnie z białkiem w miejscach innych niŜ miejsce określające jego funkcję (miejsce

aktywne); w przypadku Hb cztery miejsce aktywne, kaŜde zaopatrzone w hem wiąŜą O 2 , a

efektorami allosterycznymi są H + , CO 2 i BPG (2,3 – bisfosfoglicerynian) wiąŜące się z nią w

zupełnie innych miejscach cząsteczki

- białka allosteryczne występują w co najmniej dwóch róŜnych formach

konformacyjnych, kaŜda odpowiadająca innemu stanowi o jego aktywności:

½ forma T jest nieaktywna lub posiada niską aktywność (powinowactwo do liganda)

½ forma R charakteryzuje się wysoką aktywnością lub powinowactwem do liganda

- formy konformacyjne białka allosterycznego pozostają w równowadze (T

R),

której stan określony jest poprzez:

½ stęŜenie zasadniczego liganda – efekty homotropowe (np. O 2 dla Hb) oraz

½ stęŜenia efektorów allosterycznych – efekty heterotropowe (np. BPG czy H + dla

Hb)

aktywator allosteryczny przesuwa równowagę w kierunku formy R – T

R , a

inhibitor allosteryczny w kierunku formy T – T Û R; H + , CO 2 i BPG s ą

inhibitorami allosterycznymi Hb , gdyŜ przesuwają równowagę T (deoksyHb)

(oksyHb) w kierunku T , czyli inaczej mówiąc stabilizują formę deoksyHb

9. Hemoglobina – mechanizm kooperatywnego wi ą zania tlenu – pomimo braku

bezpośredniego kontaktu ze sobą poszczególnych hemów, wzrost ich powinowactwa do tlenu

wywołany związaniem pierwszej cząsteczki O 2 do Hb wynika ze zmiany jej konformacji i

przejścia od deoksyHb(T) ⇒ oksyHb(R) kolejno poprzez:

a) wsunięcie się jonu Fe +2 w płaszczyznę tetrapirolu, pociągnięcie związanej z nim

His F8 i w efekcie zmianę połoŜenia całej helisy F – zmiany struktury

trzeciorz ę dowej poszczególnych ła ń cuchów

b) zerwanie oddziaływań pomiędzy naroŜami FG łańcuchów

a 1,2 i

b 1,2

i leŜącymi

naprzeciw nich odcinkami helis C odpowiednio łańcuchów

b 2,1

a 2,1

i w

względem siebie o około 15 0 –

zmiany struktury czwartorz ę dowej deoksyHb stabilizowanej m. in. przez te

oddziaływania, jak i przez wi ą zanie BPG (wiązany przez łańcuchy typu

a 1 b 1

a 2 b 2

centrum cząsteczki Hb)

c) utrata struktury deoskyHb(T) i przechodzenie do drugiej formy konformacyjnej

oksyHb(R) charakteryzującej się około 100 razy wyŜszym powinowactwem do

tlenu; wysyceniu Hb tlenem towarzyszy uwalnianie BPG, a takŜe H + i CO 2

10. Hemoglobina – efekt Bohra – wpływ szczególnie jonów H + na powinowactwo Hb do

tlenu – wzrost stęŜenia protonów, produkowanych intensywnie przez metabolizujące tkanki,

zmniejsza stopień wysycenia Hb tlenem przy tym samym jego ciśnieniu parcjalnym, co w

efekcie sprzyja dostarczaniu do tkanek większej ilości transportowanego tlenu (analiza

krzywych wysycania Hb tlenem przy róŜnych stęŜeniach H + ):

a) za efekt Bohra odpowida w największym stopniu łańcuch boczny (imidazol) N –

końcowej histydyny łańcuchów

czyli His 146, który w deoksyHb wiąŜe proton,

dzięki czemu tworzy wiązanie jonowe z łańcuchem bocznym (zjonizowana grupa

karboksylowa) asparaginianiu Asp 94 tego samego łańcucha; wiązanie to naleŜy

do zespołu wiązań jonowych stabilizujących strukturę deoksyHb(T),

oksyHb jest „mocniejszym kwasem” – na mol O 2 wiązanego przez deoksyHb,

powstająca oksyHb uwalnia około 0,7 mola H +

b) w wyniku metabolizmu tlenowego w tkankach powstają duŜe ilości CO 2 ; wzrost

jego stęŜenia, podobnie jak protonów, zmniejsza powinowactwo Hb do tlenu, czyli

wspomaga oddawanie przez oksyHb tlenu w tkankach (analiza krzywych

wysycania Hb tlenem przy róŜnych stęŜeniach CO 2 ); CO 2 reaguje z grupami

kosekwencji rotacja protomerów

tworząc

tzw . karbaminiany ( -NH-COO - ), przez co równieŜ stabilizuje deoksyHb(T)

11. Hemoglobina – BPG i jego znaczenia dla funkcjonowania Hb:

a) adaptacja do duŜych wysokości (niskiego ciśnienia) – w ciągu kilku pierwszych

dni pobytu na duŜych wysokościach w erytrocytach następuje wzrost produkcji i w

efekcie stęŜenia BPG, co powoduje przesunięcie równowagi deoksyHb

oksyHb

w kierunku deoksyHb i zwiększa ilość tlenu dostarczanego tkankom (analiza

krzywych wysycania Hb tlenem przy róŜnych stęŜeniach BPG)

b) HbF – przykład Hb, w której łańcuchy typu

są identyczne jak w HbA, natomiast

; HbF wykazuje większe

powinowactwo do tlenu, przy tym samym stęŜeniu BPG, co spowodowane jest

słabszym wiązaniem tego efektora (w łańcuchach

występują łańcuchy typu

występuje seryna w miejscu

jednej z naładowanych dodatnio i oddziaływujących z BPG histydyn łańcuchów

oksyHb w kierunku

oksyHb; ułatwia to przekazywanie tlenu z krwi matki do krwi płodu

12. Hemoglobina – utrata funkcji:

a/ wiązanie tlenku węgla (CO) - jako produkt niekompletnego utlenienia wielu

powszechnie uŜywanych paliw naleŜy do najczęściej występujących substancji

toksycznych zagraŜających człowiekowi; CO jest bardzo efektywnie wiązany przez

hem w tym i hem w Hb będąc silnym konkurentem dla tlenu - wolny hem ma około

25.000razy większe powinowactwo do CO niŜ do O 2 ; dzięki róŜnicy w geometrii

wiązania O 2 i CO oraz otoczeniu jakie stwarza wokół hemu łańcuch polipeptydowy

globiny - zawady przestrzenne ValE11 i HisE7 utrudniające wiązanie CO -

powinowactwo hemu w Hb do CO zmniejsza si ę znacznie i jest tylko około 200 razy

wi ę ksze ni Ŝ do tlenu ; CO powstaje w organizmie w trakcie degradacji właśnie hemu

ale dzięki zmniejszeniu powinowactwa tylko około 1% miejsc wiąŜących w Hb

wysyconych jest tą groźną substancją toksyczną co nie stanowi juŜ dla organizmu

zagroŜenia;

CO jest „kompetycyjnym antagonist ą ”, wi ąŜą c si ę w tym samym miejscu co O 2

wywołuje efekt homotropowy i nawet w niewielkich ilo ś ciach przesuwa wyra ź nie

równowag ę deoksyHb ⇒ oksyHb w kierunku formy utlenowanej i stabilizuj ą c j ą

utrudnia oddawanie tlenu

b/ utlenienie jonu Fe +2 do Fe +3 - hemoglobina z jonem Fe +3 - methemoglobina - nie

jest w stanie pełnić swojej funkcji gdyŜ nie wiąŜe tlenu; organizm zabezpieczony

jest przed procesem utleniania Fe +2 do Fe +3 poprzez niesprzyjające tej reakcji

środowisko w jakim znajduje się hem (struktura zwinięcia globinowego z

hydrofobowym centrum - patrz niŜej na przykłady methemoglobinemii)

i redukując Fe +3 do Fe +2 przy pomocy enzymu reduktazy methemoglobiny oraz

wykorzystując do tego celu zredukowany glutation (GSH - waŜna rola w

erytrocycie nie tylko w utrzymywaniu w stanie zredukowanym grup -SH waŜnych

białek ale i Ŝelaza hemowego) oraz witaminę C (askorbinian)

c/ HEMOGLOBINOPATIE - wykryto około 400 mutantów Hb, których funkcja jest

upośledzona (nieefektywnie transportują tlen) i w związku z tym noszą nazwę

hemoglobin patologicznych; dzielimy je ze względu na miejsce występowanie

mutacji na kilka grup:

¡ mutacje na powierzchni Hb: rzadko kiedy pociągają konsekwencje

kliniczne, wyjątek stanowi Hb niedokrwistości sierpowatej tzw. Hb S -

wymiana Glu w pozycji 6 łańcuchów

HbA na Val tworzy tzw. lepkie

miejsca na powierzchni HbS sprzyjające tworzeniu przez odtlenowaną Hb S

(deoksyHbS) liniowych agregatów nadających erytrocytom sierpowaty

aminowymi, zwłaszcza N – końcowymi grupami –NH 2 łańcuchów typu

w miejsce łańcuchów typu

, a co za tym idzie, przesunięciem równowagi deoksyHb

kształt co prowadzi do zaczopowywania naczyń krwionośnych, destrukcji

erytrocytów, niedokrwistości i wszelkich tego konsekwencji;

homozygotyczność Hb S (SS) jest letalna; występowanie

heterezygotyczności Hb S (AS) w niektórych rejonach świata (Afryka) jest

wyrazem adaptacji do warunków środowiskowych - sprzyja obronie

organizmu przed malarią

¡ mutacje powodujące destabilizacje trzeciorzędowej struktury łańcuchów

Hb; Hb Savannah - wymiana Gly B6

Val, zaburza dopasowanie helis B

i E

¡ mutacje powodujące destabilizację czwartorzędowej struktury Hb; np. Hb Y

(Yakima) - wymiana Asp G1

His, utrata wiązania wodorowego

stabilizującego deoksyHb(T), Hb Y ma wysokie powinowactwo do tlenu -

P 50 = 12 torów a n H = 1; Hb K (Kansas) - wymiana Asn G4

Thr, utrata

wiązania wodorowego stabilizującego oksyHb(R), Hb K ma niskie

powinowactwo do tlenu - P 50 = 70 torów a n H = 1,3

¡ mutacje powodujące destabilizację miejsca wiązania hemu : hem ulega

wypłukaniu a cz ą steczki globiny agreguj ą tworz ą c tzw. ciałka Heinza i

wypadaj ą z roztworu (np. Hb Hammersmith - gdzie wymiana Phe CD4

Ser ułatwia wejście wody do niszy hemu) lub Ŝ elazo wyst ę puje w postaci

jonu Fe +3 i nie poddaje si ę standardowej redukcji (methemoglobinemie -

stabilne methemoglobiny jak np. Hb Boston gdzie HisE7 wymieniona jest

na Tyr lub Hb Milwaukee, w której zamiast ValE11 znajduje się Glu)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: