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Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos (Voet Kapitel 9)

1. Funktion des Hämoglobins

2. Struktur und Mechanismus

3. Anormale Hämoglobine

4. Allosterische Regulation

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1. Funktion des Hämoglobins

Sauerstoff wird zur Energiegewinnung gebraucht. In kleinen Organismen gelangt O2 durchDiffusion zum Gewebe. In grossen Organismen (Schichtdicke der Gewebe >1mm) aktiverTransport nötig (Löslichkeit des O2 zu niederig). Sauerstoff bindende Proteine haben sich entwickelt. Hämoglobin = Hb (Fe mit Häm), Hämocyanin (Cu haltig), Hämerythrin (Fe haltig, ohne Häm). Fische der Antarktis einzige Vertebraten ohne Hämoglobin. O2 ist bei -1.9°Causreichend löslich, deshalb haben diese Fische farbloses Blut.Myoglobin = Mb in Muskel erleichtert O2 transport in arbeitendem Muskel und dient inWassersäugern als O2 Speicher.

A. HämMb und jede der 4 Untereinheiten von Hb enthalten nichtkovalent gebundenes Häm, das auch in Cytochromen vor-kommt.Oxygenierung ändert Elektonenkonfiguation von Häm-Fe(II) Farbwechsel des Blutes von dunkel purpur (venösesBlut) zu leuchtend rot (arterielles Blut).CO, NO, H2S binden besser als O2 ToxizitätOxidation von Fe(II) zu Fe(III) Methämoglobin (MetHb)Metmyoglobin (MetMb). Keine Bindung von O2, H2O sättigtFe(III) ab braune Farbe von trockenem BlutIn Erythrocyten reduziert Methämoglobinreduktase Fe(III) zuFe(II).

Häm

His Rest

U.Albrecht BC1Absorptionsspektrum des oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobins

Scharlachrot

Purpur

U.Albrecht BC1B. Sauerstoffbindung

Hämoglobin bindet O2 kooperativ. Die Hill-Gleichung beschreibt die sigmoidale O2-Bindungskurve von Hämoglobin.

Ys = [S]

[S]K +

n

n

Ys = Sättigungsgrad

K = Dissoziationskonstante (p50)

S = Ligandkonz., hier pO2

n = Hill-Koeffizient

n = 1 nicht kooperative Bindung wie in Myoglobinn > 1 pos. kooperativ wie in Hämoglobinn < 1 neg. kooperativ

hyperbolische Bindungskurve mit demselben p50 wie Hb

2.8

U.Albrecht BC1Graphische Auswertung der Hill-Gleichung

logYO2

1-YO2= nlogpO2 - nlogp50

Hill-Auftragung

pO2 = p50

Hill-auftragung für Mb und Hb (doppelt logarhythmisch)

30 Torr0.3 Torr viertes O2 bindet mit 100höherer Affinität an Hämo-globin als erstes O2

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N

N NFe

picked fence - Fe(II)-Porphyrin-Komplex

Globin verhindert die Autoxidation von Oxy-Häm

Häm-Fe(II) bindet O2 und wirdoxidiert zu Häm-Fe(III) Intermediat entsteht von 2 ver-bundenen Häm-Molekülen übereine Fe-O2-Fe Brücke. O2 istirreversibel gebunden.Picked Fence mit methyliertenImidazol Ringen verhindert dass2 Häm sich anlagern können, dieFe-O2-Fe Brücke kann sich nichtausbilden. Globinproteine erfüllen diese Funktion in Mb und Hb.

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C. Kohlendioxidtransport und Bohr-Effekt

Hb transportiert neben O2 auch CO2 im Blut.O2 Bindung (physiolog. pH) Konformationsänderung von Hb (nicht aber Mb).Acidität von Hb erhöht sich und Protonen werden freigesetzt. Wenn diese Protonen

durch erhöhen des pH abge-fangen werden Erhöhungder O2 Bindungskapazität.= Bohr-Effekt

Der Bohr-Effekt erleichtert den O2 TransportAus O2 wird CO2 (gelöst). CO2 wirdzu Hydrogencarbonat (langsameReaktion). Wird in Erythrocyten be-schleunigt von Carboanhydrase).CO2 wird im Blut als Hydrogen-carbonat transportiert (kein ausperlenvon CO2 möglich).

Gewebe pO2 niedrigLunge pO2 hoch

arbeitender Muskel pH tiefermehr O2 wird abgegeben.

Einfluss des pH auf die O2-Bindungskurve des Hb

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CO2 und Chlorid-Ionen modulieren die O2 - Affinität des Hämoglobins

CO2 bildet mit der N-terminalen Aminogruppen der Plasmaproteine ein Carbamat.

R-NH2 + CO2 R-NH-COO + H_ +

CO2 kann somit die Konformation von Hb beeinflussen was die O2-Affinitätbeeinflusst. DesoxyHb bindet mehr CO2 als OxyHb.

Cl wird auch von DesoxyHb fester als von OxyHb gebunden (siehe später).

HCO3 passiert die Erythrocytenmembran ungehindert (in Gleichgewicht mitPlasma). Elektroneutralität bedingt bei einem verlassen von Hydrocencarbonat Iondass im Gegenzug negative Ladung in Erythrocyt kommt. Dies ist Cl . Deshalb hat venöses Blut eine höhere Chlorid Konzentration als arterielles.

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D. Bedeutung von BPG für die O2 - Bindung

Gereinigtes Hb hat höhere Affinität zu O2 als Vollblut. Unter anderem ist dafürD-2,3-Bisphosphoglycerat (BPG= 2,3 DPG) verantwortlich. BPG bindet stärker an DesoxyHb als an OxyHb. Es stabilisiert DesoxyHb. Selbe Funktion hat bei Vögeln Inositolhexakisphosphat (IHP) und bei Fischen und Amphibien Adenosintriphosphat (ATP).

Modulation O2 Affinität von Hb in Säugern:

1) H2) CO2

3) Cl4) BPG

+

-

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Ohne BPG wird nur wenig O2 freige-setzt BPG erhöht p50 Wert

Einfluss von BPG und CO2 von isoliertem Hb im Vergleich zu Voll-blut

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Bei Höhenanpassung steigt die BPG-Konzentration an

Anpassung an Höhe führtzur Vermehrung von Erythrocyten. Nach einemTag ist bereits der AnstiegvonBPG zu beobachten,welches die Erythrocytennicht verlassen kann. Verminderung der O2

Bindungsaffinintät.

Anstieg von BPG auch inPatienten mit Hypoxie, z.B.Anämien, kardiopulmonareInsuffizienz

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Höhenadaption gewährleistet dass Sauerstoffver-sorgung sich nicht vermindert.

Fetales Hämoglobin (HbF) hat eine niedrige BPG-Affinitätund bindet O2 besser als mütter-liches Hämoglobin (HbA)O2 Versorgung des Fetus wirddadurch durch erst effizient.