Fragment notatki:
H E M O G L O B I NA
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 - ξ2ε2 - embrionalna, Hb F - α2γ2 płodowa, Hb A - α2β2 - główna Hb dorosłego organizmu (97%), Hb A2 - α2δ2 - 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 (φ = 7.3 µm, 4.2 –
6.2x106/mm3 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 α (141 ak., N – val, C –
arg, 7 odcinków α helikalnych – A, B, C, E, F, G, H) i dwóch identycznych łańcuchów β (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 αβ o dwukrotnej osi symetrii stabilizowany
oddziaływaniami hydrofobowymi i elektrostatycznymi, z których największa ilość występuje
między łańcuchami α1 i β1 oraz α2 i β2 tworzącymi protomery; MW 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 O2, fizjologiczny ligand tego
białka; deoksyhemoglobina [Hb] – hemoglobina nieutlenowana i oksyhemoglobina [Hb(O2)n]
– hemoglobina utlenowana; methemoglobina – hemoglobina z jonem Ŝelaza na +3 st.utl.
[Hb(Fe+3)] – nie ma zdolności wiązania O2; 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 dm3 osocza
rozpuszcza się 2.8 cm3O2 (4.1 mg, 1.3x10-4 M), co pozwala na transportowanie w ten sposób
30g tlenu (~21 dm3)/dobę; 1g HbA wiąŜe ok. 1.35 cm3O2, co przy średnim jej stęŜeniu we
krwi 150g/dm3 daje ponad 200 cm3O2(285 mg, 8.9x10-3 M) w 1 dm3 krwi (ocenę efektywności
wysycania krwi tlenem umoŜliwia porównania stęŜenia tlenu w powietrzu, które w
najlepszych warunkach wynosi ok. 20% tzn. w 1 dm3 powietrza znajduje się 200 cm3 O2);
dzięki obecności Hb we krwi następuje bardzo efektywne, około 70-ciokrotnie wyŜsze
nasycenie jej tlenem z powietrza, co pozwala na transportowanie do tkanek około 600 dm3
O2 na dobę.
2
6. Analiza budowy hemoglobiny i mioglobiny: badania rentgenograficzne kryształów tych
białek ujawniły podobieństwo trzeciorzędowej struktury poszczególnych łańcuchów Hb
(zwłaszcza β − 146 ak, 8 odcinków α − helikalnych, Mw ~ 16.5 kDa) i Mb (153 ak, 8
odcinków α − helikalnych, Mw 17.3 kDa), a ich charakterystyczną postać określa się mianem
„zwinięcia globinowego” (globin fold) – 7 lub 8 odcinków α - 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 α i β mają 64 identyczne pozycje ak, łańcuchy α, β 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, Ŝe białka o podobnych wyŜszych szczeblach
(poziomach) organizacji i funkcjach mogą być uzyskiwane z wykorzystaniem znacznie
róŜniących się sekwencji aminokwasowych, choć niewątpliwie z rygorystycznym zachowaniem
elementów i rozwiązań niezbędnych dla osiągnięcia zamierzonych celów.
7. Analiza krzywych wysycenia hemoglobiny i mioglobiny ligandem (tlenem):
- Y (stopień wysycenia = stosunek stęŜenia miejsc ze związanym O2 do stęŜenia
wszystkich miejsc zdolnych do wiązania O2) jako funkcja pO2 (ciśnienia parcjalnego
tlenu)
- P50 – miara powinowactwa Mb lub Hb do O2 – 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 – P50) i jego oddysocjowywania jako funkcji stęŜenia
liganda (pO2) – sigmoidalny przebieg krzywej wysycenia Hb tlenem
wskazuje na występowanie wzrastającego powinowactwa Hb do tlenu w
miarę wiązania do niej kolejnych cząsteczek O2, co świadczy o istnieniu w
tym przypadku tzw. kooperatywności dodatniej,
e) zaleŜność Hilla (wykres w układzie logarytmicznym) – wyznaczanie
wartości współczynnika Hilla:
Mb – nH = 1 – brak oddziaływań pomiędzy miejscami wiąŜącymi O2,
kaŜda cząsteczka Mb (jedno miejsce wiązania O2) oddziaływuje z
tlenem niezaleŜnie od pozostałych
Hb – nH = ~ 2.8 – taka wartość współczynnika Hilla (nH0) świadczy,
Ŝe mamy do czynienia ze zjawiskiem kooperatywności dodatniej, czyli
występowaniem oddziaływań pomiędzy miejscami wiąŜącymi O2, nie są
one od siebie niezaleŜne
– związanie cząsteczki tlenu sprzyja wiązaniu następnych i na odwrót
oddysocjowanie cząsteczki O2 ułatwia odłączanie się dalszych
8. Hemoglobina – białko allosteryczne: zjawisko kooperatywności w oddziaływaniu białka z
ligandem najczęściej znamionuje występowanie zjawiska allosterii, czyli zmian aktywności
3
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 O2, a
efektorami allosterycznymi są H+, CO2 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:
forma T jest nieaktywna lub posiada niską aktywność (powinowactwo do liganda)
forma R charakteryzuje się wysoką aktywnością lub powinowactwem do liganda
- formy konformacyjne białka allosterycznego pozostają w równowadze (T ⇔ R),
której stan określony jest poprzez:
stęŜenie zasadniczego liganda – efekty homotropowe (np. O2 dla Hb) oraz
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 ⇔ R; H+, CO2 i BPG są
inhibitorami allosterycznymi Hb, gdyŜ przesuwają równowagę T (deoksyHb) ⇔ R
(oksyHb) w kierunku T, czyli inaczej mówiąc stabilizują formę deoksyHb
9. Hemoglobina – mechanizm kooperatywnego wiązania tlenu – pomimo braku
bezpośredniego kontaktu ze sobą poszczególnych hemów, wzrost ich powinowactwa do tlenu
wywołany związaniem pierwszej cząsteczki O2 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
trzeciorzędowej poszczególnych łańcuchów
b) zerwanie oddziaływań pomiędzy naroŜami FG łańcuchów α1,2 i β1,2 i leŜącymi
naprzeciw nich odcinkami helis C odpowiednio łańcuchów β2,1 i α2,1 i w
kosekwencji rotacja protomerów α1β1 i α2β2 względem siebie o około 150 –
zmiany struktury czwartorzędowej deoksyHb stabilizowanej m. in. przez te
oddziaływania, jak i przez wiązanie BPG (wiązany przez łańcuchy typu β w
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 CO2
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 β, 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 O2 wiązanego przez deoksyHb,
powstająca oksyHb uwalnia około 0,7 mola H+
b) w wyniku metabolizmu tlenowego w tkankach powstają duŜe ilości CO2; 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 CO2); CO2 reaguje z grupami
4
aminowymi, zwłaszcza N – końcowymi grupami –NH2 łańcuchów typu α 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 α są identyczne jak w HbA, natomiast
w miejsce łańcuchów typu β występują łańcuchy typu γ; HbF wykazuje większe
powinowactwo do tlenu, przy tym samym stęŜeniu BPG, co spowodowane jest
słabszym wiązaniem tego efektora (w łańcuchach γ występuje seryna w miejscu
jednej z naładowanych dodatnio i oddziaływujących z BPG histydyn łańcuchów
β), a co za tym idzie, przesunięciem równowagi deoksyHb ⇔ 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 O2; dzięki róŜnicy w geometrii
wiązania O2 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 się znacznie i jest tylko około 200 razy
większe niŜ 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 antagonistą”, wiąŜąc się w tym samym miejscu co O2
wywołuje efekt homotropowy i nawet w niewielkich ilościach przesuwa wyraźnie
równowagę deoksyHb ⇒ oksyHb w kierunku formy utlenowanej i stabilizując ją
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 β HbA na Val tworzy tzw. lepkie
miejsca na powierzchni HbS sprzyjające tworzeniu przez odtlenowaną Hb S
(deoksyHbS) liniowych agregatów nadających erytrocytom sierpowaty
5
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 β → Val, zaburza dopasowanie helis B
iE
mutacje powodujące destabilizację czwartorzędowej struktury Hb; np. Hb Y
(Yakima) - wymiana Asp G1 β → His, utrata wiązania wodorowego
stabilizującego deoksyHb(T), Hb Y ma wysokie powinowactwo do tlenu P50 = 12 torów a nH = 1; Hb K (Kansas) - wymiana Asn G4 β → Thr, utrata
wiązania wodorowego stabilizującego oksyHb(R), Hb K ma niskie
powinowactwo do tlenu - P50 = 70 torów a nH = 1,3
mutacje powodujące destabilizację miejsca wiązania hemu: hem ulega
wypłukaniu a cząsteczki globiny agregują tworząc tzw. ciałka Heinza i
wypadają z roztworu (np. Hb Hammersmith - gdzie wymiana Phe CD4 β →
Ser ułatwia wejście wody do niszy hemu) lub Ŝelazo występuje w postaci
jonu Fe+3 i nie poddaje się 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)
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)