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Lexikon der Biochemie: Hämoglobin

Hämoglobin, Hb, ein sauerstofftransportierendes Protein der Vertebraten, das für die rote Farbe des Bluts verantwortlich ist. Es liegt in den Erythrocyten (rote Blutkörperchen) als 34%ige Lösung vor und transportiert den Sauerstoff von der Lunge zu den anderen Geweben. Hb ist ein Tetramer, das aus zwei Polypeptidkettenpaaren und vier Hämgruppen besteht (Mr 64,5kDa). Bei einem Fe2+-Gehalt von 0,334% und einer Gesamtmenge von 950 g Hb im menschlichen Körper sind im Hb 3,5g oder 80 % des Gesamtkörpereisens enthalten. Das Hb des erwachsenen Menschen besteht zu 96,5-98,5% aus Hb A1 (α2β2) und zu 1,5-3,5% aus Hb A22δ2). Das Globin wird von mindestens sieben verschiedenen Strukturgenen kodiert, die auf den Chromosomen 11 und 16 als Cluster vorliegen.
Jedes haploide Genom weist zwei α-Gene auf, d. h. insgesamt sind vier α-Gene vorhanden. In der embryonalen Entwicklung treten drei Hb-Formen sehr früh auf: ξ2ε2 (Hb Gower), ξ2γ2 (Hb Portland) und α2ε2 (Hb Gower 2). Nach dem dritten Schwangerschaftsmonat werden die ξ- und ε-Polypeptide nicht mehr synthetisiert (Abb. 1), alle drei embryonalen Hämoglobine (Hb Es) verschwinden und werden durch das Fetalhämoglobin (Hb F, α2γ2) ersetzt. Die ξ-Kette kann als embryonale α-Kette betrachtet werden.
In funktioneller Hinsicht stellt die ε-Kette eine embryonale β-ähnliche Kette dar. Hb E und Hb F unterscheiden sich vom Adult-Hb durch ihre höhere O2-Affinität, die den Gasaustausch zwischen dem embryonalen und dem mütterlichen Blut ermöglicht. Alle Menschen und sogar die Schimpansen besitzen ein identisches Hämoglobin. Anomalien sind pathologisch und werden durch Punktmutationen hervorgerufen, die entweder zur Substitution von Aminosäuren oder – seltener – zu deren Verlust führen. Von den 153 bisher bekannten Anomalien gehen 87 auf Variationen der β-Kette zurück. Die häufigste und bekannteste ist das Sichelzellhämoglobin. Hämoglobinopathien.
Humane α-Ketten enthalten 141 und die β-Ketten 146 Aminosäurereste. Die Sequenzen des Human-Hämoglobins und die vieler anderer Vertebraten-Hämoglobine sind aufgeklärt. Die Tertiärstruktur der Hb-Ketten und die Quartärstruktur des gesamten tetrameren Moleküls wurde durch Röntgenstrukturuntersuchungen von Perutz bestimmt. Abgesehen von geringen Abweichungen, die sich aus den Unterschieden der Primärstruktur ergeben, sind die Hämoglobinketten ganz ähnlich wie das Myoglobinmolekül gefaltet. Auch die Fixierung der Hämgruppe über ihr Eisen(II)-Atom an zwei Histidinreste sowie über hydrophobe Wechselwirkungen in der Hämtasche entspricht der Anordnung im Myoglobin. Wesentlich komplizierter sind die – beim Myoglobin fehlenden – nichtkovalenten, vorwiegend hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Hämoglobinketten. Sie bilden besonders zwischen den α- und β-Ketten große hydrophobe Kontaktregionen, die die Grundlage für die Wechselwirkungen der vier räumlich getrennten Hämgruppen bei der reversiblen kooperativen Bindung von vier Sauerstoffmolekülen je Hämoglobinmolekül bilden.
Die hydrophoben Wechselwirkungen ermöglichen außerdem das Aufeinandergleiten der beiden αβ-Dimere während der O2-Beladung und -Abgabe. Dieser allosterische Effekt ist für die sigmoide O2-Bindungskurve des Hb verantwortlich. Das Fehlen kovalenter Bindungen zwischen den Hämoglobinketten kann durch reversible Dissoziation des Hb gezeigt werden. Bei pH 4 ist die Dissoziation asymmetrisch und es bilden sich α2 und β2. Bei pH 11, in 1M NaCl, ist sie symmetrisch und es entstehen zwei (αβ)-Einheiten. In der Gegenwart von p-Chlormercuribenzoat kommt es zur Dissoziation in Monomere. Medizinisch bedeutsam ist, dass die Affinität des Hämoglobins zum giftigen CO 325mal größer ist als zum O2.
Die einkettigen hämoglobinähnlichen Atmungspigmente bei Wirbellosen (Mr 16kDa) können aufgrund ähnlicher Primär- und Tertiärstrukturen zum Myoglobin und den α- und β-Ketten des Hb als Vorläufer des tetrameren allosterischen Hb angesehen werden. Eine Sonderstellung nimmt das in Hefen vorhandene Einkettenhämoglobin ein, da es außer Häm noch FAD enthält (Mr 50 kDa).
 Konformationszustände des Hämoglobins. Im Desoxyh. sind die vier Untereinheiten relativ fest miteinander assoziiert und die Ketten werden durch verschiedene nichtkovalente (ionische) Bindungen und durch hydrophobe Wechselwirkungen miteinander verbunden. Das Desoxyh. stellt die T-Form (von engl. taut, tight bzw. tense) dar. Die T-Form bildet acht wichtige ionische Bindungen (Salzbrücken; Abb. 2).
Im Desoxyh. liegen die vorletzten Tyr-Reste aller vier Ketten in einer hydrophoben Tasche zwischen den Helices F und H. Das Eisenatom der Hämgruppe befindet sich ungefähr 0,08nm außerhalb der Ebene des Porphyrinringsystems. Die Hämgruppen sind in den V-förmigen Taschen lokalisiert, die durch die Helices F und E gebildet werden. In den α-Untereinheiten befinden sich die Hämgruppen in offenen Taschen, die den Zutritt von O2 erlauben, während die Hämtaschen der β-Untereinheiten komprimierter sind und den Eintritt von O2 verhindern. Das Desoxyh. bindet in seiner zentralen Höhlung über Salzbrücken mit vier positiv geladenen Gruppen der beiden β-Ketten ein Molekül 2,3-Desoxyphosphoglycerat (Abb. 2).
Im Oxyh. sind die Untereinheiten weniger fest assoziiert, weshalb diese Konformation R-Form (von engl. relaxed) genannt wird. In der R-Form weisen die ionisierbaren Gruppen andere Dissoziationskonstanten auf und die Salzbrücken, die im Desoxyhämoglobin vorhanden sind, werden aufgebrochen. Die β-Untereinheiten lagern sich im Oxyh. enger zusammen, ihre Hämtaschen werden weiter und lassen O2 zu. Wenn das Eisen einer Hämgruppe Sauerstoff bindet, bewegt es sich um 0,8nm in die Ebene des Porphyrinrings hinein und zieht das His92 mit. 2,3-Diphosphoglycerat wird nicht gebunden (Abb. 3).
Während des Übergangs von der T- zur R-Form rotiert ein Untereinheitenpaar (α1β1) um 15° gegen das andere (α2β2). Die Rotationsachse ist exzentrisch, weshalb sich das α1β1-Paar auch leicht zur Achse hin bewegt (Farbtafel).
Die Fähigkeit des Hämoglobins, im Lungengewebe O2 zu binden und CO2 freizusetzen, im übrigen Gewebe dagegen den umgekehrten Prozess zu durchlaufen, erklärt sich aus einer reversiblen Verschiebung seiner O2-Affinität in Abhängigkeit von Acidität und CO2-Druck des umgebenden Gewebes (Bohr-Effekt). Verbunden ist dieses Phänomen mit der unterschiedlichen Affinität von Desoxyh. und Oxyh. zu Protonen. Oxyh. bindet keine H+-Ionen, Desoxyh. dagegen für 4O2-Moleküle je zwei Protonen. Während des Übergangs von Oxyh. zu Desoxyh. werden drei Paare negativ geladener (d. h. protonenbindender) Gruppen in eine stärker negative Umgebung überführt: Die resultierenden Erhöhungen des pK dieser Gruppen machen sie für die Bindung von Protonen verfügbar.
2,3-Diphosphoglycerat bindet nichtkovalent an Desoxyh., jedoch nicht an Oxyh. Im Desoxyh. ist ein DPG-Molekül mit den geladenen α-Aminogruppen, den N-terminalen Valinresten der beiden β-Ketten, verbunden. Auch andere β-Kettengruppen können möglicherweise zur DPG-Bindung beitragen. Das DPG verschiebt das Gleichgewicht zwischen Oxyh. und Desoxyh. + O2 auf die rechte Seite. Die molare Konzentration des DPG ist in den Erythrocyten ungefähr genauso groß wie die des Hämoglobins. Diese reicht aus, um die Dissoziationskurve nach rechts zu verschieben (Abb. 4): Hb(O2)4 + DPG

Hb . DPG + 4O2.
Die Erythrocyten-DPG-Konzentration kann sich als Antwort auf eine mangelhafte Sauerstoffversorgung der Gewebe verändern. Wenn z. B. die Luftzufuhr in den Bronchien begrenzt ist, wie bei obstruktivem Lungenemphysem, nimmt der O2-Druck des arteriellen Bluts ab. Dies wird durch eine Verschiebung der O2-Dissoziationskurve kompensiert, indem die Erythrocytenkonzentration des DPG von 4,5mM auf bis zu 8,0 mM zunimmt (Abb. 4). Das DPG spielt auch bei der Anpassung an größere Höhen eine Rolle. Durch den Übergang auf 4.500 m über NN erhöht sich die Erythrocyten-DPG-Konzentration nach zwei Tagen auf 7,0 mM. Während der Lagerung von Blut nimmt dessen O2-Affinität aufgrund des Verlusts von DPG zu (in 10 Tagen nimmt DPG auf 0,5mM ab, wenn das Blut in saurer Citrat-Dextrose aufbewahrt wird). Obwohl das Blut nach der Transfusion wieder DPG zurückerhalten kann (nach einem Gesamtaustausch wird innerhalb von 24h die Hälfte des normalen Spiegels erreicht), geschieht dies in kritischen Fällen möglicherweise nicht schnell genug. Die Zugabe von DPG zum Blut hat keine Wirkung, da es die Erythrocytenmembran nicht passieren kann. Durch den Zusatz von Inosinbleibt dagegen der DPG-Spiegel der gelagerten roten Blutzellen erhalten, da Inosin die Erythrocytenmembran passieren kann und in DPG überführt wird. Diese Umwandlung wird mit Hilfe von Reaktionen des Pentosephosphat-Zyklus durchgeführt. Rapoport-Luerbing-Shuttle. [R.E. Dickerson u. I. Geis The Structure and Action of proteins, W.A. Benjamin, 1969; M.F. Perutz Annu. Rev. Biochem. 48 (1979) 327-386, Nature 228 (1970) 726-739, Sci. Amer. 239 (6) (1978) 92-125; J.V. Kilmartin Brit. Med. Bull. 32 (1976) 209-222; A. Arnone Nature 237 (1972) 146-149]



Abb. 1. Hämoglobin. Konzentrationsänderungen der Hämoglobinuntereinheiten im Verlauf der menschlichen Schwangerschaft und frühen neonatalen Entwicklung. Da alle Untereinheiten Teil eines Hämoglobintetramers sind, spiegeln diese Änderungen die entwicklungsbedingten Variationen des vorhandenen Hämoglobintyps wider.



Abb. 2. Hämoglobin. Schematische Darstellung der vier Untereinheiten von Desoxyhämoglobin. Die helicalen Bereiche sind durch A, B, usw. gekennzeichnet. Die räumliche Struktur des Tetramers zeigt Farbtafel. DPG = 2,3-Diphosphoglycerat.



Abb. 3. Hämoglobin. Schematische Darstellung der vier Untereinheiten von Oxyhämoglobin. Die helicalen Bereiche sind durch A, B, usw. gekennzeichnet. Es ist kein 2,3-Diphosphoglycerat mehr vorhanden und die beiden β-Untereinheiten haben sich aufeinander zu bewegt (vgl. Abb. 2H008). Die räumliche Struktur des Tetramers zeigt Farbtafel.



Abb. 4. Hämoglobin. Wirkung des 2,3-Diphosphoglycerats auf die Sauerstoffsättigungskurve des Hämoglobins. A: 2,3-Diphosphoglycerat nicht vorhanden; B: 2,3-Diphosphoglycerat-Konzentration niedrig; C: 2,3-Diphosphoglycerat-Konzentration normal; D: 2,3-Diphosphoglycerat-Konzentration hoch.

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