Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos (Voet Kapitel 9)

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1 Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos (Voet Kapitel 9) 1. Funktion des Hämoglobins 2. Struktur und Mechanismus 3. Anormale Hämoglobine 4. Allosterische Regulation

2 4. Allosterische Regulation Organismen müssen auf Veränderungen in der Umgebung reagieren. Dies erfordert einen hohen Grad von Kontrolle biochemischer Mechanismen. Regulation ist auf jedem Niveau des Organismus möglich: -molekulare Ebene (Reaktionsgeschwindigkeiten, Genexpression) -zelluläre Ebene (Signaltransduktion) -organismische Ebene (Verhalten) Die meisten Erkrankungen könne auf eine Störung der Kontrollmechanismen zurückgeführt werden. Liganden-Bindung kann durch allosterische Wechselwirkungen kontrolliert werden. Hämoglobin ist ein gutes Beispiel für eine solche Regulation die auf kooperativen Wechselwirkungen beruht. Die Bindung eines Liganden an eine spezifische Koordinationsstelle wird durch das Binden eines anderen Liganden (Effektor oder Modulator) an eine andere Stelle des Proteins beeinflusst. Sind Liganden identisch=homtroper Effekt, unterschiedlich=heterotroper Effekt. Diese Effekte können sowohl positiv als auch negativ sein. Hämoglobin zeigt positiv homotrope (O2 Bindung) und negativ heterotrope (BPG, CO2, H+, Cl-) Effekte. Allosterische Effekte ergeben sich aus Wechselwirkungen zwischen Untereinheiten oligomerer Proteine. Diese Effekte sind schwer zu beschreiben -> Modelle Im Folgenden Modelle für die allosterische Regulation der Sauerstoffaffinität in Hb.

3 A. Adair-Gleichung Hill-Gleichung basiert auf der Annahme einer Alles-oder-Nichts-Bindung von O2. Entdeckung teilweise Sauerstoff gesättigter Hb-Moleküle -> sequentielle Ligandenbindung vorgeschlagen von Adair. Mikroskopische Dissoziationskonstanten zwische den einzelnen Zuständen sind verschieden (für Hb k1 bis k4). Für jedes gebundene Sauerstoffmolekül gibt es eine eigene Dissozationskonstante. -> Adair-Gleichung. Abfallende Werte für k beschreiben eine positive Kooperativität ansteigende k-werte eine negative. Adair-Gleichung rein mathematisches Modell, das keine ursächlichen Zusammenhänge erklären kann.

4 B. Symmetrie-Modell Annahmen: 1. Allosterisches Protein = Oligomer aus gleichen symmetrisch angeordneten Untereinheiten (Protomeren). 2. Jedes Protomer kann in mindestens 2 Zuständen vorliegen die miteinander im Gleichgewicht sind (Hb in R- oder T- Zustand) unabhängig davon ob Ligand gebunden oder nicht. 3. Ligand kann jeden Konformationszustand binden.konformattionsänderungen können nur Affinität des Liganden beeinflussen. 4. Molekulare Symmetrie bleibt während Konformationswechsel erhalten. Also keine Oligomere von Hb die gleichzeitig r- und t-protomere enthalten. Sättigungsgrad = = [Ligand an R] + [Ligand an T] n [R Zuständen] + [T Zuständen] α (1+α) + Lc α (1+c α) n-1 n-1 n (1+α) + L (1+c α) n α = normierte Ligandenkonzentration L = relative Stabilität T / R -> L gross= T stabiler R c = kr / kt -> c gross = Aff. gross n = Anzahl Bindungstellen

5 Homotrope Wechselwirkungen L = relative Stabilität T / R c = kr / kt

6 Heterotrope Wechselwirkungen α = [S]/kR, β = [I]/kI, γ = [A]/kA z.b. BPG, Protonen, CO2, Chlorid

7 α = [S]/kR, β = [I]/kI, γ = [A]/kA Hohe Affinität für Aktivator -> R Homotrope Wechselwirkungen Hohe Affinität für Inhibitor -> T

8 C. Sequentielles Modell Symmetrie Modell geht von Lock and Key Mechanismus aus Sequentielles Modell geht von Induced fit aus -> verschiedene Dissoziationskonstanten vrgl. Adair-Gleichung Induced fit -> flexible Wechselwirkung zwischen Ligand und Protein -> Konformationsänderung -> erhöhen der Affinität. Mit Röntgenstrukturanalyse einige Konformationsänderungen beobachtet -> stützen Induced fit Modell.

9 Ligandenbindung -> Konformationsänderung in der UE -> kooperative WW beeinflussen benachbarte UE durch diese Konformationsänderung -> Affinität für Ligand wird verändert. Dieser Mechanismus ist abhängig von der Stärke der Kopplung der einzelnen UE. Starke Kopplung -> konzertierte Kopplung (-> Symmetrie Modell), schwache Kopplung -> sequentielle Konformationsänderung der einzelnen UE.

10 Sequentielles Modell der Allosterie Die Kopplung zwischen den Untereinheiten ist gering -> die Symmetrie der Oligomeren wird nicht aufrecht gehalten.

11 D. Kooperativität des Hämoglobins Sowohl Symmetrie- als auch Sequentielles Modell nähern die O2-Bindungskurve von Hb gut an. Wahrheit möglicherweise dazwischen.

12 Hb besteht nicht aus identischen Untereinheiten wie es das Symmetrie-Modell verlangt, sie sind jedoch genug ähnlich, dass in erster Näherung die Voraussagen des Symmetrie-Modelles zutreffen. Die Ligandenbindung im T-Zustand bewirkt ein kleine Konformationsänderung wie es das induced fit Modell vorhersagt. Dieses Phänomen wurde auch durch Röntgenstrukturanalyse bestätigt. Das partiell belegte Hb bleibt zunächst im T-Zustand. Die Fe-Atome der α-ue sind jedoch gegenüber dem DesoxyHb um 15pm zum Porphyrinring hin verschoben. -> Solche Veränderungen in der Tertiärstruktur erzeugen die für den T->R Übergang erforderliche Spannung