Redakcja Kujon.net

Funkcje białek (hemoglobina i mioglobina)




  • Białka wiążące tlen: hemoglobina i mioglobina;
  • Mioglobina – pierwsze białko, dla którego wyznaczono strukturę przestrzenną. Zrobił to za pomocą rentgenografii John Kendrew w 1953;
  • Mioglobina jest białkiem globularnym;
  • W obrębie hydrofobowego zagłębienia utworzonego przez łańcuch polipeptydowy mioglobiny znajduje się prostetyczna grupa hemowa odgrywająca kluczową rolę w wiązaniu O2;
  • Strukturę przestrzenną hemoglobiny określił w 1959 r. Max Perutz;
  • Hemoglobina zbudowana jest z 4 łańcuchów polipeptydowych, których struktura przestrzenna jest podobna do struktury mioglobiny, jednak ich sekwencje aminokwasowe różnią się w 83%;
  • Hemoglobina może wiązać 4 cząsteczki O2. Zawiera 2 łańcuchy polipeptydowe α i dwa β;
  • Prostetyczna grupa hemowa w mioglobinie i hemoglobinie zbudowana jest z protoporfiryny IX, zawierającej atom żelaza w postaci jonu Fe2+. Czterema wiązaniami wiąże się on z czterema atomami azotu, jednym – z resztą histydyny (histydyna proksymalna, His F8) i jednym (szóstym) – z O2;
  • Histydyna dystalna (His E7), znajdująca się w pobliżu wiązania O2 z grupą hemową, pełni dwie funkcje:
    • Chroni przed kontaktem z grupami hemowymi sąsiednich cząsteczek hemoglobiny, co zapobiega utlenieniu Fe2+ do Fe3+;
    • Przeciwdziała wiązaniu tlenku węgla (CO) z Fe2+, przez co zmniejsza powinowactwo hemu do CO;
  • Hemoglobina jest białkiem allosterycznym – wiązanie O2 z jedną z podjednostek jest uzależnione od jej oddziaływania z innymi podjednostkami. Wiązanie O2 powoduje zmiany konformacyjne, które przekazywane są na sąsiednie podjednostki i zwiększają ich powinowactwo względem O2. Wiązanie O2 z hemoglobiną jest więc kooperatywne i indukuje w niej zmiany struktury czwartorzędowej;
  • Wiązanie O2 z łańcuchem mioglobiny jest niekooperatywne;
  • Mioglobina wykazuje większe powinowactwo względem O2 niż hemoglobina, tzn., że O2 uwolniony przez hemoglobinę może być wiązany z mioglobiną – takie zjawisko występuje np. w naczyniach włosowatych mięśni;
  • Efekt Bohra: wiązanie O2 przez hemoglobinę jest regulowane przez stężenie H+ i CO2;
  • Duże stężenie H+ i CO2 (np. w tkankach o szybkim metabolizmie) powoduje przesunięcie krzywej dysocjacji O2 dla hemoglobiny w prawo, czyli ułatwione uwalnianie O2. Przyczyną jest istnienie miejsc wiązania H+, których powinowactwo względem H+ jest większe w hemoglobinie nieutlenowanej niż w utlenowanej. Zwiększenie ilości CO2 powoduje wzrost stężenia H+ na skutek działania enzymu anhydrazy węglanowej, która katalizuje reakcję: CO2 + H2O <-> HCO3- + H+;
  • H+, CO2 i 2,3-bisfosfoglicerynian to regulatory allosteryczności, które stabilizują konformację hemoglobiny nieutlenowanej i tym samym ułatwiają uwalnianie O2. Oddziałują one na różne miejsca, więc efekty ich działania podlegają sumowaniu;
  • Tylko 9 reszt w hemoglobinie jest niezależne od gatunku. Należą tu np.: histydyna proksymalna i dystalna;
  • W wyniku tzw. konserwatywnej substytucji wiele reszt ulega podstawieniu przez reszty o podobnych właściwościach;
  • W wyniku tzw. niekonserwatywnej substytucji zostaje zamienionych tylko niewiele reszt, ponieważ takie zmiany mogą wywrzeć duży wpływ na strukturę i funkcje białka;
  • Scharakteryzowano kilkaset nieprawidłowych hemoglobin stanowiących przykłady patologii hemoglobiny;
  • Przykładem patologii hemoglobiny jest niedokrwistość sierpowata (hemoglobina krwinek sierpowatych – HbS). W chorobie tej występują erytrocyty o kształcie półksiężyca lub sierpa;
  • Molekularną przyczyną niedokrwistości sierpowatej jest zastąpienie reszty kwasu glutaminowego w pozycji 6 łańcucha β przez walinę, a więc zastąpienie reszty polarnej hydrofobową. Powoduje to powstanie hydrofobowych lepkich miejsc na zewnętrznej powierzchni łańcucha β HbS. Takie miejsce jest komplementarne z miejscem hydrofobowym znajdującym się między helisami E i F łańcucha β HbS nieutlenowanej. Prowadzi to do łączenia się cząsteczek HbS i powstawania długich włókien, które zniekształcają erytrocyt. W utlenowanej HbS miejsce komplementarne jest maskowane;
  • Niedokrwistość sierpowata jest hemolityczną chorobą przekazywaną genetycznie. Krwinki sierpowate są bardziej kruche niż prawidłowe erytrocyty;
  • W niedokrwistości sierpowatej homozygoty zawierają 2 kopie nieprawidłowego genu, a heterozygoty – tylko jedną. Homozygoty często żyją krócej wskutek uszkodzenia nerek i serca lub zwiększonej krzepliwości krwi, której przyczyną jest zatrzymywanie krwinek sierpowatych w naczyniach włosowatych;
  • W niedokrwistości sierpowatej u heterozygot ok. 1% erytrocytów to krwinki sierpowate, a u homozygot – nawet 50%;
  • Występowanie genu sierpowatości pokrywa się z zasięgiem występowania malarii – przyczyną jest ochrona heterozygot przed najbardziej śmiertelnymi postaciami malarii;