Biokemian perusteet 26.9.2012: Hemoglobiini, Entsyymikatalyysi Dos. Tuomas Haltia Sirppisoluanemia, Hb-mutaatio Glu-6 Val
Hemoglobiini allosteerinen hapen kuljettajaproteiini (ei ole entsyymi!) Allosteerinen = yhteen kohtaan proteiinissa sitoutuu molekyyli, joka vaikuttaa proteiinin toisen kohdan toimintaan Kooperatiivisuus = (tässä yhteydessä) proteiinin alayksiköiden välinen vuorovaikutus siten, että yhden alayksikön konformaation muutos aiheuttaa saman muutoksen muissa alayksiköissä
Kirjallisuus: Hemoglobiini: Lehninger luku 5, ss. 157-174. Entsyymit: Lehninger luku 6, ss. 191-218. Myös Stryeriä (6.p., luku 7 & 8) voi käyttää
Tärkeät asiat hemoglobiinista Hapen kooperatiivinen sitoutuminen ja vapautuminen Allosteerisen molekyylimekanismin pääpiirteet: Relaxed Tense ph:n eli H + -pitoisuuden vaikutus CO 2 :n kuljetus CO:n sitoutuminen (NO:n kuljetus, vain Devlinissä)
Hemoglobiini Hb (hapen kuljettaja) on kehittynyt myoglobiinista Mb (joka on hapen varasto) Mb on helikaalinen monomeeri, molekyylimassa 16 700 Hb on tetrameeri (64 500 da) ja koostuu kahdesta alayksiköstä ( ja ); ( ) 2 ja ovat sukua Mb:lle Hb:ssa neljä hapen sitomiskohtaa Tärkeä ero: Hb on allosteerinen, koska hapen sitomiskohdat kommunikoivat keskenään ja sen happiaffiniteettia säädellään (säätelijöinä ph, hiilidioksidi ja BPG). Mb ei ole allosteerinen.
Mb:n ja Hb:n aktiiviset keskukset ovat hyvin samanlaiset. Kysymys: Miksi Hb:n ja Mb:n hapen sitomisominaisuudet ovat niin erilaiset?
Hemoglobiinin tetrameerinen rakenne Hapen sitoutuminen muuttaa Hb:n rakennetta (!)
Mb: hyperbolinen hapen sitomiskuvaaja Hb: Sigmoidinen hapensitomiskuvaaja (indikoi allosteriaa) Keuhkoissa: Korkea happiaffineetti, korkea ph, R-muoto Kudoksessa: Matala happiaffiniteetti, matala ph, T-muoto
Happi sitoutuu hemirautaan (Fe 2+ ) Myös hiilimonoksidi eli häkä sitoutuu, vieläpä paremmin kuin happi Distaalinen His CO sitoutuu vapaaseen hemiin >20 000 kertaa paremmin kuin happi Hb:n ja Mb:n proteiinirakenne kuitenkin heikentää CO:n sitoutumista huomattavasti CO sitoutuu Hb:hen vain n. 250x paremmin kuin happi Proksimaalinen His
Hapen sitoutuminen hemiin aiheuttaa muutoksen proteiinirakenteessa (T R)
O 2 :n sitoutuminen vetää raudan hemin tasoon ja muuttaa F-heliksin asentoa
Proteiinirakenteen muutos välittyy dimeerin pinnalle ja naapuridimeeriin Seurauksena naapuridimeerin happiaffiniteetti kasvaa (T R) Tämä on kooperatiivisen hapensitomisen molekulaarinen mekanismi!
R-tila sitoo hyvin happea keuhkoissa, T-tila luovuttaa hapen tehokkaasti kudoksessa T R
Häkämyrkytytys Häkä kertyy hemoglobiiniin Pienikin pitoisuus voi johtaa myrkytykseen, jos altistusaika on pitkä Tupakoitsijalla voi yli 10% Hb:sta olla HbCO:ta (!) Jos 50 60% Hb:sta on HbCO:ta, seurauksena on kuolema 570 ppm eli 0,057% CO tuottaa 50% HbCO-tason tunneissa
CO kertyy hemoglobiiniin
Happi sitoutuu hemirautaan (Fe 2+ ) Myös hiilimonoksidi eli häkä sitoutuu, vieläpä paremmin kuin happi Distaalinen His CO sitoutuu vapaaseen hemiin >20 000 kertaa paremmin kuin happi Hb:n ja Mb:n proteiinirakenne kuitenkin heikentää CO:n sitoutumista huomattavasti CO sitoutuu Hb:hen vain n. 250x paremmin kuin happi Proksimaalinen His
Aneeminen yksilö, jonka Hb-taso on 50% normaalista tulee toimeen, mutta yksilö jolla 50% Hb:n akt.kohdista sisältää CO:ta on lähellä kuolemaa. CO stabiloi Hb:n R- muotoa, jolloin happi ei irtoa kudoksessa. Kaksi CO:ta per Hb riittää estämään hapenkuljetuksen
Hemoglobiini, yhteenvetoa Tetrameeri, sitoo 4 O 2 Hb(O 2 ) 4 muodostuu keuhkoissa: yhden O 2 :n sitoutuminen tekee seuraavan O 2 :n sitoumisen helpommaksi jne (O 2 stabiloi R- tilaa) Hb(O 2 ) 4 luovuttaa hapet kudoksessa, ensimmäisen hapen irtoaminen stimuloi seuraavien irtoamista (alhainen po 2 stabiloi T-tilaa) Kudoksessa T-tilaa stabiloivat myös hapan ph eli protonit, CO 2 ja 2,3-bisfosfoglyseraatti, jotka kaikki sitoutuvat Hb:hen R-tila = Hb:n konformaatio, jossa happi sitoutuu tiukasti T-tila = Hb:n konformaatio, jossa happi vapautuu helposti Liipaisin joka johtaa tilan (konformaation) muuttumiseen: hapen sitoutuminen hemirautaan F-heliksin asennon muutos muutos toisen alayksikön hapen-sitomiskohdassa seuraava happi sitoutuu helpommin
Deoksi-Hb:n T-tilaa stabiloivat His HC3 osallistuu myös protonin (H + ) kuljetukseen ioniparit N-terminukset sitovat hiilidioksidia (Ttilassa)
T-tilaa stabiloivat Hapan ph: Tietty His protonoituu ionipari Ioniparien muodostuminen mahdollista vain T-tilassa Hiilidioksidin sitoutuminen globiinien N-terminuksiin 2,3-bisfosfoglyseraatin sitoutuminen (yksi sitoutumiskohta per Hb)
T- ja R-tilan rakenteet (huom. His HC3:n muuttuva sijainti) BFG
Bohrin efekti: hapan ph alentaa Hb:n happiaffiniteettia (eli stabiloi deoksi-hb:ta ja T- tilaa) happi irtoaa happamessa ympäristössä Kudosten glykolyysi ja soluhengitys alentavat ph:ta hapan ph viestii siitä, että soluhengitys tarvitsee happea
Protonien ja CO 2 :n kuljetus CO 2 syntyy sitruunahappokierrossa (kudos) CO 2 + H 2 O H + + HCO 3- punasoluissa (kudos) HbO 2 + H + HHb + + O 2 kudoksessa Keuhkoissa korkea po 2 saa reaktion kulkemaan päinvastaiseen suuntaan, protonit vapautuvat ja protonoivat bikarbonaatin, joka hajoaa CO 2 :ksi ja vedeksi CO 2 voi sitoutua myös Hb:n alayksiköiden N- terminuksiin karbamaateiksi, jotka stabiloivat T- muotoa; keuhkoissa karbamaatit purkautuvat ja CO 2 vapautuu ja hengitetään ulos
2,3-Bisfosfoglyseraatti Hb:n allosteerinen säätelijä Yksi sitoutumiskohta per Hb Voi sitoutua vain T-muotoon Stimuloi hapen irtoamista Pitoisuus muuttuu, jos po2 muuttuu Sitomiskohta puuttuu fetaali- Hb:stä
2,3-BPG on Hb:n heterotrooppinen Alentaa happiaffiniteettia stabiloimalla T- muotoa Sopeutuminen korkeaan paikkaan perustuu 2,3-BPG:n pitoisuuden kasvuun (muutamassa tunnissa) efektori
2,3-BPG sitoutuu Hb-tetrameeriin ja stabiloi T-muotoa
Yhteenveto Hb on tetrameerinen hemoproteiini, ( ) 2 Kunkin alayksikön hemirauta sitoo yhden O 2 :n O 2 :n sitoutuminen yhteen alayksikköön edistää sitoutumista naapurialayksikköön Hapen dissosiaatio edistää dissosiaatiota naapurialayksiköstä Hapen affiniteettia alentavat ligandit H +, CO 2 ja 2,3-BPG R-muodon (keuhkoissa) happiaffiniteetti on korkea, T- muodon (kudoksessa) alhainen Ligandien vaikutus perustuu R- ja T-muodon tasapainon muuttamiseen Hb sitoo (sekä hemirautaan että erääseen Cyssivuketjuunsa) signaalimolekyyli NO:ta, joka näin stabiloituu farmakologian tapaus
Sirppisoluanemia varhainen esimerkki molekyylilääketieteestä Lääkäri näkee potilaan oireineen, tutkimukset paljastavat molekulaarisen syyn. Aggregoituva muoto: deoksi Hb S
Normaaleja ja sirppisoluanemiapotilaan punasoluja