Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos (Voet Kapitel 9)

U.Albrecht BC1
Hämoglobin: Proteinfunktion und Mikrokosmos
(Voet Kapitel 9)
1. Funktion des Hämoglobins
2. Struktur und Mechanismus
3. Anormale Hämoglobine
4. Allosterische Regulation
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3. Anormale Hämoglobine
Über 400 Hämoglobin mutanten bekannt. Bei 95% nur eine einzige AS ausgetauscht. Solche
Mutationen werden als Hämoglobinopathien genannt. Dagegen werden Störungen in der
Hämoglobinsynthese als Thalassämien bezeichent.
A. Molekulare Pathologie des Hämoglobins
1. Austausch von AS an der Oberfläche
Änderungen von oberflächlich gelegenen AS sind oft unauffällig, da Oberflächen AS keine spezielle
Funktion haben. Ausnahme: Sichelzellenanämie (HbS, siehe später).
HbE ist die häufigste Mutante nach HbS. Glu B8(26)ß -> Lys, d.h. saure AS wird durch basische ersetzt. Da aber an Oberfläche und keine spezifische Funktion -> keine Folgen
2. Austausch intern gelegener AS
Austausch interner AS führt meist zu Destabilisierung von Hämoglobin -> Abbauprodukte, speziell zerfallenes Häm kleben an Zellmembran der Erythrocyten -> vorzeitige Lyse.
Träger instabiler Hämoglobine haben hämolytische Anämie
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kleinste Konformationsänderung im Zentrum kann zum Verlust der
Bindung von Häm führen -> Funktionslosigkeit
Hb Hammersmith Phe CD1(42)ß -> Ser Häm wird herausgelöst
Hb Bristol Val E11(67)ß -> Asp
Häm wird herausgelöst
Hb Bibba Leu H19(136)α -> Pro
Helix wird gebrochen -> instabil
Hb Savanna Gly B6(24)ß -> Val
Überkreuzung B und E Helix
gestört
Hb Philly Tyr C1(35) α−>Phe
α1−ß1 Kontakt gestört
3. Änderungen die Methämoglobin (HbM) stabilisieren
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Stabilisierung von Fe(III) -> Methämoglobinreduktase kann kann Fe(III) nicht mehr reduzieren.
Bläuliche Hautfarbe (Zyanose)
Hb Boston HisE7 -> TyrE7
Phenolat-Anion stabilisiert
Hb Milwaukee Val E11-> Glu E11
Carboxylat-Anion stabilisiert
Hb Iwate His F8 -> Tyr führt zu verminderter Kooperativität der Sauerstoffbindung. Heterozygote
Träger ohne Schaden, homozygote lethal.
4. Austausch von AS am α1-ß2 Kontakt
Veränderungen am α1-ß2 Kontakt beeinflussen die R->T transformation oder umgekehrt
Hb Yakima AspG1-> His
Raumfordernder His rest stabilisiert
R-Form. Höhere Sauerstoffaffinität
Hb Kansas AsnG4 -> Thr
keine H-Brücken T-Form stabiler.
Niederere Sauerstoffaffinität
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B. Molekularer Hintergrund der Sichelzell-Anämie
Erythrocyten haben Sichelähnliche Form -> weniger Flexibel -> führt zu fatalen Blockaden des Blutflusses.
Durchblutung in Peripherie verschlechtert -> gestörte Blutzirkulation. Mutation führt zur Verklumpung der
deformierten Erythrocyten -> Homozygote Träger leiden an hämolytischer Anämie.
In Afrika 25% der Bevölkerung heterozygote Träger von HbS GluA3(6)ß -> Val. Bietet Schutz gegen
Malaria. Grund: Malaria Parasit benötigt eine bestimmte Kalium-Ionen Konzentration für seine Entwicklung
die in normalen EC vorhanden ist. Die HbS Mutation senkt die Kalium-Ionen Konzentration in den SichelZellen und der Parasit kann nicht überleben.
SDS-Page
Normale EC
HbS
HbA
Sichelförmige EC
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HbS bildet Fasern die verAntwortlich sind für die
Sichelfrom der EC. Die
EC können platzen und die
Fasern treten aus.
Fasern des HbS die aus einem Erythrocyten austreten.
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HbS - Fasern Aufbau
22nm
DesoxyHbS aggregiert zu rigiden Fasern bestehend aus 7 hexagonal-gapackten helixartig
gewundenen Doppelsträngen. Doppelstränge miteinander in Kontakt.
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Die HbS-Fasern werden durch intermolekulare Kontakte stabilisiert
Anordnung der DesoxyHb
Kontakte zwischen Asp73 und
Glu 23 auch in HbA -> genügt
alleine nicht um Fasern zu
Bilden. Jedoch ist auch dieser
Kontakt wichtig.
Weitere Kontakte -> mischen
von Hb verschiedener Mutanten
Hb Harlem Glu3 -> Val,Asp73 -> Asn
-> höhere Konz. von HbH/S nötig für
Polymerisation als für HbA/S
Hb Kole-Bu Asp 73 -> Asn Polymerisation auch verzögert.
Asp73 wichtig für intermolekulare
Kontakte von HbS.
Hb Memphis Glu23 -> Gln
α−UE von HbMemphis und ß-UE von
HbS gelieren langsamer.
HbS GluA3(6)ß -> Val
Glu macht keinen Kontakt
OxyHb keine hydrophobe Tasche (rot)
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Der Beginn der HbS - Gelbildung ist ein komplexer Prozess
Zeitverlauf der Gelbildung von HbS
Faserbildung tritt mit einer Zeitlichen Verzögerung auf.
Abhängig von: Sauerstoffpartialdruch (T->R Übergang)
HbS Konzentration
Temperatur
1 / td = k (ct / cs )
Initiation der Gelbildung durch
Temperatursprung von 0 auf 20°C
Konz. Abhängigkeit der Gelbildung
von DesoxyHb bei 30°C
n
td = Verzögerungszeit
ct = total HbS Konzentration
cs = Löslichkeit von HbS
k,n = Konstanten
Zweistufenprozess:
1. Bildung eines Nucleus von HbS Molekülen
homogemer Nukleationsprozess
hohe Konzentrationsabhängigkeit
2. Gebildete Fasern = Nukleationskeime
heterogener Nukleationsprozess
rasche Beendigung der Gelierung
= kinetische Hypothese
episodenhaftes Auftreten von Krisen -> Stocken Blutstrom
Oxygenierung -> Fasern aufgelöst -> keine Fasern in arteriellem Blut -> Kapillargebiet in 0.5-2s durchströmt -> HbS
kann ausfallen wenn aber td > Transitzeit keine Unterbrechung des Blutstroms. td kann verkürzt werden bei Fieber,
O2 Mangel oder Dehydratisierung -> Krisen.
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Gelbildung von DesoxyHbS
Therapien um td zu vergrössern:
1) Maskieren von intermolekularen Wechselwirkungen -> synthetische Oligopeptide
2) Erhöhen von O2 Affinität. Cyanat -> Carbamoylierung -> destabilisieren von T-Zustand. Aber
toxische Nebenwirkungen.
3) Absenken der HbS Konzentration -> Membranpermeabilität der EC erhöhen.
4) Genet. Anschalten von HbF -> höhere O2 Affinität
5) Vasodilatatoren