Hoofdstuk 7, hemoglobine: portret van een eiwit in actie
Inleiding
Zuurstof, de overgang van anaeroob naar aeroob heeft ervoor gezorgd dat we 15 keer zoveel energie
uit glucose kunnen halen dan eerst. Vertebraten hebben 2 belangrijke mechanismen
geëvolueerd/ontwikkeld voor het voorzien van hun cellen met zuurstof:
1. Circulatoir systeem dat zuurstof door het lichaam kan vervoeren.
2. Het gebruik van zuurstoftransport en zuurstofopslag eiwitten, zoals hemo- en myoglobine.
Myoglobine, is gelokaliseerd in de spieren waar het de diffusie van zuurstof door de cel faciliteert
voor de generatie van cellulaire energie. Ook slaat het zuurstof op (reservevoorraad).
Hemoglobine, zit in de rode bloedcellen en transporteert zuurstof van de longen naar weefsels, maar
draagt ook bij aan het transport van CO2 en H-atomen naar de longen.
Myoglobine & hemoglobine, deze eiwitten zijn evolutionair gerelateerd en maken gebruik van bijna
identieke zuurstofbinding. Hemoglobine is echter vele malen efficiënter dan myoglobine. Zo gebruikt
hemoglobine tot wel 90% van zijn zuurstofdragende capaciteit terwijl myoglobine onder
vergelijkbare condities, maar 7% van zijn potentiële capaciteit gebruikt. Dit komt doordat myoglobine
uit één subunit bestaat, terwijl hemoglobine er 4 bevat die coöperatie vertonen. Verder worden de
zuurstofbindende eigenschappen van hemoglobine aangepast/gemoduleerd door de binding van CO2
en waterstofionen op een manier die de zuurstofbindingcapaciteit vergroot. Deze twee
eigenschappen worden mogelijk gemaakt door variaties in de quaternaire structuur.
7.1 Myoglobine en hemoglobine binden zuurstof aan een ijzeratoom in heem
Myoglobine, bestaat grotendeels uit α-helices die middels turns aan elkaar verbonden zijn om een
globular eiwit te vormen. Het kan in twee vormen voorkomen:
− Deoxymyoglobine, heeft geen zuurstof gebonden.
− Oxymyoglobine, heeft wel zuurstof gebonden.
Heemmoleculen, de mogelijkheid van hemo- en myoglobine om zuurstof te binden
is afhankelijk van de aanwezigheid van een heemgroep. In hfst 9 zal besproken
worden dat heem een voorbeeld is van een prothetische groep (een molecuul dat
strak aan een eiwit bindt en essentieel is voor zijn functie.) Het geeft bloed zijn rode
kleur en bestaat uit een organisch component en een centraal ijzeratoom.
Protoporphyrin, is het organische component van heem en bestaat uit 4 pyrrole
ringen die middels methine bruggen gelinkt zijn om een tetrapyrrole ring te vormen.
In de afbeelding is te zien dat hier ook nog wat (zij)groepen aan verbonden zijn.
IJzer atoom, ligt in het centrum van de tetrapyrrole ring waar het aan de stikstofatomen van de 4
pyrrole ringen gebonden is. Heem-gebonden ijzer kan zowel in de ferrous (Fe2+) of ferric (Fe3+)
oxidatie staat voorkomen, maar kan alleen in de Fe2+ staat zuurstof binden. IJzer kan aan elk van de
zijdes nog een binding vormen. Deze binding sites worden de 5e en 6e coordination sites genoemd.
Het ijzeratoom is net iets te groot om in de goed gedefinieerde holte van de porphyrin ring te passen
en steekt dus ongeveer 4 Å uit.
Proximale histidine, in myoglobine is de 5e coördinatie site bezet door de imidazole ring van een
histidine residu van het eiwit zelf. Deze histidine wordt ook wel proximale histidine genoemd.
Zuurstofbinding, vindt dus plaats op de 6e coördinatie site en deze binding zorgt ervoor de
elektronen in het ijzeratoom zich herrangschikking op zo’n manier dat het ijzer ion kleiner wordt en
in het vlak van de porphyrin ring past.
fMRI, functional magnetic resonance imaging, de veranderingen in elektronstructuur, die
plaatsvinden als het ijzer ion in het vlak van de porphyrin ring komt te liggen, wordt geëvenaard door
veranderingen in de magnetische eigenschappen van hemoglobine. Deze veranderingen zijn de basis
voor fMRI. Veranderingen in de relatieve hoeveelheid deoxy- en oxyhemoglobine en dus in de
relatieve activiteit van verschillende hersengebieden kunnen hiermee onderzocht worden. Een
actiever gebied is rijker aan oxyhemoglobine doordat bloedvaten daar verwijd worden.
, Elektrontransfer, bij binding van zuurstof aan het ijzer in heem vindt
een partiële overdracht plaats van een elektron van het ferrous ion
naar zuurstof. Zo ontstaat er een complex tussen een ferric ion (Fe3+)
en superoxide anion (O-2). Het is erg belangrijk dat zuurstof niet als
superoxide anion vrijkomt om 2 belangrijke redenen:
1. Superoxide en andere reactieve zuurstof soorten kunnen schadelijk zijn voor biologische
materialen.
2. Loslaten van een superoxide anion zou betekenen dat het ijzer ion in
de ferric staat achterblijft en geen zuurstof meer kan binden.
Distale histidine, bepaalde eigenschappen van myoglobine stabiliseren het
zuurstofcomplex zodat het superoxide ion niet losgelaten wordt. De binding
pocket van myoglobine bevat een histidine residu (distale histidine) die een H-
brug vormt met het gebonden zuurstof. Het superoxide karakter van het
gebonden zuurstof versterkt deze interactie. Het distale histidine zorgt er ook
voor dat er geen CO2 aan de heemgroep kan binden (dit kan heftige gevolgen
hebben). Rechts is distaal histidine weergegeven.
Het eiwitcomponent van myoglobine controleert dus de intrinsieke reactiviteit
van heem, waardoor het geschikter is voor de reversibele binding van zuurstof.
Metmyoglobine, is de vorm van myoglobine met Fe3+, die dus geen zuurstof kan binden.
Hemoglobine, bestaat uit 4 polypeptideketens: twee identieke α-ketens en twee identieke β-ketens.
Elke subunit bestaat uit een set α-helices die hetzelfde gerangschikt zijn als die van myoglobine. Deze
terugkerende structuur wordt een globin fold genoemd. De α-ketens, β-ketens en myoglobine zijn
aan elkaar gerelateerd middels divergente evolutie. Structuren als de proximale en distale histidines
zijn goed geconserveerd gebleven. De hemoglobine tetrameer, ook wel hemoglobine A (HbA)
genoemd, wordt het best beschreven als een paar van identieke αβ dimeren (α1β1 en α2β2) die
associëren om een tetrameer te vormen. In deoxyhemoglobine zijn deze dimeren gelinkt door een
extensive interface, waarbij de carboxyl termini van de ketens betrokken zijn.
E-module
AK lecture, over de heemgroep, hemoglobine en myoglobine zijn AK lectures te vinden op Youtube.
Deze filmpjes kunnen helpen bij het begrijpen van de stof en zijn afgestemd op het boek.
Distaal histidine, helpt bij het stabiliseren van oxymyoglobine.
Vragen, zie hieronder een paar vragen uit de e-module.
Inleiding
Zuurstof, de overgang van anaeroob naar aeroob heeft ervoor gezorgd dat we 15 keer zoveel energie
uit glucose kunnen halen dan eerst. Vertebraten hebben 2 belangrijke mechanismen
geëvolueerd/ontwikkeld voor het voorzien van hun cellen met zuurstof:
1. Circulatoir systeem dat zuurstof door het lichaam kan vervoeren.
2. Het gebruik van zuurstoftransport en zuurstofopslag eiwitten, zoals hemo- en myoglobine.
Myoglobine, is gelokaliseerd in de spieren waar het de diffusie van zuurstof door de cel faciliteert
voor de generatie van cellulaire energie. Ook slaat het zuurstof op (reservevoorraad).
Hemoglobine, zit in de rode bloedcellen en transporteert zuurstof van de longen naar weefsels, maar
draagt ook bij aan het transport van CO2 en H-atomen naar de longen.
Myoglobine & hemoglobine, deze eiwitten zijn evolutionair gerelateerd en maken gebruik van bijna
identieke zuurstofbinding. Hemoglobine is echter vele malen efficiënter dan myoglobine. Zo gebruikt
hemoglobine tot wel 90% van zijn zuurstofdragende capaciteit terwijl myoglobine onder
vergelijkbare condities, maar 7% van zijn potentiële capaciteit gebruikt. Dit komt doordat myoglobine
uit één subunit bestaat, terwijl hemoglobine er 4 bevat die coöperatie vertonen. Verder worden de
zuurstofbindende eigenschappen van hemoglobine aangepast/gemoduleerd door de binding van CO2
en waterstofionen op een manier die de zuurstofbindingcapaciteit vergroot. Deze twee
eigenschappen worden mogelijk gemaakt door variaties in de quaternaire structuur.
7.1 Myoglobine en hemoglobine binden zuurstof aan een ijzeratoom in heem
Myoglobine, bestaat grotendeels uit α-helices die middels turns aan elkaar verbonden zijn om een
globular eiwit te vormen. Het kan in twee vormen voorkomen:
− Deoxymyoglobine, heeft geen zuurstof gebonden.
− Oxymyoglobine, heeft wel zuurstof gebonden.
Heemmoleculen, de mogelijkheid van hemo- en myoglobine om zuurstof te binden
is afhankelijk van de aanwezigheid van een heemgroep. In hfst 9 zal besproken
worden dat heem een voorbeeld is van een prothetische groep (een molecuul dat
strak aan een eiwit bindt en essentieel is voor zijn functie.) Het geeft bloed zijn rode
kleur en bestaat uit een organisch component en een centraal ijzeratoom.
Protoporphyrin, is het organische component van heem en bestaat uit 4 pyrrole
ringen die middels methine bruggen gelinkt zijn om een tetrapyrrole ring te vormen.
In de afbeelding is te zien dat hier ook nog wat (zij)groepen aan verbonden zijn.
IJzer atoom, ligt in het centrum van de tetrapyrrole ring waar het aan de stikstofatomen van de 4
pyrrole ringen gebonden is. Heem-gebonden ijzer kan zowel in de ferrous (Fe2+) of ferric (Fe3+)
oxidatie staat voorkomen, maar kan alleen in de Fe2+ staat zuurstof binden. IJzer kan aan elk van de
zijdes nog een binding vormen. Deze binding sites worden de 5e en 6e coordination sites genoemd.
Het ijzeratoom is net iets te groot om in de goed gedefinieerde holte van de porphyrin ring te passen
en steekt dus ongeveer 4 Å uit.
Proximale histidine, in myoglobine is de 5e coördinatie site bezet door de imidazole ring van een
histidine residu van het eiwit zelf. Deze histidine wordt ook wel proximale histidine genoemd.
Zuurstofbinding, vindt dus plaats op de 6e coördinatie site en deze binding zorgt ervoor de
elektronen in het ijzeratoom zich herrangschikking op zo’n manier dat het ijzer ion kleiner wordt en
in het vlak van de porphyrin ring past.
fMRI, functional magnetic resonance imaging, de veranderingen in elektronstructuur, die
plaatsvinden als het ijzer ion in het vlak van de porphyrin ring komt te liggen, wordt geëvenaard door
veranderingen in de magnetische eigenschappen van hemoglobine. Deze veranderingen zijn de basis
voor fMRI. Veranderingen in de relatieve hoeveelheid deoxy- en oxyhemoglobine en dus in de
relatieve activiteit van verschillende hersengebieden kunnen hiermee onderzocht worden. Een
actiever gebied is rijker aan oxyhemoglobine doordat bloedvaten daar verwijd worden.
, Elektrontransfer, bij binding van zuurstof aan het ijzer in heem vindt
een partiële overdracht plaats van een elektron van het ferrous ion
naar zuurstof. Zo ontstaat er een complex tussen een ferric ion (Fe3+)
en superoxide anion (O-2). Het is erg belangrijk dat zuurstof niet als
superoxide anion vrijkomt om 2 belangrijke redenen:
1. Superoxide en andere reactieve zuurstof soorten kunnen schadelijk zijn voor biologische
materialen.
2. Loslaten van een superoxide anion zou betekenen dat het ijzer ion in
de ferric staat achterblijft en geen zuurstof meer kan binden.
Distale histidine, bepaalde eigenschappen van myoglobine stabiliseren het
zuurstofcomplex zodat het superoxide ion niet losgelaten wordt. De binding
pocket van myoglobine bevat een histidine residu (distale histidine) die een H-
brug vormt met het gebonden zuurstof. Het superoxide karakter van het
gebonden zuurstof versterkt deze interactie. Het distale histidine zorgt er ook
voor dat er geen CO2 aan de heemgroep kan binden (dit kan heftige gevolgen
hebben). Rechts is distaal histidine weergegeven.
Het eiwitcomponent van myoglobine controleert dus de intrinsieke reactiviteit
van heem, waardoor het geschikter is voor de reversibele binding van zuurstof.
Metmyoglobine, is de vorm van myoglobine met Fe3+, die dus geen zuurstof kan binden.
Hemoglobine, bestaat uit 4 polypeptideketens: twee identieke α-ketens en twee identieke β-ketens.
Elke subunit bestaat uit een set α-helices die hetzelfde gerangschikt zijn als die van myoglobine. Deze
terugkerende structuur wordt een globin fold genoemd. De α-ketens, β-ketens en myoglobine zijn
aan elkaar gerelateerd middels divergente evolutie. Structuren als de proximale en distale histidines
zijn goed geconserveerd gebleven. De hemoglobine tetrameer, ook wel hemoglobine A (HbA)
genoemd, wordt het best beschreven als een paar van identieke αβ dimeren (α1β1 en α2β2) die
associëren om een tetrameer te vormen. In deoxyhemoglobine zijn deze dimeren gelinkt door een
extensive interface, waarbij de carboxyl termini van de ketens betrokken zijn.
E-module
AK lecture, over de heemgroep, hemoglobine en myoglobine zijn AK lectures te vinden op Youtube.
Deze filmpjes kunnen helpen bij het begrijpen van de stof en zijn afgestemd op het boek.
Distaal histidine, helpt bij het stabiliseren van oxymyoglobine.
Vragen, zie hieronder een paar vragen uit de e-module.
