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Seminararbeit / Hausarbeit

Struktur Aufbau und Funktion­sweise von Hämoglobin

2.055 / ~13 sternsternsternsternstern_0.75 Claudia D. . 2012
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Seminararbeit
Biowissenschaften

Justus-Liebig-Universität Gießen - JLU Giessen

Binderreif 2012

Claudia D. ©
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sternsternsternsternstern_0.75
ID# 19264







Justus-liebig-universität Gießen Institut für biochemie

Hämoglobin

Struktur, Funktionsweise, Regulation

16.04.2012

Übung mit Vorlesung: Biochemie

Herr Prof. Dr. A. Bindereif

WiSe 2011/2012



Inhaltsverzeichnis


1.Das Hämoglobin. 2

2.Das Hämoglobin-Molekül2

3.Das Häm-Molekül3

4.Hämoglobin-Arten. 4

5.Häm-Biosynthese. 4

6.Regulation der Häm-Biosynthese. 5

7.Der Sauerstofftransport6

8.Der CO2-Transport8

9.Abbau von Hämoglobin. 9

10.Literaturverzeichnis. 10

11.Abbildungsverzeichnis. 11

12.Erklärung zur Urheberschaft12


1.  Das Hämoglobin

Kurz nach der Ermittlung der Struktur von Myoglobin in den 1950er Jahren gelang es Max Perutz, die dreidimensionale Struktur von Hämoglobin zu beschreiben. (STRYER et al. 2007, S. 205f.) Das Protein Hämoglobin ist der wichtigste Bestandteil des Erythrozyten (rote Blutkörperchen). „Etwa 88% des Volumens eines Roten Blutkörperchen werden von Hämoglobin eingenommen.“ (HORN et al. 2009, S. 494) Die Aufgabe dieses Proteins ist der effiziente Transport von Sauerstoff von der Lunge zu den Geweben sowie der Rücktransport von Kohlendioxid und Wasserstoffionen zur Lunge. (HORN et al. 2009, S. 494)

2.  Das Hämoglobin-Molekül

Abb1: Struktur des Hämoglobins (HORN et al. 2009, S. 495)

Hämoglobin (Hb) ist ein kugelförmiges, tetrameres Protein und besteht aus vier Untereinheiten, bei denen es sich um jeweils zwei identische Polypeptidketten, den α- und β-Ketten handelt. Jede der vier Ketten enthält in zentraler Position als prosthetische Gruppe einen Porphyrin-Teil („Häm“), der über eine kovalente Bindung mit einem Histidylrest der Proteinkette („Globin“) verknüpft ist. (HORN et al. 2009, S. 495) Untereinander werden die Untereinheiten durch hydrophobe und konische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten. (LÖFFLER 2008, S.365)

3.  Das Häm-Molekül

Das Häm ist wie oben schon erwähnt die prosthetische Gruppe des Hämoglobins. Man spricht auch vom Porphyrinringsystem. (KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S. 299)

Abb2: Struktur des Porphyrinogens und des Pyrrol-Rings (HORN et al. 2009, S. 495)

Daraus ist schon zu hören, dass es sich bei dem Grundmuster des Häms um einen Ring handelt, welcher in vier Pyrrolringe unterteilt ist. Diese wiederrum sind über Methinbrücken (-CH=) miteinander verbunden. Weiterhin enthält der Ring zusätzliche Doppelbindungen, einige Seitenketten und ein zentrales zweiwertiges Eisen-Ion.

Abb3: Häm-Molekül (HORN et al. 2009, S. 495)

Dieses besitzt sechs Koordinationsstellen, wovon vier von den Stickstoffatomen der Pyrrolringe besetzt sind. Die fünfte Stelle dient zur Verbindung des Häms mit dem Globin bzw. dem Histidinrest der Polypeptidkette. Da die Hauptaufgabe der roten Blutkörperchen darin besteht, den Sauerstoff zu transportieren, ist hierfür die sechste Koordinationsstelle vorgesehen.

Insgesamt kann das Hämoglobin mit seinen vier Untereinheiten vier Moleküle Sauerstoff transportieren. (KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S.299f.)

4.  Hämoglobin-Arten

Wie bereits erwähnt stellt das Globin eine Polypeptidkette dar. Diese kann in vier Arten unterschieden werden: eine α-, eine β-, eine γ- und eine δ-Kette. Die Differenzen dieser Ketten liegen in der Aminosäuresequenz. Anhand der Globine kann man drei Hämoglobin-Arten unterscheiden. Bei Erwachsenen kommt das HbA1 und das HbA2 vor, wobei Hb für Hämoglobin steht und A für Adult.

Das HbA1 besteht aus zwei α- und zwei β-Ketten und das HbA2 aus zwei α- und zwei δ-Ketten. Bei der dritten Art handelt es sich um das fetale Hämoglobin HbF, welches aus zwei α- und zwei γ-Ketten besteht. Diese Form wird aber um den Geburtstermin herum durch die adulten Formen ersetzt. Da das fetale Hämoglobin eine höhere Affinität zu Sauerstoff hat, das heißt, dass es den Sauerstoff mit größerer Kraft anzieht, wird der Übergang des Sauerstoffs vom mütterlichen ins kindliche Blut ermöglicht. (HORN et al. 2009, S. 496)

5.  Häm-Biosynthese

Abb4: Häm-Biosynthese (HORN et al. 2009, S. 498)

Die Häm-Biosynthese besteht aus zwei Stufen. Die erste Stufe ist die Synthese des Porphobilinogens und die zweite Stufe ist der Aufbau des Häms aus vier Molekülen Porphobilinogen. (KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S.300) Die Bildung des Hämoglobins erfolgt zu 85% im Knochenmark. (HORN et al. 2009, S. 496) Die Biosynthese läuft in zwei verschiedenen Kompartimenten ab.

Beginn und Ende finden in den Mitochondrien statt und die Zwischenschritte im Zytosol. Bei der Startreaktion entsteht aus Succinyl-CoA und Glycin δ-Aminolaevulinsäure (δ-ALS). Das Enzym, dass diese Reaktion ermöglicht ist die δ-Aminolaevulinsäure-Synthase, die Pyrdoxanphosphat als Koenzym für die Decarboxylierung benötigt. (HORN et al. 2009, S. 496) Die δ-Aminolaevulinat-Synthase ist das Schlüsselenzym der Häm-Biosynthese.

Da für jedes Porphobilinogen zwei Moleküle δ-ALS verbraucht werden, benötigt die Synthese von einem Molekül Uroporphyrinogen III acht Glycinmoleküle und acht Succinyl-CoA-Moleküle. Durch die Decarboxylierung der Acetatreste zu Methylresten entsteht Coproporphyrinogen III, das über einen Transporter zurück ins Mitochondrium gelangt und durch eine Oxidation zu Protoporphyrinogen IX umgewandelt wird.

Durch wiederrum dessen Oxidation entsteht Protoporphyrin IX. Dieses Molekül besitzt bis auf das zentrale Eisen-Ion schon alles, was ein fertiges Häm benötigt. Für das Einfügen des Eisen-Ions ist das Enzym Ferrochelatase zuständig. (KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S.301)

6.  Regulation der Häm-Biosynthese

Drei unterschiedliche Regulationsmechanismen bestimmen, welche Menge an Häm wann hergestellt werden soll. Der erste Mechanismus ist die Regulation auf Enzymebene. „Die Aktivität des Schlüsselenzyms der gesamten Häm-Biosynthese, die δ-ALS-Synthase, wird durch das Endprodukt Häm auf zwei verschiedenen Wegen herabgesetzt.“ (HORN et al. 2009, S. 498) zum einen wird für die Rückkopplungstrennung des vorhanden Enzyms gesorgt, zum anderen wird durch das Häm als Repressor eine Herstellung unterdrückt.

Succinyl-CoA kann sowohl den Citratzyklus in den Mitochondrien durchlaufen, als auch für die Häm-Biosynthese verwendet werden. Dementsprechend spielt auch hier der Sauerstoff eine entscheidende Rolle. Ist viel Sauerstoff vorhanden, durchläuft Succinyl-CoA fast ausschließlich den Citratzyklus. In diesem Fall wird kein Häm benötigt, da das Sauerstoff (O2) Angebot groß genug ist.

Wenn jedoch zu wenig O2 zur Verfügung steht, wird Succinyl-CoA vermehrt für die Häm-Biosynthese verwendet. Hier wird das Häm dringend benötigt, damit trotz des niedrigen Sauerstoff Angebots eine möglichst gute O2-Versorgung im Körper gewährleistet werden kann. (HORN et al. 2009, S. 498)

Wenn in der Lunge ein hoher Partialdruck herrscht, nimmt Hämoglobin Sauerstoff auf. Bei einem niedrigen Druck wird der Sauerstoff abgegeben. Den Prozess der Sauerstoffbeladung des Hämoglobins bezeichnet man als Oxygenierung. Bei der Oxygenierung ändert sich die Wertigkeit des zentralen Eisen-Ions nicht. Die Oxygenierung ist nicht mit der Oxidation gleichzusetzten, wo aus dem zweiwertigen dreiwertiges Eisen entstehen würde.

Oxidiertes Hämoglobin wird als Methämoglobin bezeichnet. (HORN et al. 2009, S.499) Nach dem Prozess der Sauerstoffbeladung verändert sich die Farbe des Blutes. Sie wechselt von einem dunklen Rot (sauerstoffarmes, venöses Blut) zu einem hellen Rot (sauerstoffreiches, arterielles Blut). (KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S.306) Hämoglobin bindet den Sauerstoff kooperativ. Bei Hämoglobin handelt es sich um ein allosterisches Protein dessen Konformation sich bei der Bindung eines Sauerstoffmoleküls verändert.

Aufgrund des kooperativen Effekts verläuft die Sauerstoff-Bindungskurve des Hämoglobins sigmoidal (s-förmig). (STRYER et al. 2007, S. 208) Eine Rechtsverschiebung (z.B. ein nichtkooperatives Transportprotein) der Kurve veranschaulicht die Abnahme der Affinität von Sauerstoff und eine Linksverschiebung (z.B. Myoglobin) stellt eine höhere Sauerstoffaffinität dar.

Aufgrund der hohen Kooperativität zwischen den O2-Bindungsstellen transportiert Hämoglobin mehr O2 zu den Geweben als Myoglobin oder ein nichtkooperatives Transportprotein. (STRYER et al. 2007, S.209) Wenn das Hämoglobin in der Lunge angekommen ist, gibt es den Sauerstoff an Gewebe mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck ab. Die daraufhin ablaufenden oxidativen Stoffwechselwege führen dazu, dass dort der pH-Wert niedriger und der CO2-Wert und die Temperatur höher sind als in der Lunge.

8.  Der CO2-Transport

Für Kohlenstoffdioxid gibt es im Gegensatz zum Sauerstoff drei verschiedene Transportmöglichkeiten um in die Lunge zu gelangen. 80% des CO2 werden als Bicarbonat-Ionen (HCO3-) im Blut gelöst transportiert. Das im Gewebe anfallende CO2 diffundiert in das Blut und gelangt in die Erythrozyten, wo es durch die Carboanhydrase in Kohlensäure umgewandelt wird.

Diese dissoziiert in Bikarbonat und Protonen. (HORN 2009, S.500) Das Bikarbonat verlässt die Erythrozyten im Austausch gegen Cl- und erreicht im Blut gelöst die Lunge. Dieser Austausch wird auch als Hamburger-Shift bezeichnet. In der Lunge wird dann das Bikarbonat wieder gegen Cl- ausgetauscht, von den Erythrozyten aufgenommen und in CO2 zurückverwandelt. Das CO2 verlässt die Erythrozyten und wird abgeatmet. (HORN et al. 2009, S.500)

Die letzte Möglichkeit ist der Transport als physikalisch gelöstest CO2. Da Kohlenstoffdioxid eine 20fach bessere Löslichkeit im Blut hat als Sauerstoff werden ungefähr 10% des CO2 frei im Blut zur Lunge transportiert. (HORN et al. 2009, S.500)

„Substanzen, die H+- bzw. OHIonen binden können, tragen zur Pufferung des Blutes bei.“ (KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S.305)

9.  Abbau von Hämoglobin

Abb6,7: Abbau Hämoglobin (HORN et al. 2009, S. 502f.)

Die Erythrozyten werden in der Milz, dem Knochenmark und der Leber abgebaut. Dabei wird das Hämoglobin zunächst in den Häm- und den Globin-Teil zerlegt. Das Globin wird vollständig zu den entsprechenden Aminosäuren abgebaut, welche dann zur Neusynthese zur Verfügung stehen. Das Häm wird in mehreren Schritten abgebaut. In der ersten Phase wird es durch die Hämoxygenase in grünes Biliverdin umgewandelt.

Dort folgen weitere Reaktionen, um das Bilirubin polarer und besser wasserlöslich zu machen, damit es am Ende als Gallenfarbstoff mit der Gallenflüssigkeit ausgeschieden werden kann. (HORN et al. 2009, S. 502f.; KÖNIGSHOFF u. BRANDENBURGER 2007, S. 301f.)

10.              Literaturverzeichnis

BERG, J. M., TYMOCZKO, J. L. u. L., STRYER (2007): Stryer Biochemie. 6. Auflage. (Spektrum Akademischer Verlag) München.

CAMPBELL, N. A., REECE, J. B. u. J. MARKL (2006): Biologie. 6. Auflage. (Pearson Studium) München.

CLAUSS, W. u. C. CLAUSS (2009): Humanbiologie kompakt. (Spektrum Akademischer Verlag) Heidelberg.

DOENECKE, D., KOOLMAN, J., FUCHS, G. u. W. GEROK (2005): Karlsons Biochemie und Pathobiochemie. 15. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.

KOOLMAN, J. u. K.H. RÖHM (2003): Taschenatlas der Biochemie. 3. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.

KÖNIGSHOFF, M. u. T. BRANDENBURGER (2007): Kurzlehrbuch Biochemie. 2. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.

LÖFFLER, G. (2008): Basiswissen Biochemie mit Pathobiochemie. 7. Auflage. (Springer Medizin Verlag) Heidelberg.

MÜLLER-ESTERL, W. (2011): Biochemie. Eine Einführung für Mediziner und Naturwissenschaftler. 2. Auflage. (Spektrum Akademischer Verlag) Heidelberg.


11.              Abbildungsverzeichnis

1.    Abb1: Struktur des Hämoglobins: HORN, F., MOC, I., SCHNEIDER, N., GRILLHÖSL, C., BERGHOLD, S. u. G. LINDENMEIER (2009): Biochemie des Menschen. 4. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.



3.    Abb3: Häm-Molekül: HORN, F., MOC, I., SCHNEIDER, N., GRILLHÖSL, C., BERGHOLD, S. u. G. LINDENMEIER (2009): Biochemie des Menschen. 4. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.


4.    Abb4: Häm-Biosynthese: HORN, F., MOC, I., SCHNEIDER, N., GRILLHÖSL, C., BERGHOLD, S. u. G. LINDENMEIER (2009): Biochemie des Menschen. 4. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.


5.    Abb5: Sauerstoffbindungskurve: HORN, F., MOC, I., SCHNEIDER, N., GRILLHÖSL, C., BERGHOLD, S. u. G. LINDENMEIER (2009): Biochemie des Menschen. 4. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.


6.    Abb6: Abbau Hämoglobin: HORN, F., MOC, I., SCHNEIDER, N., GRILLHÖSL, C., BERGHOLD, S. u. G. LINDENMEIER (2009): Biochemie des Menschen. 4. Auflage. (Georg Thieme Verlag) Stuttgart.



12.              Erklärung zur Urheberschaft


„Ich erkläre hiermit, dass ich diese Arbeit selbstständig angefertigt und keine anderen als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe. Die den benutzten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen sind als solche gekennzeichnet.“


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Ort, Datum Unterschrift



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