Zwei Proteine, die der Sauerstoffspeicherung und dem Sauerstofftransport dienen, sollen uns in diesem Spot beschäftigen. Es handelt sich um Myoklobin und Hämoklobin.

Myoklobin und Hämoklobin sind sogenannte Häm-Proteide. Beschäftigen wir uns daher zuerst mit der hier gezeigten Häm-Gruppe. Sie ist völlig eben gebaut. Die Doppelbindungen in ihr sind konjugiert.

Elektronendelokalisation über das gesamte Ringsystem ist damit möglich. Wir zeigen deswegen auch gar keine Symbole für Doppelbindungen. Zentralteilchen in geladartiger Bindung ist ein Eisen-2-Ion.

Die Elektronenstruktur des elementaren Eisens in der dritten und vierten Schale soll uns hier kurz beschäftigen. In der dritten Schale finden wir zwei Elektronen in einem S-Orbital

und sechs Elektronen in drei P-Orbitalen. Es gibt daneben fünf D-Orbitale, von denen drei besetzt sind. Zwei D-Orbitale sind noch frei, wie man es bei einem Nebengruppenelement wie Eisen auch erwarten kann.

Zusätzlich sind im elementaren Eisen in der vierten Schale zwei Elektronen in einem S-Orbital untergebracht. Beim Übergang zum Eisen-2-Ion werden die beiden Elektronen des 4S-Orbitals abgegeben. Aufgrund der vier freien Elektronenpositionen in den beiden D-Orbitalen

kann das Eisen-2-Ion vier Elektronen aufnehmen. Es ist daher koordinativ vierbindig. Im Hämen ersetzt das Eisen-2-Ion zwei Protonen

auseinander gegenüberliegenden Pyroll-Ring-Systemen. Die beiden Wasserstoffatome der Pyroll-Ringe sind aufgrund der Elektronenstruktur abzieht.

Zu den anderen beiden Stickstoffatomen werden über ihre freien Elektronenpaare koordinative Bindungen entfaltet. Wir sehen, dass das Zentralteilchen in vier Chelat-Ring-Systemen fest eingefügt ist. Nun hat das Eisen-2-Ion noch zwei unbesetzte Lücken in inneren Schalen,

die auch zur Komplexbildung ausgenutzt werden. Senkrecht zur Ring-Ebene werden folglich noch zwei weitere koordinative Bindungen entwickelt.

Es gibt verschiedene Porphyrin-Ring-Systeme. Fast stets sind sie überwiegend apolar gebaut. In unserem Beispiel hier gibt es neben zwei Ethen-Gruppierungen noch zwei Propionsäure-Reste. Das Bio-Bit-Modell des Myoglobins zeigt,

wie die Helmgruppe in die Proteinkette eingebaut ist, ihr durch eine rote Plastik-Scheibe markiert. Sie sitzt in einer sogenannten Helmtasche. Das Myoglobin ist aus 153 Aminosäuren aufgebaut. Man kennt seine Struktur recht genau.

Sie hat einen relativ hohen Anteil von etwa 70% Helixstruktur. Die anderen 30% der Kette sind nach komplizierteren Gesetzmäßigkeiten strukturiert.

Bei einem so hohen Anteil an Sekundärstruktur

ist es verständlich, dass keine Disulfidbrücken nötig sind, um die Tertierstruktur zu fixieren. Ionale Kräfte zwischen sauren, rot gekennzeichneten und basischen Aminosäuren, blau markiert, stabilisieren die Myoglobin-Tertierstruktur.

Wir sehen ferner, dass die weiß markierten Reste fast alle in das Innere des Moleküls ragen. Das kann natürlich nur funktionieren, wenn bei der Synthese der Peptitkette an der entsprechenden Stelle dafür gesorgt wird,

dass dort Einbau einer apolaren Aminosäure stattfindet.

Aufgabe des Myoglobins ist, wie diese Sauerstoffbindungskurve hier zeigt, die Sauerstoffspeicherung im Gewebe. Bei hohem Sauerstoffangebot,

also im rechten Teil der grünen Kurve, wird Sauerstoff angelagert. Bei Sauerstoffbedarf, also niedrigem Sauerstoffpartialdruck im linken Teil der Kurve, wird der Sauerstoff weniger festgebunden und daher abgegeben. Um den Prozess der Sauerstoffbindung

genauer zu verstehen, wollen wir wieder das stärker vergrößerte Bild des Häms, wie es die Frameworkbauteile bieten, betrachten. Wir sehen die Hämtasche. Der Porphyrinring steckt in ihr. Er guckt nur mit einer Kante heraus.

Auch hier finden wir wieder, dass der polare Teil, die Propionsäuregruppierungen, nach außen sehen, während die unpolaren Abschnitte nach innen, also ins Innere des Proteinmoleküls, gerichtet sind. Der Porphyrinring wird mithilfe der beiden

Propionsäurereste und zwei in der Lage korrespondierenden basischen Aminosäuren im Proteinanteil des Myoglobins fixiert. Außerdem gehen die beiden koordinativen Bindungen senkrecht zum Porphyrinringsystem zu zwei Histidinresten

aus der Myoglobin-Proteinkette. Schließlich fällt auf, dass die Innenseite der Hämtasche durch apolare Aminosäuren ausgekleidet ist. Sie bilden vielfache hydrophobe Wechselwirkungen mit dem Porphyrinringsystem aus.

Sauerstoff wird nun dadurch an das Eisen des Häms gebunden, dass die eine koordinative Bindung zwischen Eisen und Histidin gelöst wird.

Sie ist sowieso aufgelockert, weil das benachbarte Pielektronensystem eines Phenylrings aus einem Phenylalaninmolekül der Proteinkette in Resonanz mit dem Elektronensystem des Histidins steht.

Als Elektronendonator fungiert stattdessen Sauerstoff gegenüber dem Eisen. Dessen Elektronenzahl wird dadurch nicht geändert. Es wird nur der Elektronenlieferant geändert bei diesem Prozess der Oxygenierung, der damit kein Oxidationsvorgang ist.

Er ist am besten als der Zwischenschieben des Sauerstoffs zwischen Imidazolring und Eisenzentralteilchen zu beschreiben. Neben dem Myoklobin ist ein anderes,

sehr wichtiges Molekül mit Sauerstoffübertragungsfunktion betreut, nämlich das Hemoklobin, der rote Blutfarbstoff. Hemoklobin ist in vieler Hinsicht dem Myoklobin sehr ähnlich gebaut. Insbesondere ist die Bindung des Häms an den Proteinanteil vollkommen identisch.

Betrachten wir zuerst einmal vergleichend die Sauerstoffbindungskurve bei Myoklobin und bei Hemoklobin. Man sieht, dass Hemoklobin mit Sauerstoff in der Lunge etwa in gleichem Maß beladen wird, wie Myoklobin bei gleichem Sauerstoffangebot.

Unter den Sauerstoffbedingungen, die in der Muskulatur herrschen, gibt Hemoklobin dagegen den Sauerstoff viel leichter ab, etwa an Myoklobin zur Speicherung. Wir sehen weiter, dass die Hemoklobin-Sauerstoffbindungskurve S-förmig ist. Offensichtlich unterliegt der Vorgang

beim Hemoklobin etwas anderen Gesetzmäßigkeiten. Auffällig ist auch noch die pH-Abhängigkeit der Sauerstoffbindung am Hemoklobin. Die pH-Abhängigkeit der Sauerstoffbindung ist der Bohreffekt.

Er führt dazu, dass im Gewebe, in dem viel Sauerstoff verbraucht wird und daher viele Sauerstoffwechselendprodukte wie etwa Milchsäure oder CO2 gehäuft auftreten, Sauerstoff gut abgegeben wird. Zur vorerst noch etwas hypothetischen Erklärung

des Bohreffektes nimmt man an, dass ein Elektronensog von einem Imidazolringsystem über den Sauerstoff sich zum anderen Imidazolring besser ausbilden kann. Dadurch wird dessen Elektronendichte beeinflusst und die Bindung des Wasserstoffs

am Stickstoff aufgelockert. Oxygeniertes, also mit Sauerstoff beladenes Hemoklobin, ist damit eine stärkere Säure als nicht-oxygeniertes. Für einen Vergleich des Myoglobins

mit dem Hemoglobin benötigen wir ein weniger vergrößertes, stärker abstrahiertes Modell des Myoglobins. Wir haben in ihm hier mit Draht nur den Hauptverlauf der Proteinkette angegeben. Das Aminoende ist mit blauem Punkt, das Carboxylende, rot markiert.

Hemoglobin besteht praktisch aus vier Myoglobin-Einheiten. Es gibt kleine Unterschiede, die uns hier jedoch

nicht beschäftigen sollen. Im Hemoglobin-Molekül sind vier Ketten vorhanden, die man Alpha- bzw. Beta-Ketten nennt, weil sie sich untereinander auch noch ein bisschen unterscheiden. Die vier Ketten sind in gesetzmäßiger Weise zueinander angeordnet.

Die vier Hem-Gruppen sehen auf die Außenseite des Moleküls. Die Art der Bindung der Hem-Gruppe ist übrigens genau die gleiche wie beim Myoglobin. Die Kontakte zwischen den vier Ketten beruhen auf Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophoben Wechselwirkungen.

Die vier Einheiten sind jedenfalls nicht durch kovalente Bindungen, also mit starrem Bindungsabstand, verbunden.

Die Packung ist im Übrigen nicht lückenlos. Durch das Innere des Hemoglobin-Moleküls zieht sich ein etwa 20 Angstströmen weiter Kanal, der innen mit polaren Gruppen besetzt ist.

Hemoglobin hat nun etwas andere Funktionen als Myoglobin. Hemoglobin soll im Blut Sauerstoff transportieren und an Myoglobin abgeben.

Das Sauerstoffbindungsvermögen des Hemoglobins ist daher schwächer als das des Myoglobins. Das zeigt auch der Vergleich dieser Bindungskurven. Darüber fällt auf, dass die Hemoglobin-Kurve S-förmig ist.

Die O2-Bindungskurve des Hemoglobins ist dagegen eine Hyperbel. Man erklärt die S-förmige Sauerstoffbindungskurve des Hemoglobins dadurch, dass man vier miteinander gekoppelte Reaktionen

annimmt, die wir schematisiert mit einer Grafik erklären wollen. Ein Sauerstoff-Molekül reagiert danach zuerst mit einer Hem-Gruppe einer Kette. Dabei wird ihre Konformation geringfügig geändert. Der Effekt pflanzt sich zurzeit noch hypothetisch auf die benachbarte Kette fort.

Dort wird die Bindung zwischen Eisen- und Imidazol-System gelockert, sodass dort jetzt Sauerstoff leichter angelagert werden kann. Als Folge schwillt die zweite Kette ebenfalls leicht unter Konformationsänderung an. Diese Änderung wird nun gleichartig auf die anderen Hälfte des

Hemoglobin-Moleküls übertragen, da diese konformativ nicht mehr so gut zu der Seite mit den beiden oxygenierten Ketten passt. Folglich wird auch in den beiden anderen Ketten eine Konformationsänderung erzwungen, die zu einer leichteren Bindung des Sauerstoffs führt.

Als Konsequenz ergibt sich, dass das erste Sauerstoffatom nur schwierig an das Hemoglobin gebunden wird. Das zweite und das dritte O2-Molekül reagieren schon wesentlich leichter.

Und das vierte lagert sich mehrere hundert mal schneller an als das erste. Es ergibt sich somit die S-förmige Bindungskurve.

Der Mechanismus einer scheinbaren Fernwirkung eines Stoffes auf die Proteinkonformation ist von großer Bedeutung. Man nennt den Effekt Allosterie, weil eine fremdartige Raumstruktur durch Bindung eines Stoffes hervorgerufen

wird. Die Allosterie spielt bei der Erklärung der Regulation der Aktivität von Enzymen eine große Rolle.

Durch Oxidation des Eisens zur dreivertigen Stufe wird Hemoglobin funktionsunfähig. Es entsteht MET Hemoglobin.

Durch Oxidation, also Elektronenentzug, wird eines der Elektronen aus einem der D-Orbitale entfernt. Als Folge ist das Eisen jetzt dreivertig positiv geladen.

Im Hem ergibt sich als Konsequenz, dass das vorher als ganzes ungeladene nach Oxidation eine überschüssige Ionenladung trägt. Sie zieht gegenseitig geladene Anionen, wie etwa

das überall vorhandene Chlorid-Ion, stärker an als den Sauerstoff mit seinem vergleichsweise schwächeren Bindungsvermögen über die koordinative Bindung. Folglich wird die Position, wo eigentlich Sauerstoff transportiert werden soll, blockiert. Das oxidierte

Hemoglobin, das man MET-Hemoglobin nennt, hat keinerlei Sauerstoff-Transportvermögen mehr. Eine in größerem Maße stattfindende Oxidation des Hems ist für den Körper tödlich. Stärkere Oxidationsmittel sind daher als MET-Hemoglobin-Bildner

Gifte. Beachten Sie daher, dass die übliche Sauerstoffbindung an das Hem keine Oxidation darstellt. Lysozym ist ein Protein mit Enzymfunktion,

dessen Struktur sehr gut untersucht ist. Wir wollen Sie daher hier vorstellen. Die Primärsequenz zeigt eine Kette von 129 Aminosäuren, sowie das Aminoende und das

Carboxylende. Die Kette ist durch 4 Disulfidbrücken vernetzt. Die Wechselwirkung mit dem Substrat erfolgt in einer Spalte, die durch die in dieser Grafik dunkelgrün markierten Aminosäuren

gebildet wird. Sie liegen in der Kette teilweise weit auseinander. Nur durch richtige Fältelung zur Terzierstruktur geraten diese Aminosäuren näher zueinander. Das Biobit-Modell zeigt den Verlauf der Peptidkette in der

Terzierstruktur. Der Alpha-Helix-Anteil ist mit 14% relativ geringfügig. Ein Abschnitt mit antiparalleler Faltblattstruktur erstreckt sich über etwa 6% der Kette. Die restlichen 80% der Kette sind, obwohl streng

gesetzmäßig in der Konformation strukturiert, nicht mit Hilfe gängiger Sekundärstrukturtypen beschreibbar. Die stabilisierende Funktion der 4 Disulfidbrücken wird damit als unbedingt notwendig klar.

Auffällig ist am Molekülferner noch ein Spalt, in den das Substrat passt. Einzelheiten hierzu werden in Spot F5 mitgeteilt.