Hämoglobine (von gr. αἶμα = Blut und lat. globus = Kugel) (Hb) sind eisenhaltige, sauerstofftransportierende Proteine, die in den roten Blutkörperchen (Erythrozyten) der Wirbeltiere (und einiger Mollusken sowie weniger Crustaceen und Insekten) und seiner Varianten gefunden werden. Sie nehmen den Sauerstoff in der Lunge bzw. den Kiemen auf und verteilen ihn im Körper. Die Bindung des Sauerstoffs erfolgt an einem Eisenkomplex des Protoporphyrins IX (Häm). Säuger-Hämoglobine bestehen aus vier Untereinheiten (2 α, 2 β), die jeweils eine Häm-Gruppe, die in ein Globin eingebettet ist, enthalten. Die Häm-Gruppe ist außerdem für die rote Farbe des Hämoglobins verantwortlich.
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Geschichtliches
Das Sauerstofftransportprotein Hämoglobin wurde 1840 von Hünefeld entdeckt.[1] 1851 beschrieb Otto Funke die Kristallisation von Hämoglobin durch Verdünnen von Tierblut mit Wasser, Ethanol oder Diethylether und anschließendem langsamen Verdampfen des Lösungsmittels aus der erhaltenen Proteinlösung („Funkesche Kristalle“).[2] Über die reversible Oxygenierung des Hämoglobins wurde 1866 erstmals von Felix Hoppe-Seyler berichtet.[3] Von ihm stammt auch der Name Hämoglobin. Das Hämoglobin ist eines der bestuntersuchten Proteine, seine Struktur wurde als eine der ersten überhaupt von Max Perutz et al 1959 mit Hilfe der Röntgenkristallographie ermittelt. [4][5][6][7] Für diese Arbeiten bekam er 1962 zusammen mit John Kendrew den Nobelpreis für Chemie.
Struktur
-
Bändermodell (Untereinheit α und β, rot bzw. blau) von Hämoglobin A mit der prosthetischen Gruppe Häm (Stäbchenmodell, grün) nach PDB 1GZX -
Strukturformel des Häm b
Säuger-Hämoglobine bestehen aus vier Untereinheiten, je zwei vom α- und zwei vom β-Typ. In jede dieser Untereinheiten ist jeweils eine prosthetische Gruppe, an der die Sauerstoffbindung stattfindet, eingebettet. Ein Hämoglobinmolekül kann also vier Sauerstoffmoleküle binden.
Die prosthetische Gruppe der sauerstofffreien Form ist ein Eisen(II)-Komplex des Protoporphyrins IX, welches die vier äquatorialen Positionen des Eisenions besetzt. Das Eisenion befindet sich in einem high-spin-Zustand und ist daher etwas zu groß, um in das Loch des Porphyrins zu passen. Es befindet sich also etwas unterhalb der Ringebene. Dieses Häm b ist über die axiale Position des Eisenions auf der Unterseite über einen proximalem Histidinrest an die Proteinmatrix gebunden. Die zweite axiale Position auf der Oberseite ist unbesetzt und steht für die Anbindung des Sauerstoffmoleküls zur Verfügung.
Methämoglobin
Methämoglobin ist eine deaktivierte, nicht sauerstoffaffine Form des Hämoglobins, in dem das Eisenion sich in der Oxidationsstufe III statt II befindet. Das NADH-abhängige Enzym Methämoglobinreduktase (Diaphorase I) ist dafür verantwortlich, Methämoglobin wieder in Hämoglobin zu überführen. In der Regel liegen beim Menschen zwei Prozent des Hämoglobins als Methämoglobin vor. Ein höherer Anteil ist entweder genetisch bedingt oder eine Folge einer Vergiftung. In Abhängigkeit vom Methämoglobinlevel kann dies zu Gesundheitsproblemen führen.
Sauerstofftransport
Leistungsfähigkeit
Hämoglobin ist ein globuläres Protein von sehr guter Löslichkeit, in einem Liter Wasser lösen sich bis zu 5 mmol/l (34 %) Hämoglobin. 1 g Hb kann in vitro 1,389 ml Sauerstoff binden, in vivo jedoch nur 1,34 ml (Hüfnersche Zahl), somit können 100 ml Blut, die etwa 15 g Hb enthalten, bei 100-prozentiger Sättigung bis zu 15 × 1,34 = 20,1 ml Sauerstoff aufnehmen.
Auffällig ist der S-förmige-Verlauf der Bindungskurve. Normalerweise würde man erwarten, dass die Sauerstoffbeladung mit steigendem Sauerstoffpartialdruck zunächst stark und dann immer langsamer zunimmt (hyperbolischer Verlauf). Für Hämoglobin verläuft die Sauerstoffbindungskurve dagegen im physiologischen Bereich des Sauerstoffpartialdruck am steilsten, was zu einer hohen Transportkapazität führt. Der Anteil Sauerstoff-beladener Hb-Moleküle ist im venösen Blut niedriger und im arteriellen höher, als es bei angenommener hyperbolischer oder linearer Bindungskurve wäre.
Normbereich
Für das beim Erwachsenen überwiegende sog. "adulte Hämoglobin" (s. unten) wurde ein Normbereich festgelegt.
Als Normalbereich wird der Bereich bezeichnet, in dem die Hb-Werte von 96 Prozent aller gesunden Menschen liegen.
| Hämoglobin bei Menschen | ||
|---|---|---|
| g/dl (alte Einheit) |
mmol/l* (SI-Einheit) | |
| Männer | 13,5–17,5 | 8,7–11,2 |
| Frauen | 12–16 | 7,5–9,9 |
| Neugeborene | 26 | |
- Ein erhöhter Hämoglobin-Wert bedeutet meistens auch eine erhöhte Erythrozyten-Anzahl und kann z. B. bei Aufenthalt in großen Höhen (Sauerstoffmangel) oder durch Flüssigkeitsverlust auftreten (Polyglobulie).
- Ein verringerter Hämoglobin-Wert wird als Anämie bezeichnet.
Ein erhöhter/verringerter Hämoglobin-Wert ist immer abhängig vom Normalwert. Liegt der Normalwert bei 11,2 mmol/l, dann kann ein Wert von 8,7 mmol/l schon zu Symptomen von Anämie führen. Liegt der Normalwert bei 9 mmol/l, dann treten bei 8,7 mmol/l noch keine Symptome auf.
Die Höhe des Hämoglobinwertes ist maßgeblich bei der Zulassung zur Blutspende. Männer müssen einen Mindestwert von 13,5 g/dl - Frauen von 12,5 g/dl aufweisen, um vom Spendearzt zugelassen zu werden. Bestimmt wird der HB-Wert mittels elektronisch messender HB-Photometer. Aktuelle Informationen des DRK Blutspendedienstes sagen aus, dass Männer mit einem HB von >18,0 g/dl nicht mehr zur Spende zugelassen werden (12/2006).
Die Bestimmung des Hämoglobingehalts basiert auf dem Nachweis der Hämgruppen des Proteins. Daher wird als molare Hämoglobinkonzentration traditionell (so auch hier) die Konzentration der einzelnen Untereinheiten angegeben. Da ein Hämoglobinmolekül aus 4 Untereinheiten mit je einer Hämgruppe besteht, müssen die in mmol/l angegebenen Werte durch 4 geteilt werden, um die wahre Konzentration des Hämoglobins zu erhalten. Die in g/dl angegebenen Werte bleiben unverändert.
Sauerstoffbindung durch Hämoglobine auf molekularer Ebene
Bei der Bindung des Disauerstoffmoleküls wird das Eisenzentrum zur Oxidationsstufe III oxidiert. Das Sauerstoffmolekül wird zum Superoxid reduziert und bindet an das Eisenzentrum (Formulierung nach Weiss). Pauling formuliert dagegen einen Fe(II)-Disauerstoffkomplex. In der Nähe des Eisenzentrums befindet sich ein distales Histidin, welches das gebundene Sauerstoffmolekül über eine Wasserstoffbrücke stabilisiert. Das Eisenzentrum geht durch die Sauerstoffbindung in einen low-spin-Zustand über. Dabei verringert sich seine Größe und es rutscht in den Porphyrinring hinein.
Kooperativer Effekt bei der Sauerstoffbindung
Ein Hämoglobinmolekül kann vier Sauerstoffmoleküle binden. Aus rein statischen Erwägungen wäre zu erwarten, dass das Bestreben, weitere Sauerstoffmoleküle zu binden, mit jedem bereits gebundenen Sauerstoffmolekül abnimmt. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass das Gegenteil der Fall ist und die Sauerstoffaffinität mit steigender Beladung zunimmt (positive Kooperativität). Um dieses zu verstehen, muss man wissen, dass Hämoglobin in zwei Formen vorkommt, einer R- (relaxed) und einer T-Form (tensed). Im unbeladenen Zustand liegt praktisch ausschließlich die T-Form vor. Nimmt das Hämoglobin nun ein Sauerstoffmolekül auf, so führt dies, wie oben beschrieben, dazu, dass das beteiligte Eisenion in seinen Porphyrinliganden hineinrutscht. Dabei übt es einen Zug auf seinen axialen Histidinliganden aus, was zu einer Verschiebung des Gleichgewichtes zugunsten der R-Form führt. Hämoglobin in der R-Form ist erheblich sauerstoff-affiner als in der T-Form, sodass mit steigender Beladung eine steigende Sauerstoffaffinität erreicht wird.
pH-Wert-Abhängigkeit der Sauerstoffbindung
Das Gleichgewicht zwischen R- und T-Form ist pH-abhängig und wird durch Absenken des pH-Wertes zugunsten der weniger sauerstoffaffinen T-Form verschoben. Dies führt dazu, dass hohe Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen eine vollständige Entladung des Hämoglobins begünstigen.
Konkurrenz zwischen Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid
Kohlenstoffmonoxid (CO) ist sehr giftig, da es mit dem Sauerstoff um die axiale Koordinationsstellen der Eisenzentren konkurriert. An das freie Häm b bindet Kohlenstoffmonoxid 25000 Mal stärker als Disauerstoff, im Hämoglobin dagegen nur etwa 200 Mal. Die Ursache für die verringerte CO-Affinität ist, dass aufgrund des Raumbedarfes des distalen Histidins, die vom Kohlenstoffmonoxid bevorzugte lineare Fe-CO-Koordination nicht möglich ist. Einmal gebunden, kann CO z. B. lediglich durch Sauerstoffdruckbehandlung in einer Druckkammer verdrängt werden - es blockiert also Bindungsstellen für Sauerstoff. Bei starken Rauchern sind bis zu 10 Prozent des Hämoglobins mit CO besetzt.
Effekte, welche die Sauerstoffbindung beeinflussen.
Die Sauerstoffbindungskurve wird auf der Abszisse nach rechts verschoben durch:
- Temperaturanstieg
- Absinken des pH-Werts
- Steigerung der Konzentration von 2,3-Bisphosphoglycerat in den Erythrozyten
- Steigerung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid
Die Rechtsverschiebung führt dazu, dass das Hämoglobin leichter Sauerstoff abgibt. Ein Beispiel: Ein arbeitender Muskel verbraucht sehr viel Sauerstoff für die Kontraktion. Da er die Energie zum Teil in Wärme umsetzt, steigt in der arbeitenden Muskulatur die Temperatur an. Außerdem setzt er Milchsäure frei, der pH-Wert sinkt. Durch den gesteigerten Stoffwechsel entsteht vermehrt Kohlenstoffdioxid: durch die lokalen Effekte kann die Muskulatur mehr Sauerstoff aus dem Blut entnehmen.
- Die Muskulatur verfügt über Myoglobin (siehe unten), das eine höhere Affinität zu Sauerstoff besitzt (Sauerstoff stärker anzieht). Es dient als Sauerstoff-Speicher.
Die Sauerstoffbindungskurve wird auf der Abszisse nach links verschoben durch:
- Temperaturabnahme
- Anstieg des pH-Werts
- Absinken der Konzentration von 2,3-Bisphosphoglycerat in den Erythrozyten
- Absinken der Konzentration von Kohlenstoffdioxid
Die Linksverschiebung führt dazu, dass Hämoglobin Sauerstoff stärker bindet. Dies macht man sich z. B. bei Herzoperationen zu nutze, indem man den Patienten unterkühlt, um sein Blut maximal mit Sauerstoff zu sättigen. Tiere, die Winterschlaf halten, profitieren ebenfalls von diesem Effekt. In den Lungen wird ein Teil des Kohlendioxids im Zuge der Ausatmung abgegeben - das Hb kann wieder leichter mit Sauerstoff beladen werden.
Das im Rapoport-Luebering-Zyklus durch das Enzym Bisphosphoglyceratmutase gebildete 2,3-Bisphosphoglycerat ist das wichtigste Intermediat der Glykolyse in den roten Blutkörperchen. Es bindet an Hämoglobin und verursacht einen allosterischen Effekt; die Abnahme der Affinität des Hämoglobins zum Sauerstoff. Eine Erhöhung der 2,3-BPG-Konzentration ist bei der Höhenanpassung zu beobachten. Sinn dieser Regulation ist folgender:
Ist die Sauerstoffsättigung im Blut durch die „dünne Luft“ in großer Höhe vermindert, gibt Hb den gebundenen Sauerstoff an die Verbraucher schlechter ab als bei hoher Sättigung (siehe Bindungskurve). Trotzdem muss die Versorgung aller Organe mit O2 gewährleistet sein. Hb muss also weniger affin zum Sauerstoff werden, um die Peripherie ausreichend zu versorgen.
Hämoglobin-Typen
Es gibt beim Menschen vier leicht verschiedene Hämoglobine, wobei mit Hämoglobin im Allgemeinen der Haupttyp A1 (HbA1 oder auch einfach HbA) bezeichnet wird. Außerdem gibt es noch Hämoglobin A2 (HbA2), sowie die fetalen Hämoglobine HbF und Gower-2. Diese vier Proteinkomplexe unterscheiden sich in den Protein-Untereinheiten, aus denen sie aufgebaut sind: HbA1 besteht aus zwei α- und zwei β-, HbF aus zwei α- und zwei γ-, HbA2 aus zwei α- und zwei δ-, sowie Gower-2 aus zwei α- und zwei ε-Untereinheiten.
Durch Genduplikationen des Globin-Gens sind unterschiedliche Untereinheiten des Hämoglobins entstanden, welche unterschiedliche Affinitäten für Sauerstoff besitzen. Die Kombinationen dieser Untereinheiten als Tetramer werden je nach Sauerstoffbedarf zu unterschiedlichen Zeitpunkten synthetisiert, beispielsweise um als Fötus im Mutterleib Sauerstoff aus dem mütterlichen Blut zu erhalten.
Embryonale Hämoglobine
Während der Schwangerschaft muss Sauerstoff durch die Plazenta (Mutterkuchen) zum Fötus transportiert werden. Das ungeborene Kind besitzt einen anderen Hämoglobin-Typ, das HbF, das Sauerstoff mit wesentlich höherer Affinität bindet. Außerdem ist der Hämatokrit im Vergleich zur Mutter stark erhöht. Auf diese Weise gelangt durch die Nabelschnur genug Sauerstoff zum Fötus.
Die embryonalen Hämoglobine werden in der Embryonalphase, d.h. während der ersten 8 Wochen nach Befruchtung im Dottersack gebildet und tragen Eigennamen:
- Gower 1 (ζ2ε2) ("zeta-epsilon")
- Gower 2 (α2ε2) ("alpha-epsilon")
- Portland (ζ2γ2) ("zeta-gamma")
Fetale Hämoglobine
Als fetales Hämoglobin wird das während der Fetalperiode (ab der 9. Woche nach Befruchtung bis zur Geburt) vorwiegend gebildete Hämoglobin F (HbF) bezeichnet. Die Synthese des fetalen Hämoglobins beginnt schon in der vorangehenden Embryonalphase und wird auch nicht sofort nach Geburt gestoppt, sondern hält noch einige Monate an. Bildungsort sind Leber und Milz.
- Hämoglobin F (α2γ2) - Im Fötus das dominierende Hämoglobin, bei gesunden Erwachsenen nur in Spuren nachweisbar
Adulte Hämoglobine
Als adulte Hämoglobine gelten Hämoglobin A1 (HbA1) und Hämoglobin A2 (HbA2). Die Synthese der adulten Hämoglobine beginnt schon im Fetus und ersetzt dann in den ersten Monaten nach Geburt das fetale Hämoglobin. Bildungsort ist das Knochenmark. Beim gesunden Erwachsenen ist fetales Hämoglobin nur in Spuren nachweisbar.
- Hämoglobin A1 (α2β2) - 98 % (davon 4-6% glykosyliertes Hämoglobin A1c[8])
- Hämoglobin A2 (α2δ2) - 2 %.
Abbau von Hämoglobin
Wenn die roten Blutkörperchen das Ende ihres Lebens (etwa 120 Tage) erreicht haben, werden sie in den mononukleären Phagozyten hauptsächlich in der Milz (und bei hohem Anfall von abzubauendem Hämoglobin auch in der Leber und im Knochenmarks) abgebaut. Der Abbauprozess beginnt in der Milz und wird in der Leber fortgesetzt. Zuerst wird der Globinanteil vom Häm getrennt und zu Aminosäuren degradiert. Das Häm wird über eine Cytochrom-P450-abhängige Oxygenase (Hämooxygenase) zu Biliverdin gespalten, wobei Eisen (Fe2+) und Kohlenmonoxid frei werden. Das Eisen wird von den Makrophagen an das im Blut vorhandene Transportprotein Transferrin abgegeben. Die Biliverdin-Reduktase wandelt schließlich das grünliche Biliverdin in Bilirubin um. Dieses wird ins Blut abgegeben und an Albumin gekoppelt (da es schlecht wasserlöslich ist) und zur Leber transportiert. Hier wird das Bilirubin zweifach mit Glucuronsäure konjugiert und somit löslich gemacht – es kann nun mit der Galle in den Darm abgegeben und über den Stuhl ausgeschieden werden. Im Darm sorgen Bakterien dafür, dass die Glucuronsäure teilweise wieder gespalten wird, und auf diese Weise das orangefarbene Bilirubin reduziert wird zu farblosem Urobilinogen und zu braunem Sterkobilinogen. Ein geringer Anteil dieses reduzierten Bilirubins wird wieder über den Darm aufgenommen und über die Niere ausgeschieden (gelbe Farbe des Urins). Verschiedene Lebererkrankungen wie die Leberentzündung (Hepatitis) oder Abflussbehinderungen in der Gallenblase (Gallensteine) führen zu einer erhöhten Bilirubinkonzentration. Bilirubin ist der Farbstoff, der bei Einlagerung in die Haut zur so genannten Gelbsucht (Ikterus = Gelbfärbung der Haut und Lederhaut (Sclera) der Augen) führt.
Rolle bei Krankheiten
Mutationen im HBA1-Gen können zu Defekten der α-Untereinheit und diese zu Heinz-Körper-Anämie und zur α-Thalassämie führen. Mutationen im HBB-Gen können die Ursache für Heinz-Körper-Anämie, β-Thalassämie und Sichelzellenanämie werden. Manche Varianten der HBG1/HBG2-Gene können Neugeborenengelbsucht verursachen.[9]
Reduzierte Hämoglobinwerte, mit oder ohne Reduktion der Zahl von roten Blutkörperchen, führen zu den Symptomen einer Anämie. Es gibt viele Ursachen für eine Anämie, wobei Eisenmangel der häufigste Grund in der westlichen Welt sein dürfte. Durch Eisenmangel wird die Häm-Synthese gehemmt. Als Folge sind die roten Blutkörperchen hypochromisch (ohne die rote Farbe) und mikrozytisch (kleiner als normal).
Bei einer Hämolyse (verstärkter Abbau von roten Blutkörperchen), tritt eine Gelbsucht auf, verursacht durch das Hämoglobin-Metabolit Bilirubin.
Eine Gruppe von genetischen Defekten, bekannt als Porphyrien, führen zu einer Störung der Hämsynthese. Durch die Anreicherung von Häm-Vorstufen kommt es unter anderem zu Lichtempfindlichkeit, Abdominalschmerzen und neurologischen Problemen.
Mutationen in den Globinketten sind mit verschiedenen Hämoglobinopathieen verbunden, wie die Sichelzellenanämie und Thalassämie.
Die Erreger der Malaria spalten Hämoglobin in von ihnen infizierten roten Blutkörperchen, um daraus Proteine für ihren eigenen Stoffwechsel zu gewinnen. Aus dem Häm entsteht dabei Hämozoin, das vom Parasiten kristallisiert wird und unter dem Mikroskop in den infizierten Erythrozyten als Pigment erkennbar ist. Das Malaria-Medikament Chloroquin hemmt diese Kristallisierung und der Parasit wird durch das Häm vergiftet.
Nachweis
Der Nachweis von Hämoglobin erfolgt durch den Teichmann-Test, bei dem Blut vorsichtig mit Kochsalz und Eisessig erwärmt wird, wobei sich Hämin (Teichmann-Kristalle) abscheidet, oder mit der Luminolreaktion, bei der eine Lösung aus Luminol sowie Natronlauge und eine Lösung aus Wasserstoffperoxid verwendet wird. Diese Reaktion findet nur in Anwesenheit eines Katalysators statt, im Nachweisfalle von Hämoglobin wäre dieser das Eisen-(II)-Ion im Häm-Komplex.
Siehe auch
Andere sauerstoffbindende Proteine
Hämoglobin ist nicht das einzige Sauerstofftransporter in der Natur. Weitere Beispiele sind:
- Myoglobin übernimmt in den Muskeln von Wirbeltieren (inklusive Mensch) den Sauerstoff vom Hämoglobin. Sein aktives Zentrum ist ebenfalls ein Häm b, allerdings ist es im Unterschied zum Hämoglobin nicht tetra- sonder monomer.
- Hämocyanin ist der zweithäufigste Sauerstofftransporter in der Tierwelt und wird im Blutplasma vieler Arthropoden und Mollusken gefunden. Seine prosthetische Gruppe ist ein zweikerniger Kupfer(I)-Komplex.
- Hämerythrin wird von einigen marinen Invertebraten sowie wenigen Arten der Anneliden verwendet, um Sauerstoff in ihren Blutzellen zu transportieren. Sein aktives Zentrum wird von zwei Eisen(II)-Ionen gebildet.
Weiteres
Einzelnachweise
- ↑ Hünefeld F.L.: Die Chemismus in der thierischen Organization. Leipzig, 1840.
- ↑ A NASA Recipe For Protein Crystallography. (PDF) In: Educational Brief. National Aeronautics and Space Administration, abgerufen am 12. Oktober 2008.
- ↑ Hoppe-Seyler F: Über die oxydation in lebendem blute. In: Med-chem Untersuch Lab. 1. Jahrgang, 1866, S. 133–140.
- ↑ M.F. Perutz, M.G. Rossmann, A.F. Cullis, H. Muirhead, G. Will, A.C.T. North: Structure of H. In: Nature. 185. Jahrgang, Nr. 4711, 1960, S. 416–422, doi:10.1038/185416a0, PMID 18990801.
- ↑ Perutz MF: Structure of hemoglobin. In: Brookhaven symposia in biology. 13. Jahrgang, November 1960, ISSN 0068-2799, S. 165–83, PMID 13734651.
- ↑ Perutz MF, Miurhead H, Cox JM, et al: Three-dimensional Fourier synthesis of horse oxyhaemoglobin at 2.8 A resolution: (1) x-ray analysis. In: Nature. 219. Jahrgang, Nr. 5149, Juli 1968, S. 29–32, DOI:10.1038/219029a0;(?!), PMID 5659617.
- ↑ Perutz MF, Muirhead H, Cox JM, Goaman LC: Three-dimensional Fourier synthesis of horse oxyhaemoglobin at 2.8 A resolution: the atomic model. In: Nature. 219. Jahrgang, Nr. 5150, Juli 1968, S. 131–9, PMID 5659637.
- ↑ HbA1c: Maß für die Zuckerkonzentration im Blut, für die letzten 4-8 Wochen
- ↑ UniProt P69905, UniProt P68871, UniProt P69891
Weblinks
- Biorama - Sauerstofftransport im Blut
- Hämoglobin (Sauerstoffbindung, Aufbau) – Universität Saarland
- Interaktives 3D Modell von Hämoglobin – Proteopedia (engl.)
- Molekül des Monats: Hämoglobin (englisch)
- Jennifer McDowall/Interpro: Protein Of The Month: Haemoglobin. (engl.)