Hämoglobin

Nobelpreis in Chemie 1962

„for their studies of the structures of globular proteins “

Perutz Kendrew

Gastransport im Blut

Gastransport im Blut

21% Sauerstoff

79% Stickstoff

0,04% CO2

Löslichkeit von Sauerstoff und Kohlendioxyd

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

- Kohlendioxyd ist 20x besser wasserlöslich als Sauerstoff- Kohlendioxyd kann mit Wasser zu Kohlensäure reagieren

Carboanhydrase

Hämoglobin TetramereMyoglobin Monomere

Carboanhydrase

Löslichkeit von Sauerstoff und Kohlendioxyd

CO2 + H2O HCO3- + H+

- Kohlendioxyd ist 20x besser wasserlöslich als Sauerstoff- Kohlendioxyd kann mit Wasser zu Kohlensäure reagieren

Carboanhydrase

Hämoglobin TetramereMyoglobin Monomere

Myoglobin

153 Aminosäuren, 8 α-Helices hydrophobe Tasche

GlobinHämEisen

Sauerstoff- und CO-Bindungswinkel

distal

proximal

Belegung der 6. Koordinationsstelle des Eisens

Desoxy-Myoglobin / Desoxy-Hämoglobin: Fe2+ / leerOxy-Myoglobin / Oxy-Hämoglobin: Fe2+ / O2Ferri-Myoglobin / Methämoglobin: Fe3+ / H2O

Carboxy-Myoglobin / Carboxy-Hämoglobin: Fe2+ / CO

SauerstoffbindungskurveMyoglobin

Sauerstoffbindungskurve von Myoglobin und Hämoglobin

ruhenderMuskel

arbeitenderMuskel

Biologischer Sinn von Kooperativität

Hämoglobin ist einTetramer α2β2T-R-Übergang

T-R-Übergang im Hämoglobin

T-R-Übergang im Hämoglobin

T

R

T-R-Übergang im Hämoglobin

T R

Loch

Herabsetzen der Affinität I:2,3-Bisphosphoglycerat

T

2,3-BPG und Höhenadaptation

T

Fetales Hämoglobin

His143 Ser143

Fetales Hämoglobin

Gower 1: ζ2ε2Gower 2: α2ε2Portland: ζ2γ2HbF: α2γ2HbA1: α2β2HbA2: α2δ2

Herabsetzen der Affinität II:Protonen (Bohr-Effekt)

T

His146 Asp94

His146 Asp94+

+

..... T

R

Herabsetzen der Affinität III:Kohlendioxyd

O

C

O

C C

R

H

O

ProteinH2N

Amino Terminus

C C

R

H

O

ProteinHN

Carbamate on Amino Terminus

CO

O

H+

Herabsetzen der Affinitat IV:hohe Temperatur

Zusammenfassung

Myoglobin HämoglobinMyozyten ErythrozytenMonomer Tetramer

hohe O2-Affinität niedrige O2-Affinität

Affinität zum Sauerstoff nicht von anderen Molekülen abhängig

Affinität zum Sauerstoff sinkt durch CO2, H+, 2,3-BPG und Wärme

keine Kooperativität Kooperativität

Abgabe von O2 und Aufnahme von CO2 im Gewebe

- viele Protonen- viel CO2

- hohe Temperatur

Aufnahme von O2 und Abgabe von CO2 in der Lunge

- wenige Protonen- wenig CO2

- niedrige Temperatur

glykiertes Hämoglobin (HbA1c)

Diagnostik der Blutglukose während der letzten 2 – 3 Monate

HbA1c: Blutzuckergedächtnis

Pathologie I: MalariaEpidemiologie

250 Millionen Fieberfälle, 1 Million Todesfälle pro Jahr

Pathologie I: MalariaErreger und Vektor

Anopheles Mücke

Kenia: Anopheles gambiae (1.900)Indien: Anopheles culicifacies (1,4)

Plasmodium falciparum

Pathologie I: MalariaLebenszyklus

Pathologie I: MalariaKlinik

- Fieber- Bewußtseinstörungen bis Koma- Hämolytische Anämie- Hämoglobinurie- Splenomegalie- Nierenversagen- Lungenödem

Pathologie I: MalariaProphylaxe und Therapie

- Chinin (Gin Tonic) hemmt DNA-Synthese

- PrimaquinInteragiert mit DNA-Doppelstrang und hemmt Proteinbiosynthese

- Chloroquinhemmt Kristallisierung von Hämozoin (Abbauprodukt des toxischen Häms)

- Mefloquinunbekannt

- Artemether-LumefantrinA.: toxische RadikaleL.: Hemmt Abbbau von Haemin zu Haemozin

- Atovaquon-ProguanilA.: Ubichinonanalogon, hemmt DNA-SyntheseP.: Hemmt Dihydrofolatreduktase

- Doxycyclin (Tetrazyklin)Antibiotikum

Pathologie II: Sichelzellanämie

Pathologie II: Sichelzellanämie

Pathologie II: Sichelzellanämie

Sichelzellbildung nach Sauerstoffabgabe

Sichelzellanämie

Pathologie II: SichelzellanämieHeterozygot

Nahezu Symptomfrei(1% Sichelzellen)

Pathologie II: SichelzellanämieHomozygot

- Hämolytische Anämie- Durchblutungsstörungen- Schlaganfall- Milzinfarkt- Lungenentzündung- Herzversagen- Nierenversagen- Muskel- Osteonekrose

Sichelzellanämie und Malaria

Sichelzellanämie und Malaria

Heterozygot Resistenz gegen Malaria:- Plasmodium falciparum Stoffwechsel erniedrigt den pH- Sauerstoffabgabe durch Bohr Effekt- Sichlzellbildung- Eliminierung infizierter Erythrozyten durch die Milz

Pathologie III: β-Thalassämie

Gower 1: ζ2ε2Gower 2: α2ε2Portland: ζ2γ2HbF: α2γ2HbA1: α2β2HbA2: α2δ2

locus controlregion

Pathologie III: β-Thalassämie

Pathologie IV: α-Thalassämie

HbH: β4Barts: γ4

Genotypen:α/α α/α: gesund−/α α/α: kaum Symptome (MCV und MCH erniedrigt)−/α −/α: kaum Symptome, milde mikrozytäre hypochrome Anänmie−/− −/α: HbH und Hb Barts, mikrozytäre hypochrome Anänmie,

Splenomegalie−/− −/−: meist Totgeburt mit hydrops fetalis

Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase Mangel

Glukose-6-Phosphat Dehydrogenase

13 Exons12 Introns2269 NukleotideX-Chromosom q28515 Aminosäuren59.265 Dalton2-4 Untereinheiten

X-chromosomal-rezessiv

X-chromosomal-rezessiv

Glukose-6-Phosphat Dehydrogenase

NADP+ NADPH + H+

NADP+

(Nikotinamidadenindinukleotidphosphat)

Glukose-6-Phosphat Dehydrogenase

Glutathion = Reduktionskraft

Pentose-Phosphatweg im Erythrozyten

Pentose-Phosphatweg im Erythrozyten

oxidativer Teil:

C6 + 2 NADP+

C5 + C1 + 2 NADPH

nicht oxidativer Teil:

6 C5

5 C6

Elektronegativität

Reactive Oxygen Species (ROS)

Ein-Elektronenreduktion von Sauerstoffdurch Strahlung oder Autooxidation vonreduzierten Stoffwechsel-zwischenprodukten

Reactive Oxygen Species (ROS)

H2O2 .OH O2-.

Entgiftung

FAD

NADH + H+ + 2 Fe3+

NAD+ + 2 Fe2+

Methämoglobin Reduktase= Cytochrom b5 Reduktase

Entgiftungsfunktion von Glutathion

Reduktion von Fe3+ (Methämoglobin) zu Fe2+

Reduktion von Wasserstoffperoxyd zu Wasser

Reduktion von organischen Peroxiden

Reduktion von S-S-quervernetztem Hämoglobin

Heinz-Körper

Erythrozyt: 2 GSH / GSSG = 500

Regeneration von Glutathion

Anaerobe Glykolyse als Notlösung

kein Sauerstoffkeine Atmungskettekein NAD+

keine Glykolyseüberhaupt kein ATP mehr

pH

2 ATP

keine Atmungskettekein ATP / kein NAD+

keine Glykolyseüberhaupt kein ATP mehrZellnekrose

LDH

Leber: Hämabbau

Erythrozyt

Milz

Leber

Intestinaltrakt

Blut

Niere

Galle

Albumin

rot blau

grün

gelbrot

gelbrot

braungelb

direktes Bilirubin

indirektes Bilirubin

+ CO

Bilirubin: Ikterus und Radikalfänger

Favismus

Saubohne (vicia faba)

Favismus

starke Oxidationsmittel:MembranschädigungBildung von GS-SG

Favismus

Kontrolle 120 min. 2 mM divicine

Tox Sci (2001): 62, 353

Epidemiologie

J His Cyt (2009): 57, 1003

G-6-P-Mangel und Malaria

Plasmodium falciparum