7.2. Az oxigénkötés alapvető problémaköre

Az aerob élőlények sejtjeinek a biológiai oxidációhoz oxigénre van szükségük. Az oxigén azonban rosszul oldódik vízben. Az oxigén sejteken keresztüli diffúziója nem elég hatékony megoldás. Az oxigént tehát valamilyen módon szállítani kell, egy vízben jól oldódó molekulába kell csomagolni.

Mivel a szervezetben szinte minden funkciót fehérjék látnak el, ezért kézenfekvő, hogy az oxigén szállítását is fehérje végzi. Ez valóban így is van, de ennek lehetősége sokkal kevésbé magától értetődő, mint ahogy azt elsőre gondolnánk. A 20 fehérjealkotó aminosav közül ugyanis egyik sem képes oxigént kötni. A fehérjék egy része ugyanakkor képes közvetlenül aminosavakon keresztül komplexet képezni fémionokkal, amik pedig ragyogóan képesek megkötni az oxigént. A probléma azonban az, hogy ez a kötés rendszerint nem áll meg egy egyszerű másodlagos kölcsönhatásnál, a fémek kémia reakcióba lépnek az oxigénnel, miközben reaktív, mutagén gyököket képeznek.

A fémet tehát valahogy úgy kellene fehérje molekulába ágyazni, hogy az megkösse az oxigént, de ne lépjen vele kémiai reakcióba. Erre szolgál a fehérjemolekulához kötődő, nem-fehérje természetű szerves molekula, a hem. A hem alapja a porfirin váz, amely 4, egymással metin csoportokkal összekötött pirrol gyűrűből áll. A konkrét hem-től függően a pirrol gyűrűkön gyűrűnként kettő, tehát a hemen összesen nyolc pozícióban különféle funkciós csoportok lehetnek jelen (lásd 7.1. ábra).

7.1. ábra: A profirin váz szerkezete, a hem felépítése, a vas koordinációs kötései

7.1. ábra: A profirin váz szerkezete, a hem felépítése, a vas koordinációs kötései

A hem delokalizált elektronszerkezettel bír. Képes Fe2+ ionnal, tehát kettes oxidációs számú ferro-vassal, és Fe3+ ionnal, azaz hármas oxidációs számú ferri-vassal is komplexet képezni. Mindkét állapotú vas hat ligandum atom fogadására képes. Ezek közül négy ligandum atomot a porfirin váz négy nitrogénje biztosít. A másik két koordinációs pozíció miatt még két ligandum kötődhet. Az egyik, mint látni fogjuk, a fehérje által biztosított hisztidin oldallánc nitrogénje, a másik az oxigénmolekula lesz. A ferro-vasat tartalmazó hem képes oxigént kötni, míg az oxidáltabb ferri-vas hem komplexe inkább vízzel alkot komplexet, ami barna színű. (A Fe2+ kötése során a pirrol aminocsoportok protont adnak le, aminek jelentőségéről később lesz szó). Az oxigénkötő fehérjében a hem, valamint a fehérje együttesen olyan elektrongazdag rendszert képeznek, amely eredményesen védi az oxigént kötő ferro-vasat az oxidációtól. Ez a védelem szűnik meg akkor, amikor a vér megalvad, és a benne lévő hemoglobin denaturálódik. Ennek hatására a hemben lévő ferro-vas ferri-vassá oxidálódik, és vízzel alkot komplexet. Ez magyarázza az olvadt vér barna színét.

A hemoglobin működését tanulságos a mioglobin működésével összevetve elemezni. A két molekula az evolúció során egy közös fehérjéből alakult ki. Felépítésükben és működésükben vannak lényeges azonosságok és különbségek. A működési azonosságok illetve eltérések jól magyarázhatók a szerkezeti azonosságokkal és eltérésekkel, ahogyan az a szerkezet és a funkció egymásra épülése miatt várható is.