7.3. A mioglobin és a hemoglobin összehasonlítása

A mioglobin (Mb) a gerincesekben előfordul fehérje, amit különösen az izomsejtek tartalmaznak nagy mennyiségben (innen a „mio” előtag). Biológiai funkciója az oxigén ideiglenes tárolása. A tengeri emlősök, például a cetek és a fókák izmában különösen nagy mennyiségben fordul elő, ez adja például a bálnák izomszövetének mélybordó színét. A tengeri emlősök nagyon hosszú időt képesek a víz alatt tölteni, azért mert ez idő alatt a mioglobinban raktározott oxigént használják fel. A mioglobin egyetlen polipeptidláncból áll, amely egyetlen hem csoportot tartalmaz. A mioglobin a globin fehérjék családjába tartozó globuláris fehérje. Mivel hemet köt, a hemoproteinek közé tartozik.

A mioglobinnal ellentétben a hemoglobin(Hb)oxigénszállító funkcióval rendelkezik. Ez a fehérje is jelen van minden gerincesben, mégpedig a vörösvérsejtekben / vörösvértestekben. A koncentrációja igen magas, a sejt tömegének 34 százalékát a hemoglobin teszi ki. A hemoglobinban négy polipeptidlánc van, a fehérjét két α két β lánc alkotja, tehát a hemoglobin egy heterotetramer (az α és β alegység szekvenciája ~50%-ban azonos). Lánconként egy hemet tartalmaz, tehát egy hemoblobin molekulában összesen négy hem van.

A két fehérje közös tulajdonságai az alábbiakban foglalhatók össze. A Fe2+ két, hem által szabadon hagyott koordinációs pozíciója közül az egyiket mindkét fehérjében az 93-as hisztidin oldallánc Nε2 nitrogénatomja foglalja el. Ez a hisztidin oldallánc mindkét fehérjében a fehérjeszerkezet azonos pozíciójában van. Ezt a hisztidint mindkét fehérjében proximális (közeli) hisztidinnek nevezik. A fennmaradó egyetlen koordinációs pozícióhoz kapcsolódik az oxigén (lásd 7.2. ábra).

7.2. ábra: A hem és a proximális hisztidin által koordinált vas oxigén- illetve szénmonoxid-kötése

7.2. ábra: A hem és a proximális hisztidin által koordinált vas oxigén- illetve szénmonoxid-kötése

Ismert tény, hogy a hemoglobin és a mioglobin az oxigén mellett a szénmonoxidot is megköti, mégpedig jóval erősebben, mint az oxigént. Izolált hem 20-ezerszer erősebben köti a szénmonoxidot, mint az oxigént. Ezt úgy kell érteni, hogy ahhoz, hogy az oldatban lévő hem fele oxigén-kötött állapotban legyen, 20 ezerszer akkora oxigén koncentrációra van szükség, mint amekkora szénmonoxid koncentráció kell ahhoz, hogy a hem csoportok fele szénmonoxidot kössön. A mioglobin illetve hemoglobin fehérjéhez kötött hem esetében azonban ez az arány százszor kedvezőbb, vagyis a fehérjébe ágyazott hem már „csak” 200-szor erősebben köti a szénmonoxidot, mint az oxigént. Mivel normális esetben szénmonoxid csak nyomokban kerül a vérbe, ez a 200-szoros arány azt jelenti, hogy praktikusan csak az oxigén kötődik. Ha azonban a környezetből szénmonoxidot lélegzünk be, az a hem tartalmú fehérjékhez kötődve életveszélyes állapotot eredményez.

Annak, hogy a fehérje az izolált hem esetében tapasztalt affinitás arányokat két nagyságrenddel megváltoztatja, szerkezeti okai vannak. Elektronszerkezeti okok miatt a szénmonoxid molekula a hem síkjára merőleges orientációban köt a vashoz, míg az oxigén molekula ferdén köt be. A mioglobin és a hemoglobin fehérjében egyaránt van egy disztális (távoli) hisztidin (His64, lásd 7.3. ábra). Ez útjában áll a szénmonoxidnak, így a kötésekor el kell mozdulnia, aminek energetikai ára van. Ez az energetikai ár csökkenti a szénmonoxid kötési energiáját. Ráadásul ugyanez a hisztidin optimális pozícióban van ahhoz, hogy H-híd kötést létesítsen az oxigén molekula vasionnal kötést nem létesítő atomjával (lásd 7.3. ábra).

7.3. ábra: A disztális hisztidin elősegíti az oxigén kötődését, míg gyengíti a szénmonoxid kötődését

7.3. ábra: A disztális hisztidin elősegíti az oxigén kötődését, míg gyengíti a szénmonoxid kötődését

A mio- és hemoglobin további közös jellegzetessége, hogy a hem oxigénkötő felszíne mindkét molekulában mélyen el van rejtve a fehérje belső, hidrofób környezetébe. Az oxigén csak a fehérjemolekula mozgása, „légzése” révén képes bejutni.

A mioglobin, és a hemoglobin alegységei az alfa-hélikális fehérjék szerkezeti osztályába tartoznak (ezt a térszerkezet típust globin fold-nak hívják). Az egyes α-hélixeket, és a hélixeket összekötő szakaszokat azonos módon jelölik a két fehérjében, A-tól H-ig. Az egyes aminosavak a hélixek alapján is számozhatók, ami egyfajta térszerkezeti információt is ad. Például a His F8 a proximális hisztidin, míg a His E7 a disztális hisztidin. Az egyik az F hélix 8. pozíciójában, a másik az E hélix 7. pozíciójában van (lásd 7.4. ábra).

7.4. ábra: A globin szerkezetben a hélixeket és az azokat összekötő szakaszokat betűkkel jelölik (PDB: 1MBO)

7.4. ábra: A globin szerkezetben a  hélixeket és az azokat összekötő szakaszokat betűkkel jelölik (PDB: 1MBD)

A mioglobin, a hemoglobin α- és a β-lánc szekvenciájának összehasonlítása fontos fehérjeevolúciós tanulságokkal szolgál.

A mioglobin szekvenciája 18%-ban azonos a hemoglobin láncok szekvenciájával. Két egymástól teljesen független szekvencia esetén nagyjából 5% hasonlóság várható (mivel 20 aminosav féleség van, 1/20-ad az aránya a véletlen egybeesésnek). Ugyanez a hemoglobin két lánca között 43%. A szekvenciák összehasonlításából (lásd 7.5. ábra) kitűnik, hogy vannak olyan pozíciók, amelyeken mind a három fehérje láncban ugyanaz az aminosav szerepel. Ezeket drapp háttér emeli ki. Ami még figyelemreméltóbb, hogy vannak olyan pozíciók is, ahol az adott pozícióban az összes ismert, a globin családba tartozó fehérjében ugyanaz az aminosav fordul elő! Ezeket piros háttér emeli ki. Vegyük észre, hogy a már megismert proximális és disztális hisztidin minden globinban jelen van, ami egyértelművé teszi, hogy funkcionálisan lényeges aminosavról van szó. A többi konzervált (és invariáns) pozíciónak szerkezeti szerepe van. (Invariánsnak nevezünk egy aminosav pozíciót, ha több, egymással összehasonlított polipeptidláncban azonosak, míg konzervált a pozíció, ha nem feltétlenül azonos, de kémiailag rokon aminosavakat találunk az adott pozíciókban. Az egymás alá/mellé rendezést szekvenciaillesztésnek, angolul alignment-nek hívjuk – ez a bioinformatikai eljárás a fehérjeevolúció vizsgálatának egyik alapmódszere.)

A szekvencia hasonlóság oka természetesen az, hogy ezeknek a fehérjeláncoknak közös ősük volt. A távoli múltban volt egy ősi globin fehérjét kódoló gén, amely minden ma ismert globin fehérje génjének a közös őse. Már ez a gén is kódolta azokat az aminosav pozíciókat, amelyek az összes ma létező globin fehérjében közösek. Ez az ős-gén az evolúció során duplikálódott, tehát abban a sejtben, amelyben csak egy ilyen gén volt, immár kettő lett. Az egyik megtarthatta az eredeti funkcióját, a másik új funkciót nyerhetett. A két gén tehát külön evolúciós utat járhatott be, és természetesen a későbbiekben mindkettő szintén duplikálódhatott.

7.5. ábra: A két hemoglobin alegység és a mioglobin szekvenciájának összehasonlítása

7.5. ábra: A két hemoglobin alegység és a mioglobin szekvenciájának összehasonlítása

A ma ismert globin gének tehát egymásból származtak, és külön evolúciós utat jártak be. Az ilyen, egymással rokonságot mutató fehérjéket (és a génjeiket is) homológnak nevezzük. Az egy fajon belüli homológ fehérjék (és gének), mint a hemoglobin két lánca és a mioglobin, paralógok. Két fajból származó, azonos funkciójú (és természetesen közös őstől származó) fehérjék/gének pedig ortológok.

A sokféle globin fehérje eltérő funkciókra adaptálódott az evolúció során, szekvenciájuk a sorozatos mutációk és az adaptív szelekció következtében eltávolodott egymástól (divergens fehérjeevolúció). Előbb a mostani mioglobin gén őse vált el a mostani hemoglobin gének közös ősétől, majd később a hemoglobin gének közös őséből keletkeztek a ma ismert hemoglobin láncok génjei.

Ez tükröződik abban, hogy a hemoglobin láncok szekvenciája egymáshoz jobban hasonlítanak, mint a mioglobinhoz. A génduplikáció, majd az utódgének független evolúciója a fehérjeevolúció egyik alapmechanizmusa.

A viszonylag alacsony szintű szekvencia azonosság ellenére a hemoglobin két alegységének és a mioglobinnak a térszerkezete rendkívül hasonló (lásd 7.6. ábra).

Általános megfigyelés, hogy a térszerkezet konzervatívabb, mint a szekvencia. A funkciót elsősorban a térszerkezet szabja meg, ezért a szelekció elsősorban a térszerkezet megőrzése irányában hat. Azok a kulcspozíciók, amelyek kiemelt szereppel bírnak a térszerkezet kialakításában, illetve azok, amelyekben csak és kizárólag egyfajta aminosav képes az adott térszerkezeti, vagy egyéb funkciót ellátni, megőrződnek (lásd 7.5. ábra). Más pozíciókban bekövetkezhetnek olyan aminosav cserék, amelyek nem eredményeznek lényeges térszerkezet változást. Mindez nem ellentétes Anfinsen következtetésével. A szekvencia szabja meg a térszerkezetet, de két nagyon eltérő szekvencia is kódolhat szinte megegyező konformációt.

7.6. ábra: A mioglobin és a hemoglobin alegység(ek) térszerkezete rendkívül hasonló

7.6. ábra: A mioglobin és a hemoglobin alegység(ek) térszerkezete rendkívül hasonló