7.8. A hemoglobin Hill-diagramjának értelmezése

A hemoglobin negyedleges szerkezetének ismeretében fogalmazzuk meg konkrétabban, hogy a Hill-diagram milyen ismeretekkel szolgál. Nagyon alacsony, nem fiziológiás, csak kísérletesen előállított alacsony oxigén koncentráción a tetramerek átlagosan kevesebb, mint 1 oxigént kötnek. Ahogyan azt a Hill-egyenlet értelmezésénél már ismertettük, az első ligandum, tehát az első oxigénmolekula belépése nem jár észlelhető kooperativitással. A Hill-koefficiens 1 körüli. Az első oxigén egy kis affinitású kötőhelyre lép be, de ennek kötése már módosítja a többi kötőhelyet, elősegíti a soron következő oxigénmolekulák kötését. Magasabb oxigén koncentráción átlagosan egynél több a kötött oxigénmolekula, emiatt azt tapasztaljuk, hogy a Hill-koefficiens 3 körüli értékű. Telítéshez közeli oxigén koncentráción, ahol már átlagosan 3-4 kötött oxigénmolekula van, az utolsó molekula belépése már nem kooperatív, a Hill-koefficiens megint 1 körül. Az utolsó molekula nagy affinitású kötőhelyre lép be. Ezt az esetet érdemes a fordított irányból, csökkenő oxigénkoncentráció esetére megfogalmazni. Ebben az irányban az első oxigénmolekula egy nagy affinitású kötőhelyről lép ki, és ez a folyamat nem mutat kooperativitást. Ugyanakkor az oxigénmolekula kilépése gyengíti a többi kötőhely oxigénkötő képességét, vagyis megjelenik a rendszerben a kooperativitás.

Az X-tengely metszetei szerint a nagy affinitású állapotban lévő hemoglobin kb. 100-szor erősebben köt oxigént, mint a kis affinitású forma.

A fenti működés mechanizmusára két eltérő modellt vezettek be (lásd 7.13. ábra).

7.13. ábra: A pozitív kooperativitás szekvenciális és összehangolt modellje

7.13. ábra: A pozitív kooperativitás szekvenciális és összehangolt modellje

Mind a kettő összhangban áll a kísérletes adatokkal, tehát pusztán a telítési görbe meghatározása nem ad támpontot arra, hogy a két modell közül melyik felel meg a valóságnak. A jelenlegi ismeretek szerint a hemoglobin működésében mind a két modell mechanizmusa megjelenik.

7.8.1. A kooperativitás szekvenciális modellje

A szekvenciális modell azt feltételezi, hogy az egyes alegységek külön-külön kétféle konformációs állapotban lehetnek. Az egyik a feszített (tense vagy taut), T állapot, amelyben a kötőhely kis affinitású, a másik egy relaxált, R konformációs állapot, amelyben a kötőhely nagy affinitású (lásd 7.13. ábra felső panel).

Ebben a modellben tehát egy több-alegységes fehérje egyes alegységei egymástól eltérő konformációs állapotban lehetnek. Alapesetben, ligandum hiányában a kis affinitású T konformációs állapot az uralkodó, de a T és R állapotokhoz tartozó szabadentalpia-szint különbségnek megfelelő arányban jelen van a nagy affinitású konformációs állapot is. Amikor ligandum is van a rendszerben, az természetesen preferáltan a nagy affinitású konformációban lévő alegységhez köt. A modellben a kooperativitás ott jelenik meg, hogy a ligandum kötése T→R konformációváltozást indukál a térben közel eső szomszédos alegységekben. Ennek hatására azok is nagy affinitású kötőhellyel rendelkeznek, vagyis a rendszerben nő a nagy affinitású kötőhelyek aránya (pozitív kooperativitás). Az egyes alegységek tehát megosztják egymással azt az információt, hogy éppen kötnek-e ligandumot, vagy nem. Meg kell jegyezni, hogy bár ritkábban fordul elő, de az első ligandum kötése által kiváltott konformációváltoztás a szomszédos alegységben levő ligandumok affinitását csökkentheti is (negatív kooperativitás).

7.8.2. A kooperativitás összehangolt modellje.

Az összehangolt vagy együttműködő (concerted) modell szerint a több-alegységes fehérje egyes alegységei csak azonos állapotban lehetnek. Itt is van egy nagy affinitású R konformáció, és egy kis affinitású T konformáció, de ezt a negyedleges szerkezetre kell vonatkoztatni. Az összes alegység vagy R, vagy T konformációban van, vegyes állapotú alegységeket nem tartalmaz a több-alegységes fehérje. A kooperativitás ebben a modellben éppenséggel ebben az együttes konformáció-váltásban jelentkezik (lásd 7.13. ábra, alsó panel).

Ligandum nélkül a kis affinitású állapot a stabilabb, de a T és R állapotokhoz tartozó szabadentalpia szint különbségének megfelelő arányban jelen van a nagy affinitású konformációs állapot is. A ligandum kötése stabilizálja a nagy affinitású állapotot. Ezáltal a ligandum koncentráció emelése ebben a modellben is azzal jár, hogy nő a rendszerben a nagy affinitású formák aránya. Ebben a modellben csak pozitív lehet a kooperativitás.