7.9. A hemoglobin szerkezetének és működésének részletes bemutatása

Az alább összefoglalt szerkezeti ismeretek röntgendiffrakciós vizsgálatokból származnak. A hemoglobin első, kisfelbontású térszerkezetét Max Perutz határozta meg 1960-ban, két évvel azt követően, hogy John Kendrew 1958-ban meghatározta a rokon fehérje, a mioglobin térszerkezetét. Mindkét kutató a Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumában dolgozott. Eredményeikért 1962-ben kémiai Nobel díjat kaptak. Az első, viszonylag kis felbontású szerkezet után Perutz és csoportja azon kezdett el dolgozni, hogy nagy felbontású szerkezetet nyerjen a hemoglobin két szélsőséges állapotáról, arról, amelyben minden alegység oxigént köt, és arról, amelyben egyik alegység sem köt oxigént. Az 1970-es évekre mindkét nagyfelbontású szerkezetet megoldották, és működési modellt tudtak bevezetni a hemoglobin kooperatív működésére.

A hemoglobin négy alegységből áll, mindegyik alegységen van egy hem, tehát mindegyik alegység képes oxigént kötni. A hemoglobinnak kétféle alegysége van, amelyek külön-külön gének által kódolódnak a genomban. A tetramert két α-lánc (α1és α2) és két β-lánc (β1 és β2) alkotja.

Számos (30) aminosav-csoport vesz részt az α1β1 (és szimmetrikusan az α2β2) alegységek közötti kölcsönhatásban, míg lényegesen kevesebb (19) az α1β2 (illetve szimmetrikusan az α2β1) alegységek közötti kölcsönhatásban. Még az utóbbinál is lényegesen kevesebb kölcsönhatás van a két α-alegység között, illetve a két β-alegység között. Enyhe (alacsony koncentrációban alkalmazott) urea kezeléssel αβ dimerek izolálhatók. A tetramer hemoglobin tehát αβ dimerek dimerének tekinthető.

Az összehasonlító szerkezeti vizsgálatok kimutatták, hogy az oxigén-nélküli állapot szerkezete eltér az oxigénnel telített szerkezettől. Az eltérés főleg az alegységek egymáshoz képesti elmozdulását jelenti. Az oxigénkötés tehát megváltoztatja a hemoglobin térszerkezetét. Mint kiderült, más molekulák megkötése is szerkezetváltozást okoz és megváltozik az oxigénkötés affinitása is.

A hemoglobin működése tehát sokkal összetettebb, mint a mioglobiné, mivel a négy alegysége kommunikál.

Először vegyük szemügyre az oxigénmentes, T konformációjú hemoglobin szerkezetét (lásd 7.14. ábra).

A 7.14. ábrán bejelölt területek az α1β1 ill. az azzal szimmetria relációk miatt azonos α2β2 erős kölcsönhatások helyét jelzik. Ezek a kölcsönhatások nem változnak a konformációs átmenet során. A konformációs átmenet során tehát elsősorban α1β1 és α2β2 dimerek mozdulnak el egymáshoz képest. Eközben a 7.14. ábrán nem jelzett, de az alábbiakban ismertetett, α1β2 (illetve szimmetrikusan α2β1) kölcsönhatások változnak meg.

7.14. ábra: Az oxigénmentes hemoglobin T (tense) konformációja (PDB: 1HGA)

7.14. ábra: Az oxigénmentes hemoglobin T (tense) konformációja (PDB: 1HGA)

A T állapotban van egy rendkívül fontos α1β2 (illetve szimmetrikusan α2β1) kölcsönhatás, amely az R állapotban nincs jelen. Ez a kölcsönhatás a T állapot szerkezetét stabilizálja (lásd 7.15. ábra).

A konformációs állapottól függő, a T-állapotra specifikus stabilizáló α1β2 (illetve szimmetrikusan α2β1) kölcsönhatás lényege a következő.

 A β2 alegység His-HC3 oldallánca, tehát a H-hélix utolsó, C-terminális hisztidin oldallánca ionpárt alkot az ugyanazon alegység Asp-FG1, tehát az F és G hélixeket összekötő hurok első, aszpartát oldalláncával, míg a C-terminális főlánc karboxil csoportja ionpárt alkot az α1 alegység C5 lizin csoportjával.

7.15. ábra: Egy, a T konformációt stabilizáló, alegységek közötti elektrosztatikus kölcsönhatás

7.15. ábra: Egy, a T konformációt stabilizáló, alegységek közötti elektrosztatikus kölcsönhatás

Ez a kölcsönhatási hálózat, amelyet kinagyítva a 7.16. ábra mutat, csak akkor jöhet létre, ha a His-HC3 oldallánca protonált, tehát pozitív töltést hordoz. Ebben az esetben az Asp-FG1 és a His-HC3 oldalláncok között létrejövő alegységen belüli ionpár úgy irányítja a C-terminus karboxilcsoportot, hogy az láncok közötti ionpárt hozzon létre. Ennek nagy jelentősége lesz a Bohr-effektus értelmezésében (lásd később).

7.16. ábra: A T-konformációt stabilizáló elektrosztatikus kölcsönhatás részletes szerkezete

7.16. ábra: A T-konformációt stabilizáló elektrosztatikus kölcsönhatás részletes szerkezete

A 7.17. ábra sematikusan illusztrálja a T formát stabilizáló ionos kölcsönhatásokat. Minden olyan külső hatás, ami gyengíti ezeket a kölcsönhatásokat, csökkenti a T forma stabilitását.

7.17. ábra: A T-konformációt stabilizáló elektrosztatikus kölcsönhatások sematikus ábrázolása

7.17. ábra: A T-konformációt stabilizáló elektrosztatikus kölcsönhatások sematikus ábrázolása

A 7.18. ábra egymás mellett mutatja be a hemoglobin T és R konformációját.

A T állapot és az R állapot az α1β1 és α2β2 dimerek egymáshoz képesti eltekeredésével és egymáshoz közelítésével vihető egymásba. A két állapotot részben különböző, egymást kizáró kötések stabilizálják. A T→R átmenet során a T állapotot stabilizáló His-HC3 csoporton keresztüli kötések felszakadnak, a tetramer középső bemélyedése szűkül, a His-HC3 csoportok a központi mélyedésbe kerülnek.

7.18. ábra: a hemoglobin T és R konformációs állapotainak összehasonlítása (PDB: 1HGA, 1BBB)

7.18. ábra: a hemoglobin T és R konformációs állapotainak összehasonlítása (PDB: 1HGA, 1BBB)

A két eltérő konformációs állapotban lévő tetramerek léte az összehangolt modellt támasztja alá, amely eleve csak ezt a két szerkezeti állapotot ismeri el, nem „engedi meg” azt, hogy a tetrameren belül az egyes alegységek eltérő konformációs típusba tartozzanak. Ugyanakkor a két szerkezet összehasonlítása (7.19. ábra és 7.20. ábra) alapján a szekvenciális modellt sem lehet kizárni.

Az oxigént nem tartalmazó, a hemoglobint T állapotban mutató (dezoxi-hemoglobin) röntgenszerkezetben a hem nem sík, hanem enyhén domború formájú, és a benne lévő vasion kissé ki is lóg a hem síkjából, a proximális hisztidin felé nyomul. Az R állapotban (oxi-hemoglobin), amelyben a vasionhoz oxigénmolekula is kötődik, a hem gyűrűje lapos (planáris), és a vasion a hem síkjában van. Amikor az oxigén bekötődik, a jelek szerint mintegy maga felé húzza a vasiont. Ahogy a vasion az oxigén felé mozdul, utána mozdul a proximális hisztidin is, ami ezáltal bemozdítja az F-hélixet is, amelyen ő maga elhelyezkedik.

7.19. ábra: A vasion oxigénkötése megváltoztatja a hem alakját, és elmozdítja az F-hélixet

7.19. ábra: A vasion oxigénkötése megváltoztatja a hem alakját, és elmozdítja az F-hélixet

A 7.20. ábra egymásra vetítve mutatja be a T és az R konformernek ezt a szerkezeti részletét, jobban láthatóvá téve a résztvevő atomok és szerkezeti elemek elmozdulásának mértékét.

7.20. ábra: Az oxigénkötés függvényében elmozduló F-hélix alapján a hemoglobin működésére a szekvenciális kooperativitási modell is vonatkozhat

7.20. ábra: Az oxigénkötés függvényében elmozduló F-hélix alapján a hemoglobin működésére a szekvenciális kooperativitási modell is vonatkozhat

Az F-hélix az α1β1 illetve az α2β2 dimerek határfelületeinél helyezkedik el, így az oxigénkötés ténye érzékelhető a szomszédos alegységek számára, ami a szekvenciális modell fő feltételezése.