Sauerstofftransport und -speicherung

Lebende Systeme nutzen eisen- und kupferbasierte Metalloproteine wie Hämoglobin und Myoglobin, um Sauerstoff reversibel zu binden, ihn durch den Körper zu transportieren und in Geweben zu speichern.

Definition

Sauerstofftransport und -speicherung ist die bioanorganische Chemie, bei der Metalloproteine molekularen Sauerstoff an einem Metallzentrum reversibel binden, um ihn im Blutkreislauf zu transportieren und in Geweben für die Atmung zu speichern.

Scope

Dieses Thema behandelt die bioanorganische Chemie von Dioxygen-Trägern: die Häm-Eisen-Zentren von Hämoglobin und Myoglobin, die kooperative Sauerstoffbindung von Hämoglobin und ihre allosterische Kontrolle, die strukturellen Veränderungen, die mit der Oxygenierung einhergehen, sowie die alternativen Sauerstoffträger Hämocyanin und Hämerythrin. Es behandelt die reversible Sauerstoffbindung und -speicherung und überlässt die sauerstoffaktivierende Katalyse dem Thema Metalloenzyme.

Core questions

• Wie bindet das Häm-Eisen-Zentrum Sauerstoff reversibel, ohne oxidiert zu werden?
• Warum ist die Sauerstoffbindung des Hämoglobins kooperativ?
• Welche strukturellen Veränderungen begleiten die Oxygenierung?
• Wie transportieren Hämocyanin und Hämerythrin Sauerstoff mit Kupfer oder Nicht-Häm-Eisen?

Key concepts

• Häm und das proximale Histidin
• Reversible Dioxygenbindung
• Kooperativität und die sigmoide Kurve
• Allosterische Regulation
• Hämocyanin (Dikupfer)
• Hämerythrin (Dieisen)

Key theories

Reversible Dioxygenbindung an Häm-Eisen

Das Eisen(II)-Zentrum des Häms, das in einer Proteintasche mit einem proximalen Histidin gehalten wird, bindet Dioxygen endständig, während das Protein eine irreversible Oxidation verhindert, was wiederholte Zyklen der Aufnahme und Freisetzung ermöglicht.

Kooperativität und Allosterie im Hämoglobin

Die Sauerstoffbindung an eine Untereinheit löst tertiäre und quartäre Strukturänderungen aus, die die Affinität der anderen erhöhen, was die sigmoide Bindungskurve ergibt, die Perutz aus der Stereochemie des Proteins erklärte.

Alternative Sauerstoffträger

Hämocyanin verwendet eine Dikupfer-Stelle und Hämerythrin eine Nicht-Häm-Dieisen-Stelle zur Bindung von Dioxygen, was zeigt, dass die Natur mehrere unterschiedliche Metallzentren für den reversiblen Sauerstofftransport entwickelt hat.

Mechanisms

Beim Hämoglobin zieht die Sauerstoffbindung an das Eisen einer Untereinheit das Eisen in die Häm-Ebene und verschiebt das angehängte Histidin, wodurch eine quartäre Änderung ausgelöst wird, die das Protein von einem Zustand geringer Affinität in einen Zustand hoher Affinität überführt und so die Bindung kooperativ macht.

Clinical relevance

Die Chemie der Sauerstoffträger ist die Grundlage der Atemphysiologie und von Störungen der Sauerstoffversorgung, der Toxizität von Kohlenmonoxid, das um die Häm-Bindungsstelle konkurriert, und der molekularen Basis von Erkrankungen, die das Hämoglobin betreffen; dies ist Referenzmaterial, keine klinische Leitlinie.

History

Die molekulare Basis des Sauerstofftransports wurde mit den ersten Proteinkristallstrukturen klar: Kendrew löste Myoglobin und Perutz löste Hämoglobin, eine Arbeit, die 1962 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. Perutz erklärte dann die Kooperativität aus den strukturellen Unterschieden zwischen den oxygenierten und desoxygenierten Formen.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

Warum rostet das Eisen im Hämoglobin nicht einfach, wenn es Sauerstoff bindet?

Die Proteintasche isoliert jedes Häm und positioniert ein proximales Histidin und distale Reste so, dass Sauerstoff reversibel bindet, ohne dass zwei Eisen-Zentren aufeinandertreffen, um eine irreversibel oxidierte verbrückte Spezies zu bilden, wodurch das Eisen für wiederholte Zyklen verfügbar bleibt.

Was bewirkt die kooperative Bindung physiologisch?

Die Kooperativität verleiht dem Hämoglobin eine steile, sigmoide Sauerstoffbindungskurve, sodass es Sauerstoff effizient dort aufnimmt, wo der Partialdruck hoch ist (in der Lunge), und ihn effizient dort abgibt, wo der Druck niedrig ist (in den Geweben).