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BIOCHIMIE DU SANG
1.  Métabolisme de l’érythrocyte
Hémoglobine
2.  Production et élimination d’éléments
cellulaires
3.  Metabolisme et Transport du Fe
4.  Composants du Plasma (structure &
fonction)
1. Myoglobin
U.Albrecht BC1
A. Struktur von Myoglobin
Strukturaufklärung des Pottwal-Myoglobins
wurde 1959 von John Kendrew gemacht. Später wurde die Struktur verschiedener Spezies und auch von Hb Mutationen durchgeführt. Das Hämoglobin wurde zum besterforschten Protein
überhaupt.
Myoglobin aus 8 Helices (A-H). ellipsoid
Helices zwischen 7 und 26 AS lang
meistens α-Helices
Enden der Helices A, C, E und G bilden 310-Helix
Bezeichnung von Resten:
B5 = 5. AS in B-Helix (N-term nach C-term)
FG3= 3. AS im Interhelicalen Segment zw. F u. G
NA = nicht helicales aminoterminales Segment
HC= nicht helicales carboxyterminales Segment
Manchmal auch kombinierte Bezeichnung Glu EF6(83)= Glu 83 im interhelicalen Segment EF 6. AS.
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Die Hämgruppe
Sauerstoff-Bindungskurve von Myoglobin
Sättigungsgrad
von Myoglobin
Partialdruck Umgebung
2
U.Albrecht BC1
Funktion des Hämoglobins
Sauerstoff wird zur Energiegewinnung gebraucht. In kleinen Organismen gelangt O2 durch
Diffusion zum Gewebe. In grossen Organismen (Schichtdicke der Gewebe >1mm) aktiver
Transport nötig (Löslichkeit des O2 zu niederig). Sauerstoff bindende Proteine haben sich entwickelt. Hämoglobin = Hb (Fe mit Häm), Hämocyanin (Cu haltig), Hämerythrin (Fe haltig, ohne Häm). Fische der Antarktis einzige Vertebraten ohne Hämoglobin. O2 ist bei -1.9°C
ausreichend löslich, deshalb haben diese Fische farbloses Blut.
Myoglobin = Mb in Muskel erleichtert O2 transport in arbeitendem Muskel und dient in
Wassersäugern als O2 Speicher.
Häm
Häm
His Rest
Mb und jede der 4 Untereinheiten von Hb enthalten nicht
kovalent gebundenes Häm, das auch in Cytochromen vor-
kommt.
Oxygenierung ändert Elektonenkonfiguration von Häm-Fe(II)
Farbwechsel des Blutes von dunkel purpur (venöses
Blut) zu leuchtend rot (arterielles Blut).
CO, NO, H2S binden besser als O2
Toxizität
Oxidation von Fe(II) zu Fe(III)
Methämoglobin (MetHb)
Metmyoglobin (MetMb). Keine Bindung von O2, H2O sättigt
Fe(III) ab
braune Farbe von trockenem Blut
In Erythrocyten reduziert Methämoglobinreduktase Fe(III) zu
Fe(II).
Struktur von Hämoglobin
3
Globinketten sind auf 2 verschiedenen Chromosomen codiert
α
β
β
α
Globine während der Embryogenese
4
Poumons
O2
CO2
HCO3NHCOOFe Fe
Fe Fe
O2
O2
Fe Fe
Fe Fe
O2
O2
NHCOO-
O2
CO2
Les autres formes de l’hémoglobine
Méthémoglobine
Fe++
2
O2
Oxyhémoglobine
+C
-C
CO
O
+
O O2
-O
Fe+++
Hémoglobine
Fe++
Carboxyhémoglobine
Fe++
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U.Albrecht BC1
β1
α2
Nicht identische UE im Hb aus-
geprägte Wechselwirkungen
α1-β1 Kontakt 35 AS
α1-β2 Kontakt nur 19 AS
αβ-Heterodimere -> hydrophobe WW
Homodimere -> keine WW da durch Flüssigkeit gefüllten Kanal getrennt
α1
β2
Unterschiedliche Quartärstruktur von Desoxy- und Oxy- Hämoglobin
Desoxy-Form = T-Zustand
β1
α2
β2
α1
U.Albrecht BC1
Oxy-Form = R-Zustand
α2
t-Zustand
Tertiärstruktur
β2
UE
Oxygenierung verengt Kanal
β1
α1
r-Zustand
Tertiärstruktur
UE
DesoxyHb Kristall zerplatzt an der Luft
α1-β2 Kontakt nur 19 AS dagegen α1-β1 Kontakt 35 AS -> stärkerer Kontakt unverändert d.h.
Veränderung entlang α1-β2 Kontakt -> Verdrehung von α1-β1 Dimer um ca. 15° gegen α2-β2
Dimer 6
B. Sauerstoffbindung zu Hämoglobin
Hämoglobin bindet O2 kooperativ. Die Hill-Gleichung beschreibt die sigmoidale O2-
Bindungskurve von Hämoglobin.
n
[S]
Ys = K +
[S]
n
Ys
= Sättigungsgrad
K = Dissoziationskonstante (p50)
S = Ligandkonz., hier pO2
n = Hill-Koeffizient
n=1
nicht kooperative Bindung wie in Myoglobin
n>1
pos. kooperativ wie
in Hämoglobin
n<1
neg. kooperativ
2.8
hyperbolische Bindungskurve mit demselben p50 wie Hb
7
3. Kooperativität
A. Mechanismen der Kooperativität in Hämoglobin
Einwandern von Fe(II) in Porphyrin-
Ebene löst T-> R Transformation aus
t-Zustand Fe(II) 60 pm aus Porph.
Ebene.-> pyramidale durchgebogen
O2-Bindung ändert Elektr.konfig. von
Fe -> Fe-N porph.-Bindung kontrahiert
-> Fe in Phorphyrinebene und O2
Bindung F-Helix muss Lage verändern, damit HisF8 dem Porphyrinring nicht zu
nahe kommt. Dadurch wird Fe- O2-Bindung stabilisiert.
Versetzen von 3 Seitenketten. Äquivalenter Satz von H-Brücken. Wie ein Schalter, nur
2 Zustände.
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U.Albrecht BC1
Die Kooperativität der Sauerstoffbindung an Hämoglobin ergibt sich aus dem T -> R Übergang
Bindung von Sauerstoff erfordert eng abgestimmte Molekülbewegungen:
1) Fe(II) gleitet nur in Porphyrinringebene wenn gleichzeitig sich die räumliche Orientierung vom
proximalen His sich ändert.
2) Das proximale His ist fest mit Nachbarn verbunden -> Neuorientierung nur möglich wenn sich F-Helix über Porphyrinebene bewegt. 3) F-Helix kann sich nur dann bewegen wenn α1-β2 und α2-β1 Kontakte sich um eine Windung
verschieben
4) Die Unbeweglichkeit der α1-β1 und α2-β2 Kontakte erzwingt die Konformationänderung in 3)
-> Untereinheiten oder Dimere können Konformation nicht unabhängig voneinander ändern. Da nur
2 stabile α1-β2 (bzw. α2-β1) Kontakte möglich -> Quartärstruktur von Hb nur in 2 Zustandsformen
Was heisst Kooperativität? 1. UE bindet O2 muss aber in t-Zustand verharren da andere UE ohne O2 im
t-Zustand. Je mehr O2 gebunden desto höher O2 Affinität da UE im r-Zustand.
T-Zustand durch Ionenbindungen stabilisiert, brechen auf bei Übergang zu R-Zustand
R-Zustand durch Bindung von Sauerstoff stabilisiert.
Warum T-Zustand aber stabiler als R-Zustand?
C-terminale AS sind im R-Zustand flexibel im TZustand aber nicht, sie sind über Ionenbrücken
stabilisiert. Zwischen α1-β1 bzw. α2-β2
deprotoniert bei
Bohr effekt
Netzwerk von ionischen WW und H-Brücken am Carboxy-
ende der α und β Untereinheiten. Alle diese Bindungen werden beim T-> R Übergang geöffnet 9
U.Albrecht BC1
Kohlendioxidtransport und Bohr-Effekt
Hb transportiert neben O2 auch CO2 im Blut.
O2 Bindung (physiolog. pH)
Konformationsänderung von Hb (nicht aber Mb).
Acidität von Hb erhöht sich und Protonen werden freigesetzt. Wenn diese Protonen
durch erhöhen des pH abge-
fangen werden
Erhöhung
der O2 Bindungskapazität.
= Bohr-Effekt
Der Bohr-Effekt erleichtert den O2 Transport
Aus O2 wird CO2 (gelöst). CO2 wird
zu Hydrogencarbonat (langsame
Reaktion). Wird in Erythrocyten be-
schleunigt von Carboanhydrase).
CO2 wird im Blut als Hydrogen-
carbonat transportiert (kein ausperlen
von CO2 möglich).
Gewebe pO2 niedrig
Lunge pO2 hoch
Einfluss des pH auf die O2-Bindungskurve des Hb
arbeitender Muskel pH tiefer
mehr O2 wird abgegeben.
Rolle von Hb beim Transport von O2 von Lunge zu Gewebe
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U.Albrecht BC1
Bedeutung von BPG für die O2 - Bindung
Gereinigtes Hb hat höhere Affinität zu O2 als Vollblut. Unter anderem ist dafür
D-2,3-Bisphosphoglycerat (BPG= 2,3 DPG) verantwortlich. BPG bindet stärker an DesoxyHb als an OxyHb. Es stabilisiert DesoxyHb. Selbe Funktion hat bei Vögeln Inositol
hexakisphosphat (IHP) und bei Fischen und Amphibien Adenosintriphosphat (ATP).
Modulation O2 Affinität von Hb in Säugern:
1) H
+
2) CO2
3) Cl
-
4) BPG
11
Ohne BPG wird nur wenig O2 freige-
setzt
BPG erhöht p50 Wert
Einfluss von BPG und CO2 von isoliertem Hb im Vergleich zu Voll-
blut
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Métabolisme du Glucose
érythrocytaire
Glucose
Protection contre
les oxydants
Glucose 6 Phosphate
Voie des pentoses
Phosphates
Glycolyse anaérobie
G6PDH
Trioses
Phosphates
2 Glutathions réduits (GSH)
R-O-OH
NADPH
NADP+
NADPH +H+
3
2
R-OH +
H20
O2
Glutathion oxydé
(GSSG)
NAD
NADH +
H+
Maintien de l’Hème à l’état
fonctionnel Fe2+
ADP + P
2,3 Bisphospho
glycerat
(2,3 BPG)
ATP
Maintien de la forme biconcave
ENERGIE
Renouvellement lipides membranaires
Pyruvate
Pompes cationiques
Lactate
U.Albrecht BC1
Regulation des Sauerstofftransportes
Glykolyse
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Bindung von BPG an Desoxyhämoglobin
BPG senkt Sauerstoffaffinität des Hb
verbindet β UE über Salzbrücken und stabilisiert
somit T-Form
Bei Übergang in R-Form wird BPG herausge-
drückt da sich Kanal verengt.
Fötales Hb (HbF) hat anstelle von HisH143 ein
ungeladenes Serin. BPG kann DesoxyHb nicht
stabilisieren im Fötus -> höhere Sauerstoff-
affinität.
Salz- und H-Brücken
U.Albrecht BC1
Bei Höhenanpassung steigt die BPG-Konzentration an
Anpassung an Höhe führt
zur Vermehrung von Erythrocyten. Nach einem
Tag ist bereits der Anstieg
von BPG zu beobachten,
welches die Erythrocyten
nicht verlassen kann. Verminderung der O2
Bindungsaffinintät.
Anstieg von BPG auch in
Patienten mit Hypoxie, z.B.
Anämien, kardiopulmonare
Insuffizienz
14
Hypoxie-induzierter Anstieg des Erythorzyten 2,3 BPG
Alkalose
15
Fötales Hämoglobin (HbF) hat eine niedrige BPG-Affinität
und bindet O2 besser als mütter-
liches Hämoglobin (HbA)
O2 Versorgung des Fetus wird
dadurch erst effizient.
Höhenadaption gewährleistet dass Sauerstoffver-
sorgung sich nicht vermindert.
B. Allosterische Proteine
U.Albrecht BC1
Organismen müssen auf Veränderungen in der Umgebung reagieren. Dies erfordert
einen hohen Grad von Kontrolle biochemischer Mechanismen.
Regulation ist auf jedem Niveau des Organismus möglich:
-molekulare Ebene (Reaktionsgeschwindigkeiten, Genexpression)
-zelluläre Ebene (Signaltransduktion)
-organismische Ebene (Verhalten)
Die meisten Erkrankungen können auf eine Störung der Kontrollmechanismen zurückge-
führt werden.
Liganden-Bindung kann durch allosterische Wechselwirkungen kontrolliert werden. Hämo-
globin ist ein gutes Beispiel für eine solche Regulation die auf kooperativen Wechselwir-
kungen beruht. Die Bindung eines Liganden an eine spezifische Koordinationsstelle wird durch das Binden eines anderen Liganden (Effektor oder Modulator) an eine andere Stelle
des Proteins beeinflusst. Sind Liganden identisch=homotroper Effekt, unterschiedlich=hetero-
troper Effekt. Diese Effekte können sowohl positiv als auch negativ sein.
Hämoglobin zeigt positiv homotrope (O2 Bindung) und negativ heterotrope (BPG, CO2, H+,
Cl-) Effekte.
Allosterische Effekte ergeben sich aus Wechselwirkungen zwischen Untereinheiten oligo-
merer Proteine. Diese Effekte sind schwer zu beschreiben -> Modelle Im Folgenden Modelle für die allosterische Regulation der Sauerstoffaffinität in Hb.
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T
Relation structure/fonction
R
concerté
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
concerté
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Rôles de l’hémoglobine
B/ Transport d’autres molécules par l’Hb
CO
• 
• 
• 
• 
1) le monoxyde de carbone (« carboxyHb »):
affinité pour l'hème qui est 200-300 fois supérieure par rapport à
l'oxygène.
déplace la courbe d’affinité de l’Hb pour l’O2
(=> saturable seulement à pO2 très élevée, ca. 120mmHg)
déplaçable par un milieu 95%O2/5%CO2
se lie aussi sur myoglobine
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Rôles de l’hémoglobine
B/ Transport d’autres molécules par l’Hb
3) le monoxyde d’azote
(NO)
molécule vasodilatatrice qui a une forte affinité pour l’Hb, ca. 8000
fois supérieure à celle de l’O2.
Le NO augmente l’effet Bohr.
O2 O2
O2 O2
NO
NO
4 O2
poumon
4 O2
NO
XSNO +4 O2
poumon
O2 O2
O2 O2 -Cys-NO
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Häm Biosynthese und Abbau
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Häm Biosynthese: 1.Schritt = Kondensation von Gly und Succinyl-CoA
The origin of the C atoms of succinylCoA as derived from acetate via the
citric acid cycle.
The mechanism of action of the PLPdependent enzyme δ-aminolevulinate
synthase.
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Schritt 2: Pyrrolring Bildung durch Porphobilinogen Synthase
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The synthesis of uroporphyrinogen III from PBG as catalyzed by
porphobilinogen deaminase and uroporphyrinogen III synthase.
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acute intermittent porphyria
Spontane cyclisierung
Nicht
symmetrisch
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Lokalisation der Häm Syntheseschritte in der Zelle
Mangel -> Porphyrie ->
Kolliken und neurologische
Funktionsstörungen ->
Urin dunkel
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Häm Abbau
Farbwechsel bei Abheilung
von Hämatomen -> sichtbarer
Beweis für Häm-Abbau
Oxidative Spaltung des Porphyrinrings
Hohe Affinität zu Häm
200x mehr als O2 -> Hb
Struktur verringert CO affinität
Erhöhtes Bilirubin -> Ablagerung in Augen
Und Haut -> Gelbsucht ->
1) 
Erythrocytenabbau schnell
2) 
Leberdefekt
3) 
Gallengang verstopft
Löslich in Wasser ->
Ausgeschieden In Galle
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lipophil
Rot -> über Serumalbumin
transportiert im Blut
Bei Neugeborenen oft Gelb -> UV Be-
Strahlung -> Verwandlung in lösliche Isomere
Grösster Teil als Stercobilin
ausgeschieden
Gelbe Färbung des Urins
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