ALLOSTERIE und KOOPE..

ALLOSTERIE UND
KOOPERATIVITÄT
ERKLÄRUNG AM BEISPIEL DES HÄMOGLOBINS
Wechselwirkungen zwischen Untereinheiten mit und ohne aktivem Zentrum beeinflussen die Affinität
der aktiven Untereinheiten zum Substrat.
ALLOSTERIE:
Wird ein Ligand an eine Stelle außerhalb des aktiven Zentrums gebunden und verändert die
dadurch hervorgerufene Konformationsänderung indirekt die Eigenschaften des aktiven Zentrums,
so spricht man von einem allosterischen Effekt.
1) Ein Ligand bindet an das Enzym/Eiweißstoff
2) dies ruft eine Konformationsänderung hervor;
3) das aktive Zentrum verändert sich so, dass
4) das Substrat gebunden werden kann.
Diese Definition schließt ein:
Die Bindung eines Substrates
* an das aktive Zentrum einer Untereinheit
* kann die Eigenschaften des aktiven Zentrums einer anderen Untereinheit beeinflussen.
Eine Konformationsänderung kann also eine Veränderung der Bindungsaffinität eines Proteins zu seinem
Substrat bewirken.
KOOPERATIVITÄT:
* Untereinheiten können einander in ihrem Verhalten gegenüber Liganden (=auch Substrate)
beeinflussen.
* Durch die Bindung von Liganden an Untereinheiten wird die Bindung weiterer Liganden im selben
Molekül
* erleichtert (positive Kooperativität) oder
* erschwert (negative Kooperativität)
Sigmoider Kurvenverlauf zeigt an, dass Kooperativität vorherrscht.
ALLOSTERIE des HÄMOGLOBINS
Hämoglobin transportiert neben O2 auch H+ und CO2.
H+, CO2 und org. Phosphor-Verbindungen sind für die O2-Bindung durch Hämoglobin regulatorisch
wirksam, obwohl sie an Stellen des Proteins gebunden werden, die vom Hämoglobin weit entfernt
sind.
Daraus ergeben sich folgende ..
.. CHARATERISTISCHE EIGENSCHAFTEN DES HÄMOGLOBINS:
A) Die Bindung von O2 an Hämoglobin erfolgt kooperativ:
Die Bindung zweier Moleküle O2 an eine Hämgruppe erleichtert die Bindung von weiteren O2Moleküle an anderen Häm-Gruppen im selben Molekül.
Die Sauerstoffsättigungskurve zeigt einen sigmoiden Verlauf
1) Zunächst liegt das Hämoglobin in einer Konformation mit niedriger O 2-Affinität vor.
2) Die Bindung der ersten beiden O2-Moleküle (an die α-Ketten) bewirkt eine
Konformationsänderung -> hohe O2-Affinität
3) die letzten beiden O2-Moleküle werden sehr rasch aufgenommen
Auslöser der Konformationsänderung ist das zentrale Fe-Atom
Es rutscht bei Oxygenierungen in die Häm-Ebene und zieht dabei das an der 5. Koordinationsstelle
gebundene Histidin F8 mit.
Diese strukturelle Veränderung pflanzt sich bis zu den Berührungsstellen der Untereinheit fort ->
Informationsweitergabe an die anderen Untereinheiten!
B) 2,3-Biophosphoglycerat (ein allosterischer Effektor) erniedrigt die O 2-Affinität
Durch diese Bindung werden die β-Ketten vernetzt, und dadurch wird die Tertiärstruktur des
Desoxyhämoglobins stabilisiert
Wirkungsweise des BPG:
* BPG ist negativ geladen, trifft in WW mit den pos. geladenen Gruppen des Lys und His und verkürzt
dadurch deren Abstand voneinander.
-> Die damit verbundene Strukturänderung senkt die O2-Affinität.
* Bei Oxygenierung wird BPG abgegeben, weil es bei Sauerstoffbindung zu einer
Konformationsänderung kommt, die bewirkt, dass der Raum im Zentrum für das BPG zu klein wird.
-> Durch die BPG-Abgabe vergrößert sich wiederum der Abstand zwischen den Lys und His-Resten!
* Physiologische Bedeutung des DPG:
BPG bewirkt ausreichende O2-Abgabe an die Gewebskappilaren!
C) BOHR - Effekt (Bindung von O2 und CO2)
Im Gewebe mit intensivem Stoffwechsel (z.B. Muskel) wird viel COs und Säure (H+) produziert.
„Das Vorliegen höherer Konzentrationen von CO2 und H+ in den Kapillaren von stoffwechselaktivem
Gewebe erleichtert die Freisetzung von O2 aus Oxyhämoglobin“. (Christian Bohr, 1904)
Der umgekehrte Effekt findet in den alveolären Kapillaren der Lunge statt (J.S. Haldane, 1914)
* Beim Übergang der Oxy- in die Desoxyform in stoffwechselaktivem Gewebe nimmt Hb Protonen
auf:
H2CO3 -> H+ + HCO3
* Wird Hb in der Lunge wieder mit O2 beladen, so wird H+ abgegeben und reagiert mit HCO3- zu CO2 und H2O.
AUSSCHEIDUNG VON CO2
CO2 (Stoffwechselendprodukt aller Substanzklassen; ca. 600g/Tag vom Menschen gebildet)
diffundiert aus den Entstehungsorten (Geweben) ins Blut.
Dort wird es als Bicarbonat-Anion zum Ausscheidungsort (Lunge) transportiert.
BLUT:
In den Erythrocyten wird CO2 durch das Enzym Carboanhydrase („CA“) in Bicarbonat umgesetzt:
CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3-
Das dabei entstehende Proton wird von Oxy-HB unter O2-Abgabe abgepuffert (BOHR-Effekt).
LUNGE:
Das Bicarbonat wird wieder im Austausch gegen Chlorid in die Erythrocyten aufgenommen.
Bei der Aufnahme von O2 gibt das Hämoglobin die gepufferten Protonen wieder ab (BOHR-Effekt);
diese reagieren mit HCO3- zu H2CO3, welches von CA zu CO2 und Wasser dehydratisiert wird.
Das CO2 diffundiert aus den Erythrocyten ins Plasma und von dort zur Ausscheidung in den AlveolarRaum der Lunge.
:( Hyperventilation: zuviel CO2 wird abgeatmet, der pH-Wert des Blutes steigt.
:( Hypoventilation: zuwenig CO2 wird abgeatmet, der pH-Wert des Blutes sinkt.
In beiden Fällen kann es zu plötzlicher Bewusstlosigkeit kommen.
D) Transport von CO2 in Form von Carbamat
CO2 wird an den endständigen Aminogruppen aller vier Ketten fixiert:
R-NH2 + CO2 -> R-NH-CO-O- + H+
endständige
ASgruppe im
Desoxyhäm.
Carbamat-Gruppe
Dadurch wird die T-Form (Desoxy-HB) stabilisiert, CO2 senkt also die Affinität zu O2.
Bei der Beladung mit O2 zerfallen die Carbamat-Gruppen wieder in CO2 und die freien AminoGruppen.