Charakterystyka budowy i funkcji hemoglobiny i mioglobiny

Mioglobina i hemoglobina są przykładami tak zwanych białek funkcyjnych. Biorą one udział w procesie oddychania. Hemoglobina składa się z podjednostek i jest bardzo sprawnym przenośnikiem tlenu. Hemoglobina zlokalizowana jest w erytrocytach. To ona nadaje krwi czerwoną barwę. Funkcja mioglobiny polega na wiązaniu i magazynowaniu tlenu. Szczególnie dużo mioglobiny występuje w mięśniach szkieletowych oraz w mięśniach serca.

Cząsteczka mioglobiny waży około 18 kDa. Należy ona do białek globularnych. Cząsteczka mioglobiny nie jest zbudowana z podjednostek. Mioglobina zbudowana jest z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, składającego się ze 153 aminokwasów. Instrukcja dotycząca biosyntezy białka mioglobiny zakodowana jest w jednym genie. Tak jak wiele innych enzymów, mioglobinę cechuje specyficzna przestrzenna struktura. Część wewnętrzna, która zawiera prostetyczna grupę hemową tworzy zagłębienie. Ma one charakter hydrofobowy. Z kolei powierzchnia zewnętrzna ma charakter polarny. Mioglobina ma, w porównaniu do hemoglobiny, większe powinowactwo do tlenu. Stanowi magazyn tlenu w mięśniach, który jest wykorzystywany jeśli ilość tlenu w dopływającej do mięśnia krwi jest niewystarczająca.

W przeciwieństwie do mioglobiny, hemoglobina zbudowana jest z podjednostek. Taka budowa wywiera istotny wpływ na sposób jej działania. Jak każde białko złożone, posiada strukturę IV-rzędową. Cząsteczkę hemoglobiny budują cztery podjednostki: dwie podjednostki α oraz dwie podjednostki β. Podjednostki α zbudowane są ze 141 aminokwasów, natomiast podjednostki β ze 146. Hemoglobina jest więc tetrametrem. Instrukcja dotycząca biosyntezy białka hemoglobiny zakodowana jest w dwóch genach. W obrębie każdej z czterech podjednostek zlokalizowana jest hemowa grupa prostetyczna, której funkcją jest wiązanie cząsteczki tlenu. W sumie więc jedna cząsteczka hemoglobiny wiąże cztery cząsteczki tlenu.

Najistotniejszym elementem funkcjonalnym zarówno mioglobiny jak i hemoglobiny jest hemowa grupa prostetyczna. Grupę prostetyczną tworzy protoporfiryna IX. W centrum znajduje się jon Fe²⁺. Tworzy on cztery wiązania z porfiryną. Ponadto tworzy po jednym wiązaniu z histydyną proksymalną oraz dystalną. Tworzy też jedno połączenie z tlenem cząsteczkowym. Funkcja histydyny dystalnej polega na zabezpieczaniu zarówno hemoglobiny jak i mioglobiny przed trwałym związaniem tlenku węgla, który jest śmiertelną trucizną. Histydyna dystalną spełnia swoje zadanie łącząc się pod odpowiednim kątem z jonem Fe²⁺.

Niezwykła sprawność hemoglobiny wynika z jej podjednostkowej budowy. Dzięki temu mechanizm wymiany gazowej z udziałem hemoglobiny jest bardzo precyzyjny. Hemoglobina należy do białek allosterycznych. Oznacza to, że przyłączenie cząsteczki tlenu do jednej z podjednostek jest ściśle związane z jej oddziaływaniem z innymi podjednostkami. Przyłączenie pierwszej cząsteczki tlenu do cząsteczki hemoglobiny jest najtrudniejsze. Jednak kiedy pierwsza cząsteczka zostanie przyłączona, następne trzy cząsteczki przyłączane są w sposób lawinowy. Trudności z przyłączeniem pierwszej cząsteczki hemoglobiny wynikają z tego, że kształty cząsteczki hemoglobiny utlenowanej i odtlenowanej są różne. Zanim cząsteczka tlenu zostanie związana, krawędź hemu ma kształt wklęśnięty i tworzy łuk. Pośrodku tego łuku znajduje się żelazo. Gdy cząsteczka tlenu zostanie przyłączona, konformacja hemoglobiny zmienia się-prostuje się krawędź hemu, w związku z tym, związane z cząsteczką tlenu żelazo zmienia swoje położenie, pociągając za sobą histydynę proksymalną. Histydyna proksymalna połączona jest bezpośrednio z łańcuchem białkowym. Powoduje to zerwanie słabych wiązań wodorowych, jakie występują pomiędzy resztami aminokwasowymi. Powoduje to zmianę położenia struktur białkowych, co oznacza zmianę struktury III-rzędowej. Wpływa to bezpośrednio na zmianę struktury IV-rzędowej. Hemoglobina ze zmienioną strukturą IV-rzędową ma większe powinowactwo do tlenu. Od tego momentu cała cząsteczka dąży do tego by zostać całkowicie utlenowaną. Graficznie można to zobrazować za pomocą krzywych dysocjacji tlenu dla mioglobiny i hemoglobiny. W przypadku hemoglobiny krzywa ta ma kształt sigmoidalny, co jest związane z kooperatywnością w procesie wiązania tlenu. Krzywa dla mioglobiny ma kształt hiperboli, co wiąże się z niekooperatywnością. Wiąże się z tym kolejna właściwość cząsteczki mioglobiny. Ma ona mianowicie znacznie większe, w porównaniu z hemoglobiną powinowactwo do tlenu, co ma bezpośredni związek z funkcją mioglobiny jako rezerwuaru tlenu. Mniejsze powinowactwo hemoglobiny do tlenu sprawia, że lepiej sprawdza się ona w roli przenośnika tego pierwiastka.

Z funkcją hemoglobiny, jako przekaźnika tlenu, wiąże się, dodatkowo, tak zwany efekt Bohra. Polega on na tym, że środowisko, w którym zachodzi wiązanie tlenu wpływa na sposób, w jaki ten proces przebiega. Oznacza to, że na proces wymiany gazowej pomiędzy cząsteczką hemoglobiny, a komórkami, do których dostarcza ona tlen, ma wpływ stężenie jonów, jakie panuje w otaczającej tkance. Dotyczy to przede wszystkim kationów wodorowych i dwutlenku węgla. W tkankach wykazujących dużą aktywność metaboliczną, do których należą między innymi mięśnie szkieletowe lub serca, produkcja kationów wodorowych oraz dwutlenku węgla jest bardzo duża. Ich obecność sprawia, że krzywa dysocjacji tlenu przesuwa się w prawo. Wiąże się to ze zmniejszeniem powinowactwa hemoglobiny do tlenu. Ma to związek z istnieniem charakterystycznych miejsc, do których przyłączane są kationy wodorowe. Ich powinowactwo względem tych kationów jest wyższe w przypadku hemoglobiny nieutlenowanej. Zwiększające się ich stężenie kationów wodorowych indukuje zmianę konformacji cząsteczki hemoglobiny, która pozwala na przyłączanie się tych kationów. Wiąże się z tym uwolnienie cząsteczek tlenu. W procesie tym bierze udział enzym anhydraza węglanowa. Jednocześnie ma miejsce reakcja między dwutlenkiem węgla, a pierwszorzędowymi grupami aminowymi, w wyniku której powstaje karbaminian. W płucach ma miejsce proces odwrotny. Duże stężenie tlenu sprawia, że związane przez hemoglobinę jony zostają odłączone. Hemoglobina może, dzięki temu, związać teraz tlen. Efekt Bohra odgrywa zatem kluczową rolę w molekularnym podłożu wymiany gazowej.

Szczelina pomiędzy poszczególnymi podjednostkami hemoglobiny ma charakter hydrofobowy. W szczelinie tej zlokalizowana jest małą cząsteczka 2,3-bifosfoglicerynianu. Obecność tej cząsteczki sprawia, że odłączenie się cząsteczki tlenu od hemoglobiny jest łatwiejsze, w związku z tym maleje powinowactwo hemoglobiny do tego pierwiastka. 2,3-bifosfoglicerynian odgrywa szczególnie istotną rolę w pierwszych chwilach po przyjściu na świat noworodka.