Białka funkcjonalne - hemoglobina i mioglobina

Mioglobina i hemoglobina należą do białek funkcyjnych, których zadaniem jest uczestnictwo w procesie oddychania. Hemoglobina za sprawą swojej podjednostkowej budowy potrafi inteligentnie prowadzić wymianę gazową. Jest przenośnikiem tlenu i znajduje się w czerwonych krwinkach – erytrocytach. Mioglobina jest białkiem wiążącym i magazynującym tlen. Największe jej stężenie znajduje się w mięśniach szkieletowych odpowiedzialnych za ruch oraz w sercu.
Mioglobina jest niewielkim białkiem globularnym o masie około 18 kDa. Nie ma budowy podjednostkowej, zatem nie może w sposób inteligentny prowadzić wymiany gazowej. Składa się z jednego łańcucha polipeptydowego, który zawiera 153 aminokwasy fałdujące się w osiem alfa helis. Ponieważ składa się jedynie z jednej podjednostki (jednego łańcucha), zatem kodowana jest przez jeden gen. Jak większość enzymów, także mioglobina ma specyficzną strukturę przestrzenną. Jej wnętrze zawierające prostetyczną grupę hemową, która jest odpowiedzialna za wiązanie tlenu, tworzy hydrofobowe zagłębienie, natomiast zewnętrzna powierzchnia jest jak najbardziej polarna.
Hemoglobina, tak jak to zostało już wspomniane, składa się z kilku podjednostek, co wpływa na jej specyficzne działanie. Skoro jest białkiem złożonym, to przyjmuje strukturę IV rzędową. Ponieważ zbudowana jest z czterech podjednostek (dwóch alfa złożonych ze 141 aminokwasów i dwóch beta złożonych ze 146 aminokwasów, które są podobne do mioglobiny), to nazywamy ją tetramerem. Kodowana jest przez dwa geny. Każda z podjednostek tworzy osiem alfa helis i zawiera swoją własną prostetyczną grupę hemową, zatem może wiązać w sumie cztery cząsteczki tlenu.
Prostetyczna grupa hemowa jest najważniejszym elementem funkcjonalnym hemoglobiny i mioglobiny. Składa się z protoporfiryny IX i centralnie położonego atomu Fe2+ który tworzy cztery wiązania z porfiryną, jedno z histydyną proksymalną, z tlenem cząsteczkowym i histydyną dystalną. Ta ostatnia spełnia niesamowicie ważną rolę w zabezpieczaniu hemoglobiny i mioglobiny przed trwałym wiązaniem z śmiertelnym dla naszego organizmu tlenkiem węgla, ponieważ tworząc wiązanie pod odpowiednim kątem z żelazem, uniemożliwia przywiązanie się czadu.
Inteligencja hemoglobiny polega na bardzo precyzyjnym mechanizmie wymiany gazowej, którą białko to zawdzięcza faktowi budowy podjednostkowej. Hemoglobina jest białkiem alloesterycznym, czyli inaczej mówiąc wiązanie tlenu z jedną z podjednostek, jest uzależnione od jej oddziaływania z innymi podjednostkami. Mówiąc w skrócie, najtrudniej jest przyłączyć pierwszą cząsteczkę tlenu – rozpocząć cały proces, po którym kolejne podjednostki lawinowo dążą do utlenienia. Dzieje się tak dlatego, że przestrzenna budowa hemoglobiny utlenowanej różni się od nieutlenowanej. Przed przyłączeniem się tlenu cząsteczkowego, krawędź hemu jest wklęśnięta i tworzy łuk, na którego środku znajduje się żelazo. Po przyłączeniu tlenu, hemoglobina zmienia swoją konformacje – krawędź hemu zostaje wyprostowana, żelazo do którego został przyłączony tlen i które jednocześnie zmieniło swoje położenie, pociąga za sobą histydynę proksymalną połączoną bezpośrednio z łańcuchem polipeptydowym, ta z kolei zrywa słabe wiązania wodorowe pomiędzy resztami aminokwasowymi. Następuje przemieszczenie się struktur białkowych, czyli zmiana konformacji trzeciorzędowej, która wpływa bezpośrednio na zmiany konformacji w strukturze czwartorzędowej. Te natomiast bezpośrednio implikują zwiększenie powinowadztwa kolejnych podjednostek do tlenu. Cała cząsteczka dąży w tym momencie do całkowitego utlenowania. Fakt ten, bardzo dobrze obrazuje graficzne przedstawienie krzywych dysocjacji tlenu dla hemoglobiny i mioglobiny. Dla tej pierwszej wykres ma kształt sigmoidalny, co oznacza kooperatywność wiązania tlenu, mioglobina posiada zależność hiperboliczną interpretowaną jako niekooperatywność. Ma to też inne konsekwencje. Okazuje się bowiem, że mioglobina ma znacznie większe powinowadztwo do tlenu niż hemoglobina. Jest to ważne spostrzeżenie funkcjonalne, ponieważ dostosowuje te dwie cząsteczki do swoich roli – mioglobiny jako magazynu tlenu, oraz hemoglobiny jako transportera.
Funkcję hemoglobiny jako transportera tlenu, dodatkowo reguluje tzw. Efekt Bohra. Mówi on o tym, że wiązanie tlenu przez to białko jest uzależnione od środowiska w którym się ono znajduje. Znaczy to tyle, że stężenie jonów w otaczającej tkance (zwłaszcza kationów wodorowych i dwutlenek węgla) odgrywa ważną rolę w procesie wymiany gazowej między hemoglobiną a komórkami docelowymi, gdzie tlen ma zostać dostarczony. W tkankach o dużej aktywności takich jak mięśnie szkieletowe i serce, w wyniku przemian energetycznych w łańcuchu oddechowym, powstają duże ilości produktów ubocznych takich jak wspomniane protony (jądra wodoru, lub inaczej mówiąc kationy wodoru) i dwutlenek węgla. Obecność tych cząstek prowadzi do przesunięcia krzywej dysocjacji tlenu w prawo – inaczej mówiąc hemoglobina zmniejsza swoje powinowadztwo względem tlenu. Przyczyną takiego stanu rzeczy, jest istnienie charakterystycznych miejsc wiązania kationów wodorowych na powierzchni hemoglobiny, których powinowadztwo względem wspomnianych protonów jest znacznie większe w hemoglobinie nieutlenowanej niż w utlenowanej. Zwiększające się ich stężenie wymusza na hemoglobinie taką konformacje, która umożliwi przyłączenie się jonów wodoru, a co za tym idzie uwolni się tlen. W procesie tym bierze udział także enzym anhydraza węglanowa, który katalizuje reakcje syntezy dwutlenku węgla i wody przy jednoczesnym uwalnianiu jonów wodoru. Dodatkowo dwutlenek węgla reaguje z pierwszorzędowymi grupami aminowymi tworząc karbaminian i zmieniając tym samym ładunek na dodatni.
Po powrocie do płuc proces ten się odwraca. Bardzo duże stężenie tlenu powoduje wyparcie pobranych z tkanki jonów i przyłączenie tlenu. Efekt Bohra ma zatem kluczową rolą podczas molekularnego procesu wymiany gazowej między tkankami, a płucami.
Nie można zpomnieć także o małej cząsteczce znajdującej się w hydrofobowej szczelinie pomiędzy poszczególnymi podjednostkami hemoglobiny – 2,3-bifosfoglicerynian. Ułatwia on uwalnianie się tlenu, obniża tym samym powinowadztwo hemoglobiny do tego gazu i spełnia szczególnie ważną rolę w pierwszych momentach po przyjściu na świat noworodka.