1

חלבונים קושרי חמצן:

המוגלובין ומיוגלובין

MYOGLOBIN, HEMOGLOBIN

2

על פי אופי הקבוצה מבחינים בין: נוקלאופרוטאינים – מכילים חומצות גרעין• ליפופרוטאינים – מכילים שומנים• גליקופרוטאינים – מכילים סוכרים• פוספופרוטאינים – מכילים קבוצת פוספט• מטלופרוטאינים – מכילים יוני מתכת•

חלבונים מורכבים:

מכילים מרכיבים נוספים מלבד חומצות החלק שאינו חומצה אמינית נקרא קבוצה אמיניות.

פרוסתטיתProsthetic group.

3

מורכב ממולקולה אורגנית ומיון מתכת.Hemeה-

מהווה חלק קטן מהמולקולה אך נוטלתHemeקבוצת ה- חלק חשוב בביצוע תפקידה הביולוגי, ובלעדיה יהיה החלבון

חסר פעילות ביולוגית.

המופרוטאינים משתתפים בתהליכים ביולוגיים כמו נשיאתחמצן, העברת אלקטרונים בתהליך הנשימה האירובית וכן

חמצון וחיזור תרכובות שונות.

המופרוטיאינים - חלבונים המכילים קבוצה(Heme)פרוסתטית הם

4

החמצן מאפשר הגדלת כמות האנרגיה מחמצון מזון.

מסיסות החמצן במים נמוכה.

בחולייתנים שני מנגנונים לאספקת חמצן לגוף:. מערכת דם המובילה חמצן לתאים.1. המערכת מכילה מולקולות חלבון נושאות חמצן )המוגלובין(2

מערכת נשיאת החמצן

5

תאי הדם האדומים זורמים לרקמות, שם משתחרר חמצןשעובר לתאים. חלק מהחמצן נקשר למיוגלובין ומשמש כמאגר

חמצן בתא.מהרקמות ומעביר אותו לריאות. CO2 הדאוקסיהמוגלובין סופח

מ"ל חמצן בדקה.350גוף האדם זקוק לכ- מ"ל חמצן. 3בליטר פלסמה ללא המוגלובין מתמוססים כ-

ליטר דם בדקה.100ב- לפיכך, יש צורך בערך

גרם המוגלובין )הכמות בליטר דם( מסוגלים לשאת 150(.70 מ"ל חמצן )בערך פי 200כ-

יעילות מערכת נשיאת החמצן

6

מערכת הדם ותפקיד הגלובינים בהעברת ובאחסון חמצן

ורידיםעורקים

7

מיו – שריר )המו – דם(. גלובין – חלבון השייך למשפחת ההמוגלובין והמיוגלובין.

שריר השלד של יונקים ימיים עשיר במיוחד במיוגלוביןכדי לאפשר אספקת חמצן בזמן הצלילה.

המולקולה מורכבת מחלק חלבוני- אפומיוגלובין, שקושרת חמצן. Hemeומקבוצה פרוסתטית –

Apoprotien חלבון ללא קב' פרוסטית

מיוגלובין

טבעות פירוליות )מחומשות עם חנקן(. 4החלק האורגאני מורכב מ-8

Heme פרוטופורפירין( מורכב מחלק אורגאני IX)ומאטום ברזל.

טבעת פירולית

9

יחידת Hemeמישורית וקשיחה -ה

קשרים קואורדינטיביים,6 יש hemeלברזל של יחידת ה- קשרים עם החנקן שבמרכז הטבעת 4

הפרוטופורפירינית.

FE+2 קשרים6 יוצר

בכל אחת מהפינות יש קשר לחנקן ואופציה

קשרים במאונך2ליצור

10

Heme-globin connection

בין ההם לחלבון נוצר הקשר החמישי של הברזל His

הקשר השישי עם החמצן

הסטידין הקרוב]לברזל[

שייך לאפומוגלבין]המוגלבין שלא

קשור אליו HEME ]

11

hemeהחלק החלבוני משמש ככלי קיבול לקבוצת ה-מספק סביבה הידרופובית הדרושה לקישור החמצן.

מהשרשרת75%כ- בהליקס במבנה

יעמסומניםהליקסים

ח.אמינו הפונות כלפי

פנים כמו מול HEMEה-

12

Ribbon presentation of myoglobin, includes hydrophobic residues (blue).

לאפומיוגלובין מיוצב בעזרתhemeהקשר בין ה-אינטרקציות הידרופוביות

רוב הקב. הצדדיות פונות כלפי פנים

13“Mesh” image of myoglobin, surface emphasized

מודל רשת של מיוגלובין

קהה שקוע

14

חומצות אמיניות לא פולריות

החלק הפנימיהידרופובי.

החלק החיצוניהידרופילי.

המיוגלובין חלבון גלובולרי טיפוסי

חומצות אמיניותפולריות

1 אמינו פולריות ונמצאות בתוך החלבון 2 F ח.אמינות השמינית בהליקס F8הסטידין

[6]סליל

הנ"ל 163 מתוך 1או אפשר לספור את הח.אמינו 94

15

שני שיירי היסטידין יוצאים מן הכלל: ומשתתפים בקשירת החמצן.hemeהם קשורים לקבוצת ה-

16

hemeשינויים במבנה בסמוך לקבוצת ה- O2בעקבות קישור

In deoxymyoglobinIn oxymyoglobin

17

+Fe2בסביבה מימית מתחמצן יון הברזל הדו-ערכי )

( Ferrous( לצורה התלת-ערכיתFe3+ )Ferricשאינה קושרת חמצן. סביבה הידרופובית מונעת את החמצון.

מדוע נחוצה סביבה הידרופובית לקשירת החמצן ?heme לקבוצת ה-

18

המוגלובין

מאפשר קליטת כמויות גדולות של חמצן ואספקתו לכל תאי הגוף.

מולקולות ההמוגלובין מרוכזות בתאי דם אדומים.

"אריזת" מיליוני מולקולות בתא המהווה חלקיק אחד, מאפשרת קיומן של מולקולות רבות תוך שמירה על לחץ

אוסמוטי סביר ועל מהירות זרימה מתאימה.

19

Hemoglobin

המבנה רביעוני של המוגלובין )ללא חמצן(

תת יחידות וכל תת יחידיה 4בנוי מ הם אחד 1 הליקסים ו8בנויה מ

שקושר חמצן. החיבור נותן לחבון הפעיל תכונות חדשות מיוגבולין

קושר רק חמצן והמוגלבין קושר גם פחמן דו חמצני

20

חלבון אוליגומרי]כמה תת יחידות[ המוגלובין תת יחידות למבנה מורכב מופיעות תכונות חדשות4בצרוף

1 2

1 2

21

וביןהקישור החזק הוא בין

22

שרשרות בהמוגלבין 4 מיוגבלין שרשרת פוליפפטידית אחת לעומת הצרוף מביא להופעת תכונות חדשות.

המוגלובין מעביר גם יוני מימן ופחמן דו חמצני.• ונמוכהpH האפיניות של המוגלובין לחמצן תלויה ב-•

[.PH מזו של מיוגלובין ]לא תלויה ב הבדל במספר ובהרכב החומצות האמיניות .• מיוגלובין משמש ]תחנה[לאגירת חמצן בשרירים, •

המוגלובין מעביר חמצן מהריאות לרקמות.

ההבדל בין מיוגלובין והמוגלובין

23

מבנה דומה. השרשרות מקופלות בצורה דומה ולכולן• מבנה כדורי דחוס.

, heme חמצן נקשר לקבוצה פרוסתטית, קבוצת ה- • והחלק החלבוני משמש ככלי קיבול לקבוצה הפרוסתטית.

הפיכה.heme קשירת החמצן לברזל שב-•

הדמיון בין מיוגלובין והמוגלובין

24

הדמיון בין מיוגלובין והמוגלובין מבנה דומה. השרשרות מקופלות בצורה דומה ולכולן

מבנה כדורי דחוס.

25

אלו = אחר. סטרי = מקום / מבנה.בנוסף לאתר הפעיל ]ההם[יש עוד אתר שישפיע על האתר פעיל בחלבון

פרט לאתר הפעיל מצויים אתרי קשירה נוספים אפקטורים לאתרים אלה נקשרים אתרים אלוסטריים.

(Effectors) :הגורמים לשינויים בחלקי מולקולה אחריםולשינוי הפעילות באתר הפעיל יותר או פחות פעיל ]דג' קשירה

אפקט אלוסטרי. של מול' נוספות . התופעה נקראת גם הסובסטרט ]מגיב מול' שנקשרת לחלבון יוצר את

במולקולהאפקטור אלוסטריהתוצר[יכול להוות בה ישנם מספר אתרים פעילים.בהמולגבין יש אות שמעלה את

הזיקה לקישור לאתר ההם הבא

המוגלובין – חלבון אלוסטרי.

26

בנוסף לחמצן, מושפעת פעילות ההמוגלוביןמאפקטורים אלוסטריים נוספים:

H+, CO2 -ו BPG )2,3 bi phosphoglycerate( .

הגדלת הזיקה לחמצן בעקבות קישור חמצן לאחת מתת היחידות. .(cooperative effect)אפקט שיתופי

ההמוגלובין – אב טיפוס לחלבונים אוליגומרייםבהם קיים אפקט אלוסטרי:

27

דרגת הרוויה בלחצי חמצן שונים.עקומת רוויה:

מספר האתרים במולקולה אליהם קשורדרגת הרוויה: חמצן, ביחס למספרם הכולל של האתרים קושרי חמצן.

.1 ל-0 ערכי הרוויה נעים בין

P50 - מהאתרים רוויים בחמצן, 50%לחץ החמצן בו מבטא את הזיקה לחמצן.

קשירת חמצן להמוגלובין ולמיוגלובין

28

עקומת רוויה של מיוגלובין והמוגלובין

29

עקומת קישור סיגמואידית )קואופרטיבית(של המוגלובין

30

השינויים במבנה המרחבי של המוגלובין למצב רפוי ( T-Tense)במעבר ממצב מתוח

(R-Relaxed)

31

hemeשינויים במבנה בסמוך לקבוצת ה- O2בעקבות קישור

32

Tקשרים יונים המיצבים את מצב ה-

33

גורמים המשפיעים על קשירת חמצן להמוגלובין(.Bohr)אפקט בוהר

פרוטונים ופחמן דו חמצני מיצבים את

ומקטינים אתTמצב זיקת ההמוגלובין

לחמצן.)רקמות(

)ראות(

34

BPGנמצא בתאי דםאדומים. נקשר להמוגלוביןומקטין את האפיניות שלולחמצן. חיוני כדי לאפשר

שחרור חמצן ברקמות. הקטנת האפיניות נעשית

על ידי קישור לדאוקסי-המוגלובין אך לא לאוקסי-

המוגלובין.

2,3-Bisphosphoglycerate )BPG( פוספט אורגאני בעל מטען שלילי

35

להמוגלובין BPGקישור

36

BPG נקשר לשלושה שיירים בכל שרשרת

BPG נקשר לדאוקסי- המוגלובין עם שלוש קבוצות טעונות חיובית בכל שרשרת

37

חומצות אמיניות חיוביות בסביבה הקושרת BPG

38

נעלם כאשר BPGהחלל בו נקשר חמצן

השינויים החלים נקשר להמוגלוביןבמולקולת

ההמוגלוביןכתוצאה מקישור

חמצן מונעיםBPGקשירת

ומפחיתים אתשיעור קשירת

וקשירת+Hיוני CO2.

39

HbF בעל אפיניות גבוהה יותר לחמצן מזו של HbA . מאפשר העברת חמצן ממחזור הדם של האם לזה של העובר.

(HbF)קישור חמצן להמוגלובין עוברי

40

HbF Ser 143

היא תוצאה שלHbF העליה באפיניות לחמצן של BPGקישור פחות טוב ל-

מוחלפת ח' אמינית,HbFבהמוגלובין העוברי בח' אמינית סרין 143היסטידין )חיובית( בעמדה

)ניטרלי(.

Ser 143

41

CO2 ,H+-ו BPG נקשרים כל אחד לאתר ספציפי לו בהמוגלובין ואינם מתחרים עם החמצן על קשירתו

.hemeל-

מתחרה עם החמצן על הקשירהCOלעומת זאת, חוסם את העברתCO. קישור hemeלקבוצת ה-

החמצן, לכן הוא רעיל.

מזיקתו לחמצן 200 גבוהה פי COזיקת ההמוגלובין ל- גבוה היא קטלנית.COלכן חשיפה לריכוז

42

חמצן נקשר לאטום הברזל בהמוגלובין ובמיוגלוביןוגם בפורפירין מבודד בזווית.

43

פחמן חד חמצני נקשר לאטום הברזל בפורפיריןמבודד בצורה לינארית

44

מונע קישור לינארי וכך His E7 בהמוגלובין ובמיוגלובין מקטין את אפיניות החלבונים לפחמן חד חמצני אך לא

לחמצן.

45

CO מפריע לקישור His E7החומצה האמינית O2בהמוגלובין אבל לא ל-

46

תאי דם אדומים –erythrocytes

47

חרמשית תאי דם של חולה אנמיה Sickle Cell Anemia

48

נוצרות אינטראקציות בין המולקולות, לכן מסיסות ההמוגלובין קטנה. נוצרים משקעים סיביים הגורמים

לשינוי בצורת התאים.

מדוע המחלה כל כך נפוצה? לנשאים יש הגנה משמעותית

בפני מלריה, כנראה מפני שכדוריות הדם הנגועות

נהרסות.

הגורם להרס כדוריות דם באנמיה חרמשית

49

הרס של כדורית דם ע"י סיבי המוגלובין שלחולה באנמיה חרמשית

50

מיוגלובין – סיכום חלבון גלובולרי בעל מבנה דחוס, הבנוי משני מרכיבים:

.hemeחלבוני – אפומיוגלובין וקבוצה פרוסתטית – שני מרכיבי החלבון משפיעים הן על המבנה והן על

התפקוד )קשירת החמצן(.חומצות אמיניות לא פולאריות נמצאות בתוך החלבון

ויוצרות סביבה הידרופובית.המיוגלובין, המצוי בשרירים משמש כמאגר חמצן

המאפשר פעילות נמרצת. על מנת לשמור על ריכוז חמצןגבוה ברקמות השריר דרושה העברת חמצן יעילה

למיוגלובין. העברה זו מתאפשרת הודות לזיקה הגבוהה של מיוגלובין לחמצן.

51

סיכום המוגלובין למדנו על שני חלבונים קושרי חמצן: המוגלובין ומיוגלובין.

חלבונים אלה, שהמבנה המרחבי שלהם ידוע לפרטיו, שימשו להדגמת הקשר בין מבנה החלבון לפעילותו.

נמצא קשר ברור בין קשירת חמצן לבין שינויים החלים במבנה מולקולה ומבטיחים קשירה יעילה של חמצן.

בהמוגלובין, חיבור של ארבע שרשרות חלבון מאפשר תקשורת תוך מולקולארית הבאה לידי ביטוי בתופעת

הקואופרטיביות ובויסות פעילות החלבון. משניםBPGוריכוז CO2, ריכוז pHגורמים סביבתיים כמו

את זיקת ההמוגלובין לחמצן וכך מווסתים את פעילותו ואת אספקת החמצן בתנאים שונים.

52

גורמת לשינויים באזורים אחריםhemeקשירת חמצן ל-של השרשרת ובשטחי המגע שלה עם השרשרות האחרות.בדרך זו "משודרת" קשירת חמצן לתת יחידה אחת,לחלקי

המולקולה האחרים. גורמת לשינוייםhemeקשירת החמצן לאחת מקבוצות ה-

במבנה השלישוני של אותה תת יחידה ולשבירת קשרי מלח עם תת יחידה סמוכה. בעקבות השינויים מתערערת

יציבות מבנה הדאוקסי המוגלובין ונטייתו לקשור חמצןולעבור למבנה אוקסי המוגלובין גדלה.

זוהי תופעת הקואופרטיביות. האפקט האלוסטרי נובע מאינטראקציות בין תת היחידות של ההמוגלובין.

סיכום - השפעת קשירת חמצן על מבנה ההמוגלובין