Hämoglobin, Abk. Hb, der rote Blutfarbstoff. Die Hämoglobine sind eine Gruppe von Chromoproteinen, die vorwiegend dem Sauerstofftransport dienen und in den Erythrocyten des Menschen und der Wirbeltiere, sowie bei vielen Wirbellosen frei in der Hämolymphe vorkommen. Das H. der Erythrocyten ist ein Tetramer, das aus vier Polypeptidketten – je zwei identischen – und vier eisenhaltigen farbgebenden prosthetischen Hämgruppen besteht. Die extrazellulären H. der Wirbellosen können bis zu 250 Häm-haltige Untereinheiten haben. In den Erythrocyten liegt H. als 34 %ige Lösung vor und transportiert den Sauerstoff von der Lunge zu den anderen Geweben, bzw. das im Körper gebildete Kohlenstoffdioxid zu den Atmungsorganen. Rund 80 % des Gesamtkörpereisens des menschlichen Körpers sind im H. enthalten.

Das H. des Menschen besteht aus zwei α-Ketten mit je 141 Aminosäuren und zwei β-Ketten mit je 146 Aminosäureresten. Die Sequenzen des Human-H. und die vieler anderer Wirbeltier-H. sind aufgeklärt. In der Tertiärstruktur unterscheidet man acht helikale Hauptsegmente, die mit den Buchstaben A bis H, ergänzt mit der Nummer des jeweiligen Restes bezeichnet werden. Dazwischen liegen fünf nicht helikale Segmente. Die Faltung der H.-Ketten ist ganz ähnlich derjenigen des Myoglobins. Auch die Fixierung der Hämgruppe über ihr Eisen(II)-Atom an zwei Histidinreste sowie über hydrophobe Wechselwirkungen in der Hämtasche entspricht der Anordnung im Myoglobin. Zusätzlich finden sich beim H. nichtkovalente, vorwiegend hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Ketten. Sie bilden besonders zwischen den α- und β-Ketten große hydrophobe Kontaktregionen, die die Grundlage für die Wechselwirkungen der vier räumlich getrennten Hämgruppen bei der reversiblen kooperativen Bindung von vier Sauerstoffmolekülen je H.-Molekül bilden.

Die hydrophoben Wechselwirkungen ermöglichen das Aufeinandergleiten der beiden Dimere während der O₂-Beladung und -Abgabe. Man unterscheidet zwei Konformationen des H., den kompakteren R-Zustand (relaxed = entspannt) des Oxyhämoglobins (Oxy-Hb) und den T-Zustand (tense = gespannt) des Desoxyhämoglobins (Desoxy-Hb) ( vgl. Abb. ). ( vgl. Abb. ) Letzteres ist durch eine höhere Anzahl von Ionenbindungen zwischen den verschiedenen Untereinheiten charakterisiert. Im Oxy-Hb sind die Untereinheiten weniger fest assoziiert, die ionisierbaren Gruppen weisen andere Dissoziationskonstanten auf und die Salzbrücken (Ionenbindungen) werden aufgebrochen. Die β-Untereinheiten lagern sich im Oxy-Hb enger zusammen, ihre Hämtaschen werden weiter und lassen die Bindung von Sauerstoff zu. ( vgl. Abb. )

Die Fähigkeit des H., im Lungengewebe O₂ zu binden und CO₂ abzugeben, im übrigen Körper hingegen den umgekehrten Prozess zu durchlaufen, erklärt sich aus einer reversiblen Verschiebung seiner O₂-Affinität in Abhängigkeit von der Acidität und dem CO₂-Druck des umgebenden Gewebes (Bohr-Effekt). Verbunden ist dieses Phänomen mit der unterschiedlichen Affinität von Desoxy-Hb und Oxy-Hb zu Protonen. Oxy-Hb bindet keine Protonen, Desoxy-Hb hingegen für vier O₂-Moleküle je zwei Protonen.

2,3-Bisphosphoglycerat (DPG) bindet nichtkovalent an Desoxy-Hb., jedoch nicht an Oxy-Hb. Im Desoxy-Hb ist ein DPG-Molekül mit den geladenen α-Aminogruppen und den N-terminalen Valinresten der beiden β-Ketten verbunden. Auch andere β-Kettengruppen können möglicherweise zur DPG-Bindung beitragen. Das DPG verschiebt das Gleichgewicht

Oxy-Hb ⇌ Desoxy-Hb + O₂

auf die rechte Seite. Die molare Konzentration des DPG ist in den Erythrocyten ungefähr so groß wie diejenige des H. Die Erythrocyten-DPG-Konzentration kann sich als Antwort auf eine mangelhafte Sauerstoffversorgung der Gewebe verändern. Wenn z.B. die Luftzufuhr in den Bronchien begrenzt ist, nimmt der O₂-Druck des arteriellen Blutes ab. Dies wird durch eine Verschiebung der O₂-Dissoziationskurve kompensiert, indem die Konzentration von DPG in den Erythrocyten auf bis fast das Doppelte zunimmt. DPG spielt auch bei der Anpassung an größere Höhen eine Rolle.

Hämoglobin: Links schematische Darstellung der vier Untereinheiten des Desoxyhämoglobins und rechts daneben des Oxyhämoglobins; hier ist kein 2,3-Bisphosphoglycerat mehr vorhanden und die beiden β-Untereinheiten haben sich aufeinander zu bewegt. Die helicalen Bereiche sind durch A, B, usw. gekennzeichnet

Hämoglobin: Bei der Oxygenierung geht das Hämoglobin bzw. der Kontakbereich von α₁- und β₂-Untereinheit von der T-Form in die R-Form über. Die Untereinheiten können aufgrund der so genannten Schwalbenschwanzgestalt leicht beide Formen einnehmen

Hämoglobin: Im desoxygenierten Zustand liegt das Häm-Eisen etwas außerhalb der Ebene des Porphyrinrings. Bei der Oxygenierung bewegt sich das Eisenatom in die Häm-Ebene hinein, wobei die Position des proximalen Histidinrestes (F8) und damit der ganzen F-Helix sowie der angrenzenden nichthelikalen Segmente (EF- und FG-Ecke) verschoben wird