Hämoglobine - Evolution - Funktionen im Reich der Organismen

Einleitung: Vor Kurzem las ich, dass Hämoglobin im Gehirn von Säugetieren exprimiert wird und dass es auch NO transportieren soll. Ich konnte das kaum glauben. Zwei völlig neue Aspekte zu einem Protein, das so gut untersucht war. So führte das dazu, dass ich mich noch einmal ein wenig mit einem Stoff beschäftigte, von dem ich meinte, ihn gut zu kennen.
Die meisten Leser werden Hämoglobin als roten Blutfarbstoff kennen und auch wissen, dass er ganz allgemein in den roten Blutkörperchen von Wirbeltieren enthalten ist und dem Sauerstofftransport dient. Myoglobin dagegen befindet sich im Muskel und dient der Beschleunigung der Diffusion des Sauerstoffes aus dem Blut zu den Mitochondrien der Muskelzellen. Ich werde hier im Weiteren die Schreibweise Hemoglobin verwenden, weil das im Englischen üblich ist und die Schreibweise mit Umlauten immer zu gewissen Schwierigkeiten führen kann.
Seit Langem ist auch gut bekannt, dass Hemoglobine/Myoglobine eine sehr weit verbreitete Proteinfamilie bilden. Das Vorkommen schien aber auf Wirbeltiere beschränkt zu sein. Nur das Leghemoglobin bildete eine Ausnahme. Das Leghemoglobin, das wie das Myoglobin monomer ist, kennt man aus Leguminosen, die Knöllchenbakterien enthalten, die den Luftstickstoff fixieren. Es hat hier zwei Funktionen, die sich zu widersprechen scheinen. Zum einen führt es den Bakterien Sauerstoff zu, denn sie sind obligat aerob und zum anderen muss aber der Nitrogenasekomplex (der den Luftstickstoff nutzt, um daraus Nitrat herzustellen) vor Sauerstoff geschützt werden. Leghemoglobin erfüllt beides indem es die Sauerstoffdiffusion bei sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationen beschleunigt, so wie Myoglobin die Diffusionsgeschwindigkeit bei hohen Sauerstoffkonzentrationen erhöht.

Hemoglobine, Myoglobine und Leghemoglobin

Das Vorkommen von Leghemoglobin nur in Leguminosen war natürlich ein Rätsel. Daher wurde in neuerer Zeit dann erneut die Frage untersucht, welche Organismen Hemoglobin bilden. Das ist jetzt, da man sehr viele Genome sequenziert hat relativ leicht zu untersuchen. Das führte dazu, dass man auch in anderen Pflanzen nach Leghemoglobinen suchte und man wurde tatsächlich fündig. Diese Leghemoglobine wurden nichtsymbiotische Leghemoglobine genannt, weil sie nichts mit der Symbiose zwischen Leguminosen und Knöllchenbakterien zu tun haben. Dabei exprimieren Pflanzen zwei oder noch mehr verschiedene Leghemoglobine, ihre Funktion ist bisher nicht geklärt.
Es wurden dann auch Hemoglobine in Bakterien und noch weiteren Organismen gefunden, was ein sehr breites Vorkommen im Organismenreich dokumentiert. Auf weitere Einzelheiten dazu will ich hier nicht eingehen.
Auf jeden Fall sind Hemoglobine in Bakterien, Pflanzen und Tieren bemerkenswert ähnlich in ihrer Aminosäuresequenz und in ihrer Struktur. Das deutet darauf hin, dass diese Proteine sich aus einem Vorläuferprotein entwickelt haben, das Eubakterien besaßen.

Neu entdeckte Funktionen der Hemoglobine

Man fragte sich dann natürlich welche Funktionen diese Hemoglobine bei den verschiedenen Organismen haben könnten. Dazu folgende Bemerkungen:
1. Bei Bakterien hat man Flavohemoglobine entdeckt. Diese haben eine zweite Domäne, die in der Lage ist NO zu NO3- zu oxidieren. Dabei wird O2 benutzt. Diese Enzyme können also entweder zur Entfernung von NO, was für Bakterien giftig ist, oder zur Entfernung von O2 benutzt werden, was für obligate Anaerobier giftig ist oder für beides zusammen.
Sowohl Pflanzen als auch Tiere setzen NO ein, um Bakterien abzuwehren. Im menschlichen Körper produzieren Makrophagen NO, um Bakterien zu bekämpfen. Dass sowohl Pflanzen als auch Tiere diesen Mechanismus benutzen, legt den Schluss nahe, dass es sich um eine sehr ursprüngliche Funktion handeln könnte und dass Hemoglobin entwickelt wurde, um Reaktionen mit NO zu bewerkstelligen und erst später für den Sauerstofftransort umfunktioniert wurde.
2. In Röhrenwürmern der Tiefsee findet sich ein Hemoglobin, dass H2S zu den im Darm lebenden symbiontischen Bakterien transportiert.
3. Das menschliche Hemoglobin transportiert, wie oben schon erwähnt, neben Sauerstoff auch NO (s. dazu auch Stickstoffmonoxidstoffwechsel). Das wurde 1996 entdeckt. Das NO kann an derselben Stelle gebunden werden wie der Sauerstoff, aber noch an einer weiteren Stelle des Hemoglobins (an eine SH-Gruppe der b-Kette). Diese zweite Stelle ist in der Lage das NO über die Zellmembran der roten Blutkörperchen an das Blut abzugeben. Hier hat es die Wirkung, dass es die glatte Muskulatur entspannt, somit die Gefäße erweitert und die Sauerstoffaufnahme fördert.
4. Hardison fand in Halobacterium salinarum und Bacillus subtilis Hem-Proteine, die es den Bakterien ermöglichen, sauerstoffreiche Umgebungen aufzufinden. Beide Bakterienarten enthalten noch weitere Hem-Proteine zur Verarbeitung von Sauerstoff. Hier wird das Hemoglobin eingesetzt, um Sauerstoff zu orten und darauf chemotaktisch zu reagieren (GCS globin coupled sensors). Das kann neben Sauerstoff auch CO, NO oder Sulfid sein.
5. Berenbrink u.a. untersuchten wie Fische Sauerstoff oder Luft in die Schwimmblase befördern. Das ist wichtig, weil eine Schwimmblase einen geeigneten Füllungsgrad haben muss, damit sich der Fisch ohne Energieaufwand in der gleichen Wasserhöhe halten kann. Will er aufsteigen, so muss er mehr Gas in die Schwimmblase pumpen, was normalerweise unter Wasser natürlich nicht möglich ist. Heringe z.B. haben eine primitive Schwimmblase und müssen an der Oberfläche Luft schlucken, um sie in die Schwimmblase zu bringen.
Vor ca. 250 Mill. Jahren haben einige Fische ein Hemoglobin entwickelt, das einen starken Root-Effekt aufweist. Das sind Hemoglobine, die auch bei hohem O2-Partialdruck ihr Hemoglobin leicht abgeben können. Dadurch war es möglich ein Kapillarsystem um die Augen zu entwickeln, was Sauerstoff ins Auge abgab, wodurch sich das Sehen dieser Fische erheblich verbesserte.
Auf diesem System aufbauend haben vor 100 Mill. Jahren einige Fischgruppen ein Kapillarsystem um die Schwimmblase entwickelt, was unter Wasser in der Lage ist, Sauerstoff aktiv aus dem Blut in die Schwimmblase zu transportieren. Dadurch können sie in tiefere Wasserschichten vordringen, wodurch dieser Fischgruppe neue Lebensräume erschlossen wurden.

Zur Struktur der Hemoglobine

Abb. 1
Links: Im Zentrum befindet sich das Fe-Atom, darum herum 6 Koordinationsstellen.
Mitte und rechts: Das Fe-Atom im Zentrum des Pyrrolringes des Häms, nach unten das proximale Histidin, nach oben die freie Bindungsstelle für ein Gasmolekül.

Es gibt zwei grundsätzlich verschieden arbeitende Hemoglobine. Die einen sind pentakoordiniert, die anderen hexakoordiniert. Das zentrale Fe hat 6 Koordinationsstellen, die oktaedrisch angeordnet sind (Im linken Teil der Abb. zu sehen, wo die -Zeichen stehen). Die schon lange bekannten Hemoglobine und Myoglobine sind pentakoordiniert. Das bedeutet, dass vier Koordinationsstellen an N-Atome des zentralen Pyrrolringes gebunden sind, die 5. Koordinationsstelle ist an ein proximal liegendes Histidin gebunden (mit His gekennzeichnet). Die 6. Koordinationsstelle ist frei für die Bindung eines Gasmoleküls (O2, NO, CO oder H2S, in der Abb. rechts ein CO-Molekül). Das dort liegende distale Histidin ist zu weit entfernt als dass es diese Koordinationsstellen besetzen könnte. In den hexakoordinierten Hemoglobinen ist es jedoch nahe genug am Fe-Atom, so dass diese Stelle ebenfalls besetzt ist. Zu den Hemoglobinen dieser Gruppe gehören die bakteriellen Hemoglobine aber auch das neu entdeckte Hemoglobin im Gehirn der Säuger, das man Neuroglobin nennt.

Skizze zur Evolution der Hemoglobin-Familie

Stamler und Hughes glauben, dass das ursprünglichste Hemoglobin zunächst die Funktion hatte NO zu entgiften, da NO für Bakterien toxisch ist. Erst später hat sich daraus ein Molekül entwickelt, das auch Gase transportieren kann. Sie zeigten, dass Ascaris lumbriocoides (sehr großes Hemoglobin) ein Wurm für den O2 toxisch ist, dennoch O2 verbraucht. Sie sagen, dass das Ascaris Hemoglobin zwischen bakteriellem und Säuger-Hemoglobin steht. In Bakterien wird das Hemoglobin genutzt, um NO zu oxidieren, bei Säugern werden beide Gase transportiert. Bei Ascaris wird das Hemoglobin genutzt, um mit Hilfe von NO Sauerstoff zu beseitigen. Bei Ascaris werden NO und Sauerstoff direkt nebeneinander gebunden, bei den Säugern auf verschiedenen Seiten. Bei Ascaris kann das Hemoglobin aber gleichzeitig die Funktion haben, NO zu beseitigen, das vom Wirt produziert wird.

Quellen:

Dr. Jonathan Stamler, a Howard Hughes
Common Parasite Overturns Traditional Beliefs About The Evolution And Role Of Hemoglobin
Mitteilungen der Duke University 1999,

Alam, Hardison,
The Evolution of Hemoglobin
American Scientist 87, 1999

Michael Berenbrink, Pia Koldkjær, Oliver Kepp, Andrew R. Cossins
Evolution of Oxygen Secretion in Fishes and the Emergence of a Complex Physiological System
Science 18, 307, 5716, pp. 1752 - 1757

SANDRA BLAKESLEE, New York Times vom 5.10.1999