Hämoglobin: Synthese und Abbau

Aufbau des Hämoglobins

Hämoglobin ist das wichtigste Hämprotein im Blut und macht einen großen Bestandteil des Erythrozyten aus: Ein Erythrozyt besteht zu 34% aus Hämoglobin, zu 65% aus Wasser sowie aus Enzymen und anderen Proteinen (1%).

Hämoglobin ist ein tetrameres Protein (es besitzt demnach eine Quartärstruktur) und hat eine relative Molekülmasse von 64 000. Jede der 4 Proteinketten, die man auch als Globinketten bezeichnet und die von nicht kovalenten Kräften zusammengehalten werden, bindet eine Hämgruppe. Das häufigste Hämoglobin beim Erwachsenen ist das Hämoglobin A₀ (HbA₀, A für adult, früher HbA₁; HbA₁ steht heute für das glykierte Hämoglobin). Es besteht aus 2 α- und 2 β-Ketten (α₂β₂) mit jeweils 141 bzw. 146 Aminosäuren. Beide Ketten bestehen zum großen Teil aus α-helikalen Abschnitten. Ein weiteres Hämoglobin, das in geringer Menge beim Erwachsenen vorkommt, ist das Hämoglobin A₂ (HbA₂, α₂δ₂).

Das fetale Hämoglobin (HbF, F für fetal) ist dagegen aus 2 α- und 2 γ-Ketten aufgebaut (α₂γ₂). HbF hat eine höhere Sauerstoffaffinität als HbA₀ und kann diesem daher den Sauerstoff abnehmen, wodurch die Sauerstoffversorgung des Fötus verbessert wird. Außerdem ist die Bindung des Regulators 2,3-Bisphosphoglycerat an HbF schwächer als an HbA₀, wodurch der Sauerstoffübertritt von den Erythrozyten der Mutter auf die des Fötus ebenfalls erleichtert wird. Während der ersten 3 Lebensmonate wird HbF gegen HbA ausgetauscht, während die Hämoglobinkonzentration kontinuierlich abnimmt (physiologische Trimenonreduktion).

Die Gene, die die verschiedenen Globinketten codieren, bilden beim Menschen 2 Gruppen: die α- und die β-Gruppe. Die α-Gruppe enthält u.a. 2 identische Kopien des α-Gens und liegt auf Chromosom 16. Die β-Gruppe umfasst u.a. ein Gen für die β-Kette, 2 Gene für die beiden γ-Ketten wie auch eines für die δ-Kette und ist auf Chromosom 11 lokalisiert. In beiden Gruppen befinden sich außerdem Pseudogene.

Funktionen des Hämoglobins

Hämoglobin dient dem Gastransport im Blut. Außerdem ist es als Puffer von Bedeutung, da es H⁺-Ionen binden kann. Das Molekül ist wegen seiner zahlreichen Histidyl- und Sulfhydryl-(Thiol-, SH-)reste der wichtigste Nicht-Hydrogencarbonat-Puffer des Blutes. Mehr zu den wichtigsten Puffersystemen des Blutes findest du in der Physiologie.

Biosynthese des Häms

Ein Großteil (85%) der Hämbiosynthese erfolgt in den Erythroblasten, der Rest hauptsächlich in den Hepatozyten. Wie der Harnstoffzyklus läuft die Biosynthese in 2 verschiedenen Kompartimenten der Zelle ab: Beginn und Ende der Hämbiosynthese finden im Mitochondrium statt, einige Zwischenschritte im Zytosol.

Die Porphyrinsynthese beginnt mit der Verknüpfung der Aminosäure Glycin und Succinyl-CoA – letzteres stammt aus dem Citratzyklus –, aus denen in den Mitochondrien pyridoxalphosphatabhängig und unter Freisetzung von Coenzym A α-Amino-β-ketoadipat entsteht. Dieses decarboxyliert spontan zu δ-Aminolävulinat (δ-Ala; 5-Aminolävulinat). Die δ-Aminolävulinatsynthase (5-Aminolävulinatsynthase) ist das Schlüsselenzym der Hämbiosynthese.

δ-Aminolävulinat gelangt aus den Mitochondrien ins Zytosol. Die Porphobilinogensynthase verbindet 2 Moleküle δ-Aminolävulinat zu einem Molekül Porphobilinogen. Das Porphobilinogen enthält bereits den Pyrrolring. Die Porphobilinogensynthase kann von Bleiionen gehemmt werden.

4 Moleküle Porphobilinogen werden noch im Zytosol zu Uroporphyrinogen III, das ein Tetrapyrrolringsystem besitzt, zusammengebaut. Dies erfolgt in 2 Schritten: Aus Porphobilinogen entsteht, katalysiert von der Porphobilinogendesaminase, unter Abspaltung von 4 Aminogruppen und Polyaddition das lineare Tetrapyrrol Prä-Uroporphyrinogen (Hydroxymethylbilan). Dieses wird anschließend von der Uroporphyrinogen-III-Synthase (Cosynthase) zyklisiert. Die Synthese eines Moleküls Uroporphyrinogen III benötigt also acht Glycin- und acht Succinyl-CoA-Moleküle.

Die 4 Acetatreste von Uroporphyrinogen III werden von der Uroporphyrinogendecarboxylase zu Methylresten decarboxyliert. Es entsteht das farblose Coproporphyrinogen III, das mithilfe eines Transporters in die Mitochondrien zurückkehrt.

Die beiden Propionatseitenketten an den Ringen A und B des Coproporphyrinogens werden von der Coproporphyrinogenoxidase zu Vinylresten decarboxyliert und dehydriert. Produkt der Reaktion ist Protoporphyrinogen IX. An diesem Punkt sind die Seitenketten des späteren Häms fertiggestellt; die beiden abschließenden Reaktionen modifizierten nur noch das Innere des Tetrapyrrolrings.

Durch Dehydrierungsreaktionen im Tetrapyrrolringsystem mithilfe von molekularem Sauerstoff und FAD als Cofaktor entsteht aus Protoporphyrinogen IX der direkte Hämvorläufer Protoporphyrin IX. Das ausgedehnte System konjugierter Doppelbindungen verleiht dem Protoporphyrin IX wie auch dem Hämoglobin die Fähigkeit, kurzwellige Anteile des sichtbaren Lichts zu absorbieren, wodurch die intensiv rote Farbe entsteht.

Im letzten Schritt wird von der Ferrochelatase das zweiwertige Eisen in das Protoporphyrin eingefügt.

4 Hämgruppen werden nun mit 4 Globinmolekülen zum tetrameren Molekül Hämoglobin verbunden.

Die Hämbiosynthese wird auf der Stufe der δ-Aminolävulinatsynthase reguliert. Häm selbst hemmt das Enzym als Endprodukt über einen negativen Feedback-Mechanismus allosterisch (Endprodukthemmung). Zudem kann Häm die Synthese der δ-Aminolävulinatsynthase unterdrücken.

Blick in die Klinik:

Porphyrien

Porphyrien beruhen auf einer Synthesestörung des Hämanteils des Hämoglobins (im Gegensatz zu den Hämoglobinopathien, s.u.). Meist liegt diesen Erkrankungen ein angeborener Enzymdefekt zugrunde. Bei einer Porphyrie wird das Endprodukt Häm vermindert gebildet. Je nach Enzymdefekt akkumulieren unterschiedliche Porphyrinvorstufen oder auch Porphyrine, die in die Gewebe übertreten. Im häufig dunkel gefärbten Urin und/oder im Stuhl findet man ein typisches Profil an Metaboliten. Im Serum sind häufig die Aktivitäten typischer Leberenzyme erhöht.

Eine häufig vorkommende akute Form ist die akute intermittierende Porphyrie mit einem Mangel an Porphobilinogendesaminase, die sich, wie es für die akuten Formen typisch ist, in kolikartigen Bauchschmerzen mit Übelkeit und Erbrechen äußert.

Nicht akute Porphyrien manifestieren sich dagegen in einer erhöhten Photosensibilität der Haut (Photodermatose) mit Blasenbildung, teilweise mit Tumorentwicklung. Diese erhöhte Lichtempfindlichkeit geht auf eine Anreicherung der Porphyrine in der Haut und ihre lichtabsorbierenden Eigenschaften zurück, die zur Bildung von zellschädigenden Sauerstoffradikalen führt. Eine häufig vorkommende chronische Form ist die Porphyria cutanea tarda mit einem Mangel an Uroporphyrinogendecarboxylase.

Blick in die Klinik:

Hämoglobinopathien

Unter Hämoglobinpathien versteht man Synthesestörungen des Globinanteils des Hämoglobins durch Veränderungen in Globingenen (im Gegensatz zu den Porphyrien, s.o.). Die meisten dieser Erkrankungen verkürzen die Lebensdauer der Erythrozyten deutlich und führen so zu einer Anämie mit einer drastisch eingeschränkten Sauerstoffversorgung der peripheren Gewebe. Zu den Hämoglobinopathien gehören die Bildung von anormalen Hämoglobinen, wie bei der Sichelzellanämie, und auch eine quantitative Synthesestörung, wie bei den Thalassämien.

Sichelzellanämie

Anormal aufgebaute Hämoglobine können zu verschiedenen Krankheitsbildern führen. Zurzeit kennt man ca. 300 anormale Hämoglobine, von denen sich die meisten in einer einzelnen Aminosäure vom normalen Hämoglobin unterscheiden. Die Sichelzellanämie, eine Erbkrankheit, ist am weitesten verbreitet.

Bei der Sichelzellanämie ist das Gen der β-Kette des Hämoglobins (β^A) durch eine Punktmutation verändert. Das mutierte Gen (β^S), das ein Allel von β^A darstellt, codiert anstelle des polaren Glutamats an Position 6 ein unpolares Valin. Das mutierte Hämoglobin wird als HbS bezeichnet. Die Sauerstoffbindung an HbS ist nicht beeinträchtigt. Durch die Mutation entsteht auf dem Hämoglobintetramer jedoch ein hydrophober Bereich, sodass die HbS-Moleküle nach Sauerstoffabgabe zu Fibrillen polymerisieren und die Erythrozyten eine Sichelform annehmen. Dadurch verstopfen sie die kleinen Gefäße und stören so die Mikrozirkulation. Es kommt zu Organinfarkten und einer Anämie durch vermehrten Erythrozytenabbau. Zur Diagnose der Sichelzellanämie mithilfe einer RFLP-Analyse findest du hier mehr.

Die Sichelzellanämie kommt vor allem im tropischen Afrika vor, wo Malariaerreger verbreitet sind. In einigen Gebieten sind 1/3 der Einwohner heterozygote Anlagenträger. Während homozygote Träger schon im Säuglingsalter eine hämolytische Anämie aufweisen, sind heterozygote Träger klinisch unauffällig. Gegenüber Malaria sind sie sogar besser geschützt als die übrige Bevölkerung, die kein mutiertes Allel besitzt, weil sich die Erreger in Sichelerythrozyten nur schlecht vermehren können. Daher haben diese Menschen in Malariagebieten einen Selektionsvorteil.

Thalassämien

Thalassämien sind eine heterogene Gruppe von Erkrankungen, denen eine Störung der Synthese einer der beiden Hämoglobinketten gemeinsam ist. Da Thalassämien in der Mittelmeerregion häufig anzutreffen sind, werden sie auch als Mittelmeeranämien bezeichnet.

Ursachen können Genmutationen in regulatorischen Abschnitten der Globinkettengene oder Leserastermutationen sein. Je nach betroffener Kette unterscheidet man hauptsächlich die α- und die β-Thalassämie. In Griechenland und Italien sind die β-Thalassämien besonders häufig. Bei ihnen sind Nucleotide im Gen der β-Kette substituiert oder deletiert. In Südostasien ist die α-Thalassämie verbreiteter. Sie entsteht meist durch eine Gendeletion. Da es 2 Gene für β-Ketten aber 4 Gene für α-Ketten gibt, führen Mutationen in ersteren häufiger zu klinischen Symptomen.

Man unterscheidet verschiedene Schweregrade der Ausprägung:

• Thalassaemia major: bei homozygoten Trägern; entwickelt sich in den ersten Lebensmonaten, wenn HbF gegen HbA₀ ausgetauscht wird; Kinder leiden an schwerer Anämie, zeigen eine verzögerte Entwicklung und sterben in der Regel, bevor sie das Erwachsenenalter erreichen

• Thalassaemia intermedia: Folge ist häufig nur eine leichtgradige Anämie

• Thalassaemia minor: Träger sind heterozygot; verläuft meist symptomlos

Abbau des Häms

Alte Erythrozyten werden von den Zellen des monozytären Phagozytensystems (MPS) in Milz, Knochenmark und Leber phagozytiert und abgebaut. Intrazellulär findet der Hämabbau im glatten endoplasmatischen Retikulum statt. Hämoglobin wird aber auch bei einer Hämolyse außerhalb von Milz, Knochenmark und Leber freigesetzt. Solches Hämoglobin im Plasma bildet mit Haptoglobin, ein Glykoprotein des Blutplasmas, einen Komplex, der von der Leber aufgenommen wird. Dort wird das Hämoglobin zunächst in den Globin- und den Hämanteil zerlegt. Das Globin wird vollständig zu den entsprechenden Aminosäuren und das Häm zu Bilirubin abgebaut.

Das rote Häm wird im ersten Schritt seines Abbaus, bei dem eine O₂- und NADPH + H⁺-abhängige Hämoxygenase den Tetrapyrrolring des Häms an einer Methinbrücke öffnet, in grünes Biliverdin umgewandelt. Von den möglicherweise beim Menschen vorkommenden drei Hämoxygenase-Isoformen, die unterschiedliche Gewebsverteilung zeigen, hat die Hämoxygenase-1, die in hohem Anteil in den Zellen des monozytären Phagozytensystems (MPS) vorkommt, einen überwiegenden Anteil am Hämabbau. Bei der am ER stattfindenden Hämoxygenasereaktion werden neben Biliverdin Eisenionen und Kohlenmonoxid (CO) freigesetzt. Das Eisen steht für den Einbau in ein neues Hämmolekül zur Verfügung, das CO wird entweder ausgeatmet oder aber dient als Botenstoff ähnlich wie NO (Stickstoffmonoxid), der u.a vaskuläre Funktionen reguliert.

Die Biliverdinreduktase reduziert Biliverdin mit NADPH + H⁺ als Elektronendonator zum orangegelben Bilirubin, das 2 Propionylgruppen mit 2 Carboxylresten enthält und nur schwer wasserlöslich ist. Die sich ändernde Farbe eines „blauen Fleckens“ (Hämatom) macht diese Abbaureaktion deutlich:

• Zuerst erscheint ein blauer Fleck durch „normales“ Desoxy- und Methämoglobin blau,

• anschließend verfärbt sich der Fleck grün (Biliverdin) und

• schließlich erscheint er orangegelb (Bilirubin).

Das Bilirubin (unkonjugiertes, indirektes Bilirubin) verlässt das MPS und wird an Albumin gebunden zur Leber transportiert.

Das indirekte Bilirubin wird in die Leber aufgenommen, wo die wasserlösliche Ausscheidungsform des Bilirubins durch Glucuronidierung gebildet wird. Dazu werden ein oder beide freien Carboxylreste der Propionylgruppen des Bilirubins von der Glucuronosyltransferase mit Glucuronsäure verestert (konjugiert). Die Glucuronsäure wird von UDP-Glucuronsäure bereitgestellt. Das Produkt dieser Glucuronidierung ist Bilirubinmono- bzw. -diglucuronid (Mono- bzw. Diglucuronidylbilirubin; konjugiertes, direktes Bilirubin), das eine höhere Wasserlöslichkeit als Bilirubin besitzt und ausscheidungsfähig ist. Die Bezeichnung „direktes Bilirubin“  geht darauf zurück, dass das konjugierte Bilirubin mit diazotierter Sulfanilsäure unter Bildung von purpurfarbenem Azobilirubin reagiert, und somit gemessen werden kann. Das direkte Bilirubin wird in einem aktiven Transportprozess in die Galle abgegeben. Da dieser Transport gegen einen Konzentrationsgradienten stattfindet, ist er der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des gesamten Hämabbaus. Das direkte Bilirubin gelangt über die Galle in den Darm und wird dort weiter zu den farblosen Produkten Stercobilinogen und Urobilinogen abgebaut. Diese gelangen zu 20% über den enterohepatischen Kreislauf zurück zur Leber. Die restlichen 80% werden weiter in die orangebraunen Gallenfarbstoffe Stercobilin bzw. Urobilin umgewandelt, die den Fäzes ihre orangebraune Farbe geben. Bei starkem Hämabbau wird Urobilinogen zudem über die Niere ausgeschieden. Bei Kontakt mit Sauerstoff oxidiert das Urobilinogen zu Urobilin und färbt dadurch den Urin dunkel.