Für die oxidative Energieumwandlung benötigt der Organismus Sauerstoff. Der Vorgang des Gasaustausches in Form einer Sauerstoff-Aufnahme und Kohlenstoffdioxid-Abgabe lässt sich in mehrere Schritte gliedern:
Die äußere Atmung über Lungenbefüllung dient dem Gasaustausch mit der Umgebung, während sich die innere Atmung als diffusiver Austausch an Kapillaren ergibt.
Der Transport der Atemgase innerhalb des Organismus, den wir im Folgenden näher betrachten, geschieht über den Blutkreislauf.
Hämoglobin ist als tetrameres Molekül imstande, vier Disauerstoff-Einheiten zu binden und durch den menschlichen Blutkreislauf zu den entsprechenden Zielzellen zu transportieren. Parallel zu diesem Vorgang transportiert Hämoglobin auch Kohlenstoffdioxid über das Blut zurück zu den Lungenalveolen, wo es schließlich abgeatmet werden kann.
Hämoglobin setzt sich aus vier Untereinheiten (zwei α- und zwei β-Ketten) zusammen. Jede dieser Untereinheiten besteht aus dem Polypeptid Globin und einer prosthetischen Gruppe: der Häm-Gruppe.
Die Häm-Einheit besteht aus einem zentralen Eisen-Ion und einem organischen Anteil, dem Protoporphyrin, welches sich wiederum in vier Pyrrolringe gliedern lässt. Der Eisenanteil der Häm-Gruppe kann verschiedene Oxidationsstufen annehmen und damit als Eisen(III)- oder als Eisen(II)-Ion vorliegen. Die Fähigkeit zur Bindung von Sauerstoff setzt allerdings die Eisen(II)-Variante voraus.
Sauerstoff lagert sich an das Eisen(II)-Zentrum der Häm-Gruppe an, ohne eine Oxidation hervorzurufen. Allerdings kommt es zu einer Konformationsänderung, die im Folgenden die Sauerstoff-Anlagerung an die benachbarten Häm-Gruppen erleichtert. Die Quartärstruktur des Hämoglobins ändert sich durch Sauerstoffbindung deutlich. Aus der sogenannten 'T-Form' des Desoxyhämoglobins wird die 'R-Form' des Oxyhämoglobins.
Allosterischer Effekt: Je mehr Untereinheiten des Hämoglobins bereits mit Sauerstoff beladen sind, desto höher ist die Tendenz der anderen Untereinheiten, weiteren Sauerstoff zu binden. Hieraus resultiert die typische sigmoidale Bindungskurve des Hämoglobins.
Die Sauerstoff-Affinität des Hämoglobins wird zusätzlich durch verschiedene weitere Faktoren, wie eine Erniedrigung des Umgebungs-pH-Wertes oder eine Erhöhung des CO2-Partialdrucks, verringert: Wird beispielsweise bei muskulärer Beanspruchung Milchsäure gebildet, steigt die Anzahl der Protonen und der pH-Wert sinkt. Diese Protonen binden an die Amino-Enden des Hämoglobins und können auf diese Weise dessen Affinität zu Sauerstoff herabsetzen.
Im Rahmen eines steigenden Kohlenstoffdioxid-Partialdrucks wird einerseits CO2 zu Kohlensäure umgewandelt, wodurch der pH-Wert sinkt, andererseits kann CO2 auch direkt an die Amino-Enden des Hämoglobins binden und die Desoxyhämoglobin-Form durch Bildung von Carbamaten verstärken.
Bohr-Effekt: Ein sinkender pH-Wert und ein steigender Kohlenstoffdioxid-Partialdruck führen zu verringerter Sauerstoff-Bindungsaffinität und begünstigen die Sauerstoffabgabe.
Zu weiteren negativen Einflussfaktoren auf die Sauerstoff-Affinität des Hämoglobins zählen Temperaturerhöhungen und ein vermehrtes Auftreten des organischen Phosphats 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG). 2,3-BPG wird in Erythrozyten aus 1,3-Bisphosphoglycerat synthetisiert und führt sowohl zu einer vermehrten Sauerstoffabgabe als auch zu einer verringerten Sauerstoffaufnahme bei Hämoglobin.
Da Hämoglobin eine geringere Anzahl freier basischer Aminogruppen als Oxyhämoglobin (Hämoglobin mit gebundenem Disauerstoff) trägt, verstärkt ein sinkendes Verhältnis von Oxyhämoglobin zu Hämoglobin die Dissoziation von Kohlensäure und erhöht damit das Aufkommen an Hydrogencarbonat, welches wiederum an Hämoglobin binden und damit den Kohlenstoffdioxid-Abtransport erhöhen kann. Eine Oxygenierung des Hämoglobins setzt dagegen dessen Tendenz zur Bindung Protonen und Kohlenstoffdioxid herab.
Haldane-Effekt: Ein steigender Sauerstoff-Partialdruck (Oxygenierung des Hämoglobins) erhöht die Tendenz des Hämoglobins zu Kohlenstoffdioxid- und Protonenabgabe. Konträr hierzu führt eine Desoxygenierung des Hämoglobins zu einer erhöhten Bindungsaffinität von Kohlenstoffdioxid und Protonen.
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Literatur:
Berg, J.M., Gatto, G.J., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2018). Stryer: Biochemie. Berlin: Springer-Spektrum.
Clauss, C., Clauss, W. (2017). Humanbiologie kompakt. Berlin: Springer-Spektrum.
Klinke, R., Kurtz, A., Pape, H. C., Silbernagl, S. (2009). Physiologie. Stuttgart: Thieme.
Bildquelle: Eigene Darstellung, Vincent Krennerich