Röntgenkristallstrukturaufklärung der Hämoglobine des Breitmaulnashorns Ceratotherium simum und des Krallenfroschs Xenopus laevis
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Es wurden die Kristallstrukturen der Hämoglobine des Breitmaulnashorns Ceratotherium simum (HbCs) und des Krallenfroschs Xenopus laevis (HbXl) aufgeklärt. Beim Krallenfrosch handelt es sich um einen Modellorganismus in biologischer und medizinischer Forschung.
Die Kristallstruktur des HbCs besitzt eine Auflösung von 2,1 Å, befindet sich in der met-Form und liegt im R2-Zustand vor. Die Kristallisation des Proteins im R2-Zustand ist unter den genutzten Kristallisationsbedingungen ungewöhnlich und konnte auf eine Salzbrücke zwischen ßHis69 und ßGlu20 zurückgeführt werden, welche den R2-Zustand fixiert. Des Weiteren liefert die Kristallstruktur Einblicke in die 2,3-BPG-Bindestelle und die Veränderung der bindungsbeteiligten Aminosäure ßGlu2, welche vermutlich für die hohe Sauerstoffaffinität des Proteins verantwortlich ist. Erste Vergleiche mit den Hämoglobinen anderer großer Säugetiere zeigen, dass auch dort Mutationen in der 2,3-BPG-Bindestelle vorliegen. Man kann daher mutmaßen, dass die oft gezeigte Korrelation zwischen Körpergröße und Sauerstoffaffinität in direktem Zusammenhang mit der Mutation der 2,3-BPG-Bindestelle dieser Hämoglobine steht.
Die Kristallstruktur des HbXl besitzt eine Auflösung von 2,7 Å und es handelt sich dabei um die erste und bisher einzige Kristallstruktur eines Hämoglobins aus einer Amphibie. Das Hämoglobin liegt in seiner met-Form vor und ist im R-Zustand kristallisiert. Obwohl das HbXl nur eine ca. 50%ige Gesamtsequenzidentität zu anderen Hämoglobinen aufweist, zeigt es trotz allem die typische Globinfaltung und die tetramere Struktur der Hämoglobine. Eine ungewöhnlich niedrige Haltbarkeit des Proteins wurde auf eine intermolekulare Disulfidbrücke zurückgeführt, die zu einer Verkettung der Hämoglobine führen kann. Es wurden außerdem Strukturbesonderheiten diskutiert, die in Verbindung mit der Sauerstoffaffinität des Proteins sowie dem Root-Effekt der marinen Knochenfische stehen. Das HbXl besitzt Sauerstoffbindungseigenschaften die als „rudimentärer Root-Effekt“ bezeichnet werden können und anhand der Struktur war es möglich einen strukturellen Mechanismus zu konstruieren, welcher diese speziellen Sauerstoffbindungseigenschaften des HbXl erklärt. Sequenzvergleiche mit den „wahren“ Root-Effekt-Hämoglobinen der Knochenfische zeigen, dass der in dieser Arbeit vorgestellte „Schaltermechanismus“ auch bei den Knochenfischen eine Rolle bei der Ausprägung des Root-Effekts spielen könnte.