Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 24.02.17


Hämocyanin

Der blaue Blutfarbstoff der Arthropoden & Mollusken

Vortrag von Carola Brucker und Fabian Auer im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 2009, SS 2014


Gliederung:


Einstieg 1: Tiere mit blauem Blut

Pfeilschwanzkrebse, Oktopoden, Krebse, Skorpione, Schnecken und Spinnen haben sich alle einen Adelstitel verdient, denn in ihren Adern fließt blaues Blut. An der Uni in Mainz wird schon seid Jahren am blauen Blut geforscht. Ich habe dort nachgefragt, wie man eigentlich an das Blut dieser Tiere gelangt. Denn einer Vogelspinne Blut abzunehmen ist gar nicht so einfach. Es wurde mir erklärt, dass mit einer Nadel das Herz der Spinne punktiert wird, um mit einer Pipette die Hämolymphe aufzunehmen. Bevor dieser Eingriff durchgeführt wird, muss die Spinne in die Kälte gestellt werden, wodurch sie ganz langsam wird. So minimiert man das Risiko gebissen zu werden. Die Spinne übersteht diese Prozedur unbeschadet und die Forscher erhalten auf diese Weise das blaue Blut.


Abb. 1: Kaninchenblut und Spinnenblut [1]

Einstieg 2: Schnecke vs. Regenwürmer

 

Abb. 2: Unschlüssige Würmer versuchen das Verhalten der Schnecke zu deuten [3]

Um sich von den Arbeitern auf dem Feld abzuheben sprach man im Mittelalter davon, dass der Adel blaues Blut hätte. Dies kam dadurch zustande, dass die Bauern auf dem Feld täglich der prallen Sonne ausgesetzt waren und somit eine dunklere Hautfarbe hatten. Somit waren die Venen durch die Haut nicht mehr zu sehen. Der Adel hingegen hielt sich hauptsächlich in den Villen und Burgen auf, wodurch die Haut blass blieb und die Venen bläulich durch die Haut schienen. Die Regenwürmer haben rotes, hämoglobinhaltiges Blut und die Schnecke blaues, hämocyaninhaltiges Blut. Kann sich die Schnecke nur aufgrund des Unterschiedes ihre Arroganz erlauben?


2 Respiratorische Proteine

Die blaue Farbe wird durch das respiratorische Protein Hämocyanin hervorgerufen. Respiratorische Proteine sorgen für eine erhöhte Sauerstofftransportkapazität des Blutes, indem sie den Sauerstoff binden. Eigentlich ist das Hämocyanin ein farbloses Molekül. Die tief blaue Farbe entsteht erst, wenn das Sauerstoffmolekül gebunden ist. Respiratorische Proteine haben für komplex gebaute Lebensformen eine lebenswichtige Bedeutung. Ohne solche Proteine wäre eine enorme Menge an Blut nötig, um den Sauerstoffbedarf zu decken. Denn rein physikalisch lösen sich bei Körpertemperatur nur höchstens 2 ml Sauerstoff in 500 ml Blut. Mit Hilfe von respiratorischen Proteinen sind nur 10 ml Blut nötig, um dieselbe Menge an Sauerstoff zu binden. Die Blutmenge verringert sich also um das 50-fache bei gleich bleibender Sauerstoffkapazität.

2.1 Das Hämoglobin

 
Abb. 3: Aktives Zentrum des Hämoglobins [4, 11]

In der Natur existieren verschiedene respiratorische Proteine. Im roten Blut der Wirbeltiere übernimmt z.B. das Hämoglobin die Aufgabe des Sauerstofftransports. Das Sauerstoffmolekül wird beim Hämoglobin als Ligand eines Oktaeder-Komplexes reversibel an das zentrale Eisen-Atom gebunden. Dieses Protein besteht aus vier Untereinheiten, die jeweils ein aktives Zentrum besitzen. Damit können pro Hämoglobin genau vier Sauerstoffmoleküle transportiert werden.

2.2 Das Hämocyanin

 
Abb. 4: Aktives Zentrum des Hämocyanins [4, 5, 10]

Beim Hämocyanin wird die Sauerstoffbindung auf eine ganz andere Weise verwirklicht. Man findet es nur bei Arthropoden und Mollusken, wobei man davon ausgeht, dass es sich zweimal unabhängig von einander entwickelt hat.

2.2.1 Aufbau der Hämocyanin-Untereinheit

Die Röntgenstrukturanalyse des Arthropoden-Hämocyanins ergab, dass die Untereinheiten nierenförmig aufgebaut sind und sich aus drei Domänen zusammensetzen, die in der Abbildung jeweils unterschiedlich gefärbt sind. Der Schwarze Pfeil kennzeichnet das aktive Zentrum, an dem der Sauerstoff gebunden wird. Im aktiven Zentrum des Hämocyanins befinden sich statt dem Eisen zwei Kupfer-Atome, zwischen denen das Sauerstoffmolekül eingeklemmt wird. Die Kupferatome werden über die Aminosäure Histidin an das Proteingerüst gebunden. Genauer gesagt über den Imidazolring des Histidins, wobei das freie Elektronen-paar am Stickstoff für die Bindung zum Kupferatom genutzt wird.

 
Abb. 5: Histidin

2.2.2 Die Sauerstoffbindung am aktiven Zentrum des Hämocyanins

 
Abb. 6: Aktives Zentrum [7]

Jedes der zwei Kupferatome bildet mit drei Imidazol-Gruppen des Histidins einen trigonal-coplanaren Komplex. Diese beiden Komplexe sind farblos. Durch die Sauerstoffbindung lagern sie sich zusammen. Dabei kommt die blaue Farbe zustande. Die beiden Kupferatome, die beiden dazwischen liegenden Sauerstoffatome und vier Stickstoffatome, der Imidazol-Gruppen liegen coplanar in einer Ebene. Die Imidazol-Gruppen der beiden übrigen Histidin-Einheiten befinden sich nun im rechten Winkel über bzw. unter dieser Ebene.

 
Abb. 7: Atomabstände [8]

Beim Vergleich der Atomabstände kann man Genaueres über die Sauerstoffbindung herausfinden: Der Abstand zwischen den Kupfer-Atomen verkürzt sich um ca. 0.1 nm, wenn das Sauerstoffmolekül an das aktive Zentrum des Hämocyanins gebunden ist. Im gebundenen Zustand verlängert sich der Abstand zwischen den Sauerstoff-Atomen um 0.02 nm. Dies lässt sich dadurch erklären, dass es bei der Bindung des Sauerstoffmoleküls zu einer Oxidation der Kupfer-Atome kommt (CuI wird zu CuII oxidiert). Elektronen werden dabei von den Kupfer-Atomen auf das Sauerstoffmolekül übertragen, das dann zum Peroxid-Anion (O22-) reduziert wird. Die zusätzlichen Elektronen schwächen die Sauerstoffbindung im Peroxid-Ion, die somit länger wird. Vergleicht man die Bindungslänge des am Hämocyanin gebundenen Sauerstoffmoleküls mit der des Wasserstoffperoxids, so stellt man fest, dass sie sich ziemlich ähneln. Deswegen kann man annehmen, dass es sich bei dem gebundenen Sauerstoff um ein Peroxid-Ion handelt.


Abb. 8: Hämocyanin-Untereinheit [4]

An diesem 3D Model kann man noch mal die gesamte Hämocyanin-Untereinheit der Arthropoden betrachten und hier sieht man sehr schön, wie das aktive Zentrum in die Proteinsphäre eingebettet ist.

2.2.3 Zusammensetzung der Hämocyanin-Untereinheiten

Das gesamte Hämocyanin ist aus mehreren Untereinheiten aufgebaut. So ergibt sich ein außerordentlich großes Protein. Bei den Arthropoden erreicht es einen Durchmesser von bis zu 25 nm (Größe der Ribosomen). Allein die Hämocyanin-Untereinheit besitzt schon ein Molekulargewicht von 75 kD und ist damit voluminöser als unser gesamtes Hämoglobin mit einem Molekulargewicht von nur 64 kD.

Proteine mit solchen Ausmaßen lassen sich unter dem Elektronenmikroskop gut erkennen. Dabei hat man festgestellt, dass sich Sechs dieser nierenförmigen Untereinheiten zu einem würfelförmigen Hexamer (Quader) zusammenlagern. Je nach Tierart tritt das Hämocyanin als einfaches Hexamer auf oder es sind noch mal mehrere Hexamere vereinigt.

Bei dem Hämocyanin der nordamerikanischen Vogelspinne handelt es sich z.B. um ein 4x6-Molekül, das aus 24 funktionellen Untereinheiten zusammengesetzt, von denen jede ein Sauerstoffmolekül im aktiven Zentrum binden kann. Da eine Untereinheit bereits aus rund 10.000 Atomen besteht, sind also 240. 000 Atome damit beschäftigt 24 Sauerstoffmoleküle zu binden und im richtigen Moment wieder loszulassen.

 
Abb. 9: Hexamer [4, 9]

2.2.4 Vorteile der Proteinsphäre

Dieser ungeheure Materialaufwand lässt sich einerseits damit erklären, dass die Proteinsphäre die reversible Bindung des Sauerstoffs fördert. Andererseits wird aber auch das Kupferzentrum vor Oxidation geschützt.


Abb. 10: Sauerstoffsättigungskurve [11]

Die Bindung und Entlassung des Sauerstoffs wird durch den speziellen Aufbau fein reguliert und auf den Organismus abgestimmt.

Die einzelnen Untereinheiten sind im Gegensatz zu dem gesamten Hämocyaninmolekül unempfindlich gegenüber Veränderungen im Blut. Die hohe Sauerstoffaffinität lässt keine Modulierbarkeit durch die Art des Mediums zu.

Das gesamte Hämocyaninmolekül hingegen bindet den Sauerstoff bei niedrigem Partialdruck (im Gewebe) nur schlecht aber mit steigendem Partialdruck (in der Lunge) nimmt die Sauerstoffaffinität sehr rasch zu, bis die Sättigung erreicht ist. Auf diese Weise kann sich das Hämocyanin schon bei einer leichten Veränderung des Sauerstoffpartialdruckes flexibel dem Sauerstoffbedarf anpassen.

Durch diese besondere Bauweise findet eine Kommunikation zwischen den Sauerstoff-Bindungszentren statt. Das heißt die einzelnen Untereinheiten helfen sich gegenseitig beim Be- und Entladen der Sauerstoffmoleküle. Die Bindung des ersten Sauerstoffmoleküls erleichtert also die Bindung der nachfolgenden Sauerstoffatome. Die Sauerstoffaffinität steigt also mit jedem Sauerstoffmolekül das zusätzlich gebunden wird.


Abschluss 1: Hämocyanine besitzen die ausgeprägteste Kooperativität, die in der Natur vorkommt. Ein ähnliches Phänomen beobachtet man auch beim Hämoglobin. Deshalb ähneln sich die Sauerstoffbindungskurven so stark, obwohl die Sauerstoffbindung durch zwei unterschiedliche Metalle verwirklicht wird. Dennoch ist die Struktur und Funktionsweise dieses uralten Proteingiganten Hämocyanin etwas ganz besonderes. Deswegen steht den Tieren mit dem blauen Blut durchaus einen Adelstitel zu.

Abschluss 2: Der Aufbau des Hämocyanins ist komplex und es stellt ein sehr großes Makromolekül dar. Das aktive Zentrum besteht -anders als beim Hämoglobin- aus zwei Kupfer-Atomen. Die hyperbolische Sauerstoffbindungskurve ist mit der des Hämoglobins vergleichbar. Dennoch ist die Fähigkeit Sauerstoff reversibel zu binden beim roten Blutfarbstoff um ein vielfaches höher als beim blauen. Deshalb ist die Arroganz der Schnecke gegenüber den Regenwürmern nicht gerechtfertigt, da sich diese nur auf die blaue Farbe bezieht.


3 Literaturverzeichnis

[1, 7, 11] J. Markl, Chem. Unserer Zeit, 1996, 1, S. 6-18

[3] B. Linzen, Naturwissenschaften, 1989, 76, S. 206-211

[4] www.rcsb.org/  19.02.2017, H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne. (2000) The Protein Data Bank Nucleic Acids Research, 28: 235-242.

[5, 8] http://www.students.uni-mainz.de/neufurth/Download/Biologie_FI/FI - Strukur und Evolution von    Proteinen/Struktur-Teil/Aufgabe 7+8.pdf    22.05.2009.

[9] http://www.staff.uni-mainz.de/lieb/f1/f1_2005_draft.pdf     22.05.2009.

[10] http://www.biophysik.uni-mainz.de/257_DEU_HTML.php 19.02.2017

[11] http://lkenhagen.de/files/images/705_large_0.preview.png    22.05.2009.


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