background image

Jabir Ibn Hayyan Medical College  

Biochemistry 

for 1

st

 class students   

Lecture 4 

Oxygen Transport Proteins  

April 27, 2017 

 
 
 
 

DR. MONA ABDEL RIDHA Al-BARQAAWI 


background image

Lecture 4 

Oxygen transport proteins 


background image

It is Important to know that:   

• Ligand (L): binding molecule to a protein 
•  Binding site: site of a protein that a ligand binds 
•  Mostly they are specific 
•  Proteins are flexible: changing in conformation 
•  induced fit: ligand result in a conformational change on protein’s 

binding site so it fits the binding site more tightly. 

•  Interactions may be regulated. 
•  Enzyme has a catalytic or active site (binding site)-substrate 

(ligand) 


background image

Reversible binding of Ligand to Protein & Oxygen Transport 

• O

Essential for cellular respiration 

•  O

2

 is poorly soluble in plasma 

•  Impossible to transport by simple diffusion 
• Only metals:  iron, copper 
•  Free iron            dangerous               Reactive oxygen(OH) 
                      Damage of DNA & other macromolecules 
•  So, O

2

 is transported using two proteins (hemoglobin and myoglobin) 

That contains essential prosthetic group  

(heme: contains Fe atom) 

 

  


background image

Myoglobin and Hemoglobin 

Hemoglobin

 

Myoglobin

 

• Found in RBCs 
• Function to transport O

2

 from the lungs to 

the capillaries of the tissues. 

• Four polypeptide chains (4 subunits) 
• In HbA 2α (146 residue each) 
 and 2β subunits (141 residue each).  

• 3D structure of α & β is very similar 

• In heart and skeletal muscle 
• Function both as a reservoir for 

O

and to transport it with in the 

muscle cells.  

• Single polypeptide chain (153 

residue). 

• 3D structure is similar to both α & β  

The polypeptide chain of myoglobin is structurally similar to the individual 
subunit of polypeptide of hemoglobin molecule.  
This homology makes myoglobin a useful model for interpreting some of 
the more complex properties of hemoglobin. 


background image

Heme 

Consists of: 

1) An  organic  part,  protoporphyrin,  made 

up of 4 pyrrole rings, linked by methylene 

bridges  (tetrapyrrole  ring)  and  with  4 

methyl,  2  vinyl  and  2  propionyl  side 

chains. 

2) An atom of Fe, which binds to the 4 N 

atoms of the protoporphyrin  ring. 

The Fe can form 2 additional bonds, one on either side of  the plane. The 

ferrous

 

(+2) state binds the oxygen.

 


background image

Fe binds to 4 N atoms of the protoporphyrin  ring & two additional bonds one to 
N of proximal histidine of F helix, another is to O

2

 

Fe binding to 

Histidine

 and  Oxygen  


background image

Myoglobin Structure 

• Compact molecule, approx. 80% of polypeptide chain folded into eight 

stretches of α-helix, labeled A, B,C, D, E, F, G, and H. 

•  Internal residues are non-polar, except for two His residues which are involved 

in O

2

-binding 

•  The heme is largely hidden, but the propionate side-chains (-ve charge) are on 

the surface 

•  Histidine F8  (proximal His) is directly linked to Fe 

•  O

2

 is bound directly only to Fe in heme, on the opposite side to His F8 

• Histidine E7 (distal His) does not directly interact with the heme group, but 

helps stabilize the binding of Oxygen to the ferrous ion. 


background image

Oxygen binding site of Myoglobin 


background image

Myoglobin molecule  is similar to hemoglobin 

subunits 


background image

Hemoglobin  

Hemoglobin  (Hb)  subunits and  myoglobin  are  similar in  their  helical  structure 

and  in  heme  binding  pocket.  However,  the  tetrameric  hemoglobin  molecule  is 

structurally and functionally more complex than myoglobin.  

Hb can carry 4 O

2

 from lungs to the cells of the body. 

It also can transport H

+

 and CO

2

 from the tissues to the lung. 

The  oxygen-binding  properties  of  Hb  are  regulated  by  interaction  with 

allosteric effectors. 


background image

Oxygen Dissociation Curves for   

myoglobin and hemoglobin 

The  degree  of  saturation(Y)  of  O

2

  binding 

sites  on  all  myoglobin  or  hemoglobin 

molecules  can  vary  between  zero  (all  sites 

are empty) and 100% (all sites are full) 

A  plot  of  Y  measured  at  different  partial 

pressures 

of 

O

2

 

is 

called 

Oxygen 

Dissociation Curve. 


background image

Oxygen Dissociation Curves for   

myoglobin and hemoglobin 

important differences  

• Myoglobin has a higher oxygen affinity than does hemoglobin.  

• The  partial  pressure  of  oxygen  needed  to  achieve  half-saturation  of  the 

binding sites (P

50

) is approximately 1 mm Hg for myoglobin and 26 mm Hg 

for hemoglobin. 

• The  higher  the  oxygen  affinity  (that  is  the  more  tightly  oxygen  binds),    the 

lower the P

50

   

• a hyperbolic relationship between Y and pO

2

 for myoglobin. 

• A sigmoidal relationship between Y and pO

 for Hb (cooperative). 


background image

The  affinity  of  hemoglobin  for  the  last 

oxygen  bound  is  approximately  300 

times greater than its affinity for the first 

oxygen bound. 


background image

Interaction between α and β sub-uints of hemoglobin 


background image

background image

background image

Position of Fe in myoglobin.   

The Fe lies slightly out of the plane of 

the porphyrin ring, towards His F8. 

The movement of the iron atom during oxygenation brings the iron-associated His residue 

towards the porphyrin ring.  The associated movement of the His-containing  a helix alters      

the  interface  between  the  alpha  beta  pairs  and  initiates  other  structural  changes  involving 

other subunits. 

O

2

-binding to Fe pulls the iron 

into the plane of the ring with 

associated movement of His F8. 


background image

Transition from T to R state in haemoglobin   

On binding oxygen, one pair of αβ

 

-subunits shifts with respect to the other by a 

rotation of 15 degrees.  

Binding of oxygen to one subunit ‘switches’ other subunits to a conformation 

which favours oxygen binding - leading to ‘cooperative’ binding of oxygen.  

Deoxy 

Oxy 


background image

Allosteric effects  

• The ability o f hemoglobin to reversibly bind oxygen is affected by 

the following parameters: 

• pH 
• pO2 
• pCO2    
• the availability o f 2,3-bisphosphoglycerate .  
These are collectively called allosteric ("other site") effectors, 
because their interaction at one site on  the hemoglobin molecule 
affects the binding of oxygen to heme groups at other locations on the 
molecule.  


background image

Regulation of oxygen binding 

The  highly  anionic  2,3-BPG  is  present  in  red 

blood cells at ~ 2 mM.  It binds to haemoglobin 

(one  molecule  per  tetramer)  and  decreases  the 

affinity for O

2

, promoting release in the tissues. 

The physiological adaptation to high altitude 

involves  increased  tissue  concentrations  of 

BPG, leading to more efficient O2 release to 

compensate for the reduced O2 tension. 


background image

  2,3-BPG  binds  in  the  central  cavity  of 

the  tetramer,  interacting  with  three 

positively charged groups (2 His, 1 Lys) 

on  each  beta  chain.  The  oxygenated 

haemoglobin  has  a  smaller  central  gap 

and excludes 2,3-BPG. 

Binding of 2,3-BPG to deoxyhaemoglobin 


background image

Differential oxygen affinity                                     

of foetal and maternal red blood cells  

Foetal  haemoglobin  contains  a  variant  of 

the β chain, called ɤ, which has a His

Ser 

substitution  in  the  2,3-BPG-binding  site.  

The foetal haemoglobin thus has a reduced 

affinity  for  2,3-BPG,  resulting  in  an 

enhanced  O

2

-binding  affinity  that  allows 

transfer  of  O

2

  from  the  maternal  to  the 

foetal red blood cells  


background image

The Bohr effect  

 

H

+

 ions and CO

2

 promote the release of O

2

  

  Rapidly 

metabolising 

tissues, 

such 

as 

contracting  muscle,  have  a  high  need  for  O

2

  and 

generate  large  amounts  of  H

+

  and  CO

2

.    Both  of 

these  species  interact  with  haemoglobin  to 
promote O

2

-release. 

  The  O

2

  affinity  decreases  as  the  pH  decreases 

from the pH 7.4 found in the lungs. 

  Increased  CO

2

  concentrations  also  lead  to  a 

decrease in O

2

-affinity. 

  This regulation of O

2

-affinity by pH and CO

2

 is 

called  the 

Bohr  effect

  after  its  discoverer, 

Christian Bohr (1904). 


background image

background image

Chemical Basis of the Bohr effect 

In  deoxyhaemoglobin,  three  amino  acid  residues 

form  two  salt  bridges  that  stabilise  the  T  state 

(the low oxygen affinity state).   

The  formation  of  one  of  these  depends  on  the 

presence of a proton on His b146.   

Lowering of the pH by metabolic activity favours 

the  proton-addition  and  formation  of  the  salt 

bridge  with  Aspb94,  thus  stabilising  the  T 

structure and increasing the tendency for O

2

 to be 

released. 


background image

The  CO

reacts  with  the  terminal  aNH

2

  groups  to  form  carbamates,  which  are 

negatively  charged.    The  N-termini  lie  at  the  interface  between  the  ab  dimers, 

and the negatively charged carbamates participate in salt-bridge interactions that 

favour the T state, stabilising the deoxy-form and favouring the release of O

The effect of CO

2

 on deoxyhaemoglobin 


background image

Carbon monoxide and haem iron  

  Carbon  monoxide  is  a  poison  because  it  combines  with 
   ferromyoglobin 

and 

ferrohaemoglobin 

and 

blocks 

oxygen 

   transport.  

  Note 

that 

HisE7 

sterically 

inhibits 

binding 

of 

CO, 

and 

   lowers 

its 

affinity 

for 

the 

haem 

Fe. 

 

This 

is 

then 

   sufficiently 

low 

that 

endogenous 

levels 

of 

CO 

can 

be 

   tolerated. 

 

High 

levels 

of 

CO 

from 

poorly 

ventilated 

gas 

   fires are highly toxic. 

HisF8 

N-Fe-O 

(Plane of porphyrin ring) 

(Plane of porphyrin ring) 

HisF8 

N-Fe-C 


background image

background image

background image

background image

MGD 2016/ DR. Al-BARQAAWI 


background image

Summary 




رفعت المحاضرة من قبل: Muhammed Jabir
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 127 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل