CHMI 2227 - E.R. Gauthier, Ph.D.
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CHMI 2227EBiochemistry I
Proteins:
- Quaternary structure
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Quaternary structure
chapter 2 opener
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Quaternary structure
Quaternary structure involves severalpolypeptides:
Oligomers
Heteromers
These subunits interact with eachother through the usual weakinteraction forces (H bonds, Van derWaals, ionic interactions, hydrophobicinteractions) and/or though disulfidebonds;
For aquous proteins, frequently, butnot always, the interface between twosubunits is made of hydrophobicamino acids.
For membrane-bound proteins, theamino acids at the interface betweenthe subunits are usually hydrophilic;
Porin: a trimeric membrane-bound protein
hydrophobic
hydrophilic
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Quaternary structureHemoglobin
Made up of 4 polypeptidechains:
2 copies of -subunit (orHbA): yellow and blue;
2 copies of -subunit (orHbB): red and pink
Each subunit binds its ownheme group: so each subunitcan bind O2
Each subunit is highly similarin structure to myoglobin;
Both hemoglobin andmyoglobin bind O2 in a verysimilar fashion
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Quaternary structureHemoglobin HbA vs myoglobin
HbA
Myoglobin
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Quaternary structureOxygen binding by Hb and myoglobin
figure 4-39
4 major residuessurround the hemegroup:
Phe 43
His 64
Val 68
His 93
These amino acidscreate a hydrophobicenvironment while helphold the heme group inplace;
Also: His 93 binds theFe2+ atom;
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Quaternary structureOxygen binding by Hb and myoHb
O2 binds the Fe2+ atom of the hemegroup, and is held in place with His 64;
Oxygen-bound myoglobin/Hb is calledoxymyoglobin/oxyHb
Oxygen-free myoglobin/Hb is calleddeoxymyoglobin/deoxyHb
Now, if both Myo and Hb can bind O2,why is it that Hb is a multimeric protein,while myoglobin is monomeric???WHY????
figure 4-44
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Quaternary structureOxygen binding by Hb and myoHb
figure 4-46a
A
B
O2 binding to myoglobin shows asimple equilibrium where theamount of O2 bound-myoglobin(y) directly depends on theconcentration of O2 present;
However, O2 binding to Hb ismore complex:
At low O2 concentration, verylittle Hb binds O2 even as theconcentration of O2 increases(part A of the Hb curve);
However, at a certain thresholdof O2 concentration, Hb becomesrapidly saturated with O2 (part Bof the Hb curve);
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Quaternary structureOxygen binding by Hb and myoHb
figure 4-46a
A
B
At high O2 concentrations, bothmyoglobin and Hb aresaturated, meaning there areno more O2-binding spotsavailable.
Interestingly: the affinity ofmyoglobin and Hb for oxygenvaries by a factor of 10:
Only 2.8 Torr are required toget 50% of myoglobinsaturated;
However, 26 Torr are requiredto half-saturate Hb.
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Quaternary structureO2 binding changes the 3-D shape of Hb
figure 4-47
In the deoxyHb form, Fe2+ isbonded to 5 ligands: His 93 and 4amines from the heme group;
When one subunit of Hb binds O2,the Fe2+ atom moves foward theplane of the heme group, pullingwith it the His 93 and the -helix;
This causes a slight but significantchange in the tertiary structure ofall the other Hb subunits, even ifthey are in the deoxyHb form;
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Quaternary structureO2 binding changes the 3-D shape of Hb
The consequence of this slightchange in conformation is anincrease in the affinity of theseother Hb subunits for O2;
This phenomenon, where a changein the shape in one subunit triggersimilar changes in other subunits ofthe same molecule, is calledcooperativity;
Molecules exhibiting cooperativityare also called allostericmolecules;
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/07/Hb-animation2.gif
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Quaternary structureHb is an allosteric protein
This phenomenon explains very wellthe behaviour of Hb in the presence ofO2:
At low pO2, all of the Hb subunits in themolecule are in the deoxy form with lowaffinity for O2: they bind O2 very poorly;
At higher pO2, one of the 4 subunitsbinds O2, changes its conformation tothe one with high affinity, and transmitsthis change in 3D structure to the other3 subunits;
The other 3 subunits, now having highaffinity for O2, readily bind the moleculeand rapidly become saturated.
figure 4-46a
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
Low affinity
High affinity
Saturated
O2
O2
O2
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Quaternary structureWhy Hb is allosteric, while Myoglobin is not?
If Hb behaved like Myoglobin,then most of the Hb moleculeswould remained tightly boundto O2 and would not unload O2in tissues;
Conversely, if myoglobinbehaved like Hb, it wouldreadily let go of its O2,drastically limiting our musclesability to perform aerobic work;
figure 4-46a
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The Bohr effect
The Bohr effect concerns theobserved decrease in O2binding by hemoglobin whenthe pH is lowered;
This effect explains whyhemoglobin binds O2 in thelungs, and releases it in thetissues;
http://www.aw-bc.com/mathews/ch07/fi7p16.htm
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Gas exchangeIn the tissues
Tissues
Erythrocytes
Glucose + O2
ATP
CO2
CO2
H2O
Carbonic
anhydrase
H2CO3
HCO3-
H+
Plasma
HCO3-
(to lungs)
Hb-4O2
Hb-H+
4O2
4O2
H2O + Cl-
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Gas exchangeIn the lungs
Lungs
Erythrocytes
CO2
H2O
Carbonic
anhydrase
H2CO3
HCO3-
H+
Plasma
HCO3-
Hb-4O2
Hb-H+
4O2
O2
H2O + Cl-
CO2
Air
CO2
O2