Intermezzo over hemoglobine

Hemoglobine is het eiwit dat zuurstof vervoert in het bloed van gewervelde dieren. Het is het spul dat bloed rood maakt. Hemoglobine is een niet al te groot eiwit, opgebouwd uit vier eiwitketens die elk een heemgroep met een ijzeratoom vasthouden. De vier eiwitketens zijn twee aan twee aan elkaar gelijk. De standaard vorm van hemoglobine in menselijke volwassenen heeft twee alfa-ketens en twee beta-ketens. Een alfa-keten is 141 aminozuren lang, een beta-keten 146 lang.
Naast alfa- en beta-ketens zijn er nog meer hemoglobine eiwitketens, genoemd naar het begin van het Griekse alfabet:
a b g d e z h q
alfa beta gamma delta epsilon zeta eta theta.
(Blogger pakt de griekse letters niet: ik zal ze blauw maken; weet iemand hoe griekse letters ingevoerd zouden kunnen?)

Bij mensen liggen de genen voor alfa-, zeta-, en theta-hemoglobine op chromosoom 16. Er zijn twee genen voor alfa-hemoglobine, a1 en a2, die een identiek eiwit leveren. Op chromosoom 11 liggen de genen voor beta-, gamma-, delta-, epsilon-hemoglobine; er zijn twee genen voor gamma-hemoglobine, g1 en g2 (of gG en gA). Behalve deze werkende genen die een eiwit leveren zijn er naast deze genen ook nog stukken DNA die sterk overeenkomen met hemoglobine genen maar geen eiwit leveren: psi-a1 , psi-a2, psi-z, psi-b.

De volgorde van de genen op de chromosomen staat in het volgende plaatje. Om een idee te geven van de afstand op het chromosoom: van 6000 nucleotiden in het DNA links van gG tot 1000 nucleotiden rechts van d is in totaal een 30000 basen.


Li& Graur 1991 hfst 6 fig 7

Hoeveel verschillen die hemoglobine eiwitten? Op internet (http://www.uniprot.org/) is te vinden wat de aminozuurvolgorde in elk hemoglobine is. De aminozuren worden daarbij aangegeven met een éénlettercode (M = Methionine, A=Alanine bijvoorbeeld). Het doet er hier niet toe wat die éénlettercode is: we gaan alleen kijken hoe de hemoglobines eruit zien. Hier staan de aminozuurvolgordes voor menselijke hemoglobines, gesorteerd op overeenkomst.


Een sterretje * betekent: zelfde aminozuur op deze plaats
Een dubbele punt : betekent: overeenkomstig aminozuur op deze plaats
Een enkele punt . betekent: een ietsje minder overeenkomstig aminozuur op deze plaats
Leeg betekent: verschil in aminozuur, geen overeenkomstig aminozuur

De gesorteerde aminozuurvolgordes worden op de gebruikelijke wijze geplot:


plot hemoglobines mens

Er staat linksonder een streepje dat de schaal aangeeft: die streeplengte is 1 aminozuur verschil. De twee gamma-hemoglobines verschillen in 1 aminozuur, en bij plotten hebben ze elk een streepje van lengte ½ gekregen.

We zien dat de overeenkomst in aminozuurvolgorde samengaat met de plaats van het gen op het chromosoom. De twee genen voor alfa-hemoglobine, a1 en a2, die dezelfde eiwitketen leveren, liggen naast elkaar. Het gen z voor zeta-hemoglobine ligt op hetzelfde chromosoom als a1 en a2, en het zeta-hemoglobine komt het meest overeen met alfa-hemoglobine. De vijf hemoglobinegenen op chromosoom 11 geven elk een eiwit van gelijke lengte. De twee genen gG en gA liggen naast elkaar, en de eiwitketens verschillen in 1 aminozuur. De genen voor beta- en delta-hemoglobine liggen naast elkaar, en verschillen in 10 aminozuren.

Het ligt lichtelijk voor de hand dat het hier gaat om een serie genduplicaties, van oude (a b) tot recente (a1 a2).


Campbell & Reece, fig 19-3 (de e is weggevallen, staat wel in het boek, bij het embryo-gen van de b serie)

De figuur uit Biology van Campbell & Reece, een veel gebruikt algemeen biologieboek voor eerstejaars biologen, geeft nog meer: de functie van de genen.

In volwassen mensen bestaat het meeste hemoglobine uit twee alfa-ketens en twee beta-ketens: ik geef dat aan als ab. Een deel van het hemoglobine van volwassenen bestaat uit ad. Fetaal hemoglobine is ag. In het embryo komt ae en ze hemoglobine voor. Zoals Campbell & Reece opmerken, de volgorde van de genen op chromosoom 11 is de volgorde van werking van de genen.

Bestaan al deze genen ook in andere beesten? Niet altijd precies dezelfde, maar omstreeks. Op de plaats waar de plaatjes voor mensen psi-b geven, ligt een werkend gen met naam h (eta) in andere zoogdieren, bijvoorbeeld. (In plaats van psi-b staat er ook wel psi-h in de literatuur). De duplicatie a1 a2 komt alleen voor bij de mensapen. De duplicatie gG en gA komt in de oude-wereld-apen maar niet in de nieuwe-wereld-apen voor.

Een paar beesten dan maar, hemoglobine gesorteerd op aminozuurvolgorde.

Eerst de gesorteerde gegevens en dan de figuur die er bij hoort:



alfa en zeta alignment



alfa en zeta figuur



gamma en epsilon alignment



gamma en epsilon figuur



beta en delta alignment



beta en delta figuur


En :


beta gamma delta epsilon figuur.

Er is een zich herhalend patroon: mens (Homo) en chimpansee (Pan) gaan samen voor elk van de hemoglobine aminozuurvolgorden. Dan komen, steeds als zustergroep, de gorilla en de orang-oetan (Pongo). De oude-wereld-apen makaak (Macaca) en baviaan (Papio) staan in de vertakking naast de mensapen. Het doodshoofdaapje (Saimiri) is een nieuwe-wereld-aap, de Galago is een halfaapje. Uit het afgebeelde patroon is te zien dat de genduplicaties g-e, b-d, a-z, en (ge)-(bd), ouder zijn dan de soortsplitsingen. De genduplicatie g-e is gebruikt voor fetaal versus embryonaal hemoglobine, a-z voor embryonaal versus fetaal en adult hemogobine, (ge)-(bd) is gebruikt voor fetaal en embryonaal versus adult hemoglobine.

********************
Li, W-H. & D. Graur, 1991. Fundamentals of molecular evolution. Sinauer, Sunderland MA.
Campbell, N.A., & J.B. Reece, 2002. Biology. Benjamin Cummings, Pearson Education.