Hämgruppen

Hämgruppen, im Deutschen oft als Heme bezeichnet, sind prostetische Gruppen, die aus einem porphyrinartigen Ringsystem bestehen, in dem ein zweiwertiges Eisenion (Fe) eingebettet ist. Sie kommen in einer Vielzahl von Proteinen vor und ermöglichen zentrale Funktionen in der Biochemie, darunter Elektronentransfer, Sauerstoffbindung und die Aktivierung von Molekülen.

Chemische Struktur und Variationen: Der zentrale Eisenion koordiniert durch die vier N-atome des Porphyrinrings. Ein weiterer Ligand aus dem Protein, häufig Histidin, sitzt axial über dem Eisen. In Hämproteinen, die Sauerstoff transportieren oder binden, ist zudem ein zusätzliches Ligandfeld für O2 vorhanden. Verschiedene Hämtypen (Häm a, b, c, d) unterscheiden sich durch strukturelle Substituenten am Porphyrinring und beeinflussen Bindungseigenschaften und Reaktionsspezifität.

Vorkommen und Funktionen: Hämgruppen kommen in vielen Stoffwechselpfaden vor, darunter Hämoglobin und Myoglobin beim Sauerstofftransport und -speicherung, sowie in Cytochromen der Elektronenübertragungskette. Weitere Hämproteine wirken als Katalysatoren in Peroxidasen, Katalasen, Nitric-Oxide-Synthasen und Cytochrom-P450-Enzymsystemen. Die zentrale Rolle des Eisens in Redoxreaktionen ermöglicht den Fluss von Elektronen und die Regelung chemischer Reaktionen in Zellen.

Biochemische Synthese und Recycling: Die Hemsynthese beginnt mit dem Vorläufer 5-Aminolévulinsäure (ALA) und verläuft in Mitochondrien und Zytosol, endend mit der Insertionsreaktion des Eisens durch Ferrochelatase, worauf Protoporphyrin IX zu Häm wird. Häm wird durch Hämoxygenase abgebaut, wobei Biliverdin, Bilirubin, Eisen und Kohlenmonoxid entstehen; dadurch erfolgt auch ein wichtiger Teil des Eisen- und Pigmentstoffwechsels.

Klinische Relevanz: Störungen der Hämherstellung oder -abbau führen zu Porphyrien, die sich durch überschießende Porphyrinakkumulation äußern können. Bleivergiftung hemmt Enzyme der Häm-Synthese und kann Anämie verursachen. CO-Vergiftung blockiert O2-Bindung durch Hämproteine. Messungen von Porphyrinen oder Häm-Abbauprodukten dienen der Diagnostik entsprechender Erkrankungen.