Hämoglobin (Abkürzung Hb), ist der eisenhaltige Proteinkomplex, der als Blutfarbstoff in den Roten Blutkörperchen von Wirbeltieren enthalten ist, Sauerstoff bindet und diesen so im Blutkreislauf transportiert. Das Hämoglobin von Säugetieren ist ein Tetramer, es besteht aus 4 Globinen als Untereinheiten.
Beim erwachsenen Menschen sind dies je 2 Hb α und 2 Hb β im Hämoglobin A (Hb A0), der häufigsten Form. Die vier den Komplex bildenden Proteine sind Aminosäureketten(α-Kette 141 AS; β-Kette 146 AS) in der für Globine typischen Faltung mit jeweils einer Tasche, in der ein Eisen-II-Komplex, das Häm, gebunden ist. Dessen Eisen-Ion vermag 1 Sauerstoffmolekül zu binden. Dabei ändert sich die Farbe des Häms von dunkel- zu hellrot.
Die Bindungsstärke hängt empfindlich von der Konformation der Protein-Umgebung des Häms ab. Wechselwirkungen zwischen den vier Globinen begünstigen die beiden extremen Zustände, in denen der Gesamtkomplex entweder mit vier Molekülen Sauerstoff gesättigt ist (in der Lunge) oder allen Sauerstoff abgegeben hat. Wechselwirkungen mit anderen Molekülen unterstützen die Beladung wie die Entladung.
Die Kuba-Elfe (oder Hummelkolibri) gilt als die kleinste Kolibri-Art und als der kleinste Vogel weltweit. Sie legt auch die kleinsten Vogeleier überhaupt, etwa erbsengroß. Diese Kolibris wiegen weniger als drei Gramm, etwa die Masse von drei Büroklammern! Der Kolibri ist, wie sein Name schon sagt, endemisch auf Kuba. So ein Kolibri schwirrt wie eine Hummel vor einer Hibiskusblüte auf der Stelle wie ein Mini-Helikopter im Hotel-Park in Kubas Hauptstadt Havanna.
Er atmet, sogar in Ruhe, 250 mal in der Minute. Sein Sauerstoffverbrauch pro Gramm Muskelgewebe ist 10-mal höher als bei einem menschlichen Athleten! Kolibris in den Anden überleben in großer Höhe und dünner Luft. Wie geht das überhaupt biochemisch? Es liegt am roten Blutfarbstoff, dem eisenhaltigen Hämoglobin!
Der Evolutionsbiologe Jay Storz von der University of Nebraska in Lincoln untersucht seit 2013 die Hämoglobine von 63 verschiedenen Kolibri-Arten, die in unterschiedlichen Höhen in den Anden beheimatet sind. Er fand einen Zusammenhang zwischen den funktionellen Eigenschaften des Hämoglobins der Vögel und der Höhe ihres heimatlichen Lebensraums. Kolibri-Arten, die in großen Höhen leben, entwickelten unabhängig voneinander Hämoglobine, die über stärkere Fähigkeiten (Affinitäten) zur Bindung von Sauerstoff verfügen. Das hatte man auch erwartet.
Am überraschendsten ist, dass diese parallelen Veränderungen in der Protein-Funktion parallele Mutationen an exakt denselben Aminosäuren des Hämoglobins umfassen. Das sich wiederholende Muster ist verblüffend, schreibt Storz. Es deutet darauf hin, dass die molekulare Basis der sich anpassenden Entwicklung vorhersehbarer sein könnte, als bislang angenommen.
"Im Prinzip könnten die wiederholten Veränderungen in der Proteinfunktion durch eine Anzahl unterschiedlicher Mutationen hervorgerufen werden. Und jedes Mal, wenn die in großen Höhen lebende Spezies eine steigende Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität entwickelte, wurde sie durch parallele Veränderungen von Aminosäuren an den gleichen zwei Stellen im Hämoglobin erzeugt. Es scheint so, dass die natürliche Selektion jedes Mal zu exakt der gleichen Lösung kommt."
Jay Storz
Um die funktionellen Auswirkungen der beobachteten Mutationen festzustellen, nutzen Storz und seine Kollegen die Gentechnologie, mit denen sie die Kolibri-Hämoglobine für in vitro-Studien der Proteinfunktion synthetisierten. Dann erzeugten sie verschiedene Mutationen in den "genmanipulierten" Hämoglobinen, um ihre Auswirkungen zu messen. Neben der Synthese der Hämoglobine von modernen Kolibri-Arten rekonstruierte das Forschungsteam auch Gensequenzen ihrer Vorfahren, um die Hämoglobine ihrer Ahnen auferstehen zu lassen.
Storz und seine Kollegen weiten nun ihre wissenschaftlichen Studien auch auf andere Vogelarten aus.
"Wir werden sehen, ob dasselbe Muster der parallelen Entwicklung über größere taxonomische Skalen Bestand hat. Die Entwicklung der Hämoglobinfunktion in Spezies, die in großen Höhen leben, ist ein wirklich gutes System, um den Fragen über die Vorhersehbarkeit von evolutionären Veränderungen nachzugehen."