โปรตีนฮีม (หรือฮีมโปรตีน ; หรือฮีโมโปรตีนหรือฮีโมโปรตีน ) หรือ โปรตีน ฮีมคือโปรตีนที่มีกลุ่มโปรสเตติกฮีม [ ^{1 ] พวก} มันเป็น โปรตีนโลหะกลุ่มใหญ่มากกลุ่มฮีมทำให้เกิดการทำงาน ซึ่งอาจรวมถึงการขนส่งออกซิเจนการลดออกซิเจน การถ่ายโอนอิเล็กตรอน และกระบวนการอื่นๆ ฮีมจะ จับกับโปรตีนโดยพันธะโควาเลนต์หรือพันธะที่ไม่ใช่โควาเลนต์ หรือทั้งสองอย่าง^{[ 2 ]}

ฮีมประกอบด้วยไอออนเหล็กที่จับอยู่ที่ศูนย์กลางของเบสคู่ควบของพอร์ไฟรินรวมถึงลิแกนด์ อื่นๆ ที่ติดอยู่กับ "ตำแหน่งแกน" ของเหล็ก วงแหวนพอร์ไฟรินเป็นลิแกนด์ไดแอนไอออนิกแบบระนาบสี่ตำแหน่ง โดยทั่วไปเหล็กจะเป็น Fe ²⁺หรือ Fe ³⁺ลิแกนด์หนึ่งหรือสองตัวจะติดอยู่ที่ตำแหน่งแกน วงแหวนพอร์ไฟรินมีอะตอมไนโตรเจนสี่อะตอมที่จับกับเหล็ก ทำให้เหลือตำแหน่งการประสานงานอีกสองตำแหน่งของเหล็กที่พร้อมสำหรับการจับกับฮิสติดีนของโปรตีนและอะตอมสองวาเลนซ์^{[ 2 ]}

โปรตีนฮีมน่าจะวิวัฒนาการมาเพื่อรวมอะตอมเหล็กที่อยู่ในวงแหวนโปรโตพอร์ไฟริน IX ของฮีมเข้าไปในโปรตีน เนื่องจากทำให้โปรตีนฮีมตอบสนองต่อโมเลกุลที่สามารถจับกับเหล็กสองวาเลนซ์ได้ กลยุทธ์นี้จึงได้รับการรักษาไว้ตลอดวิวัฒนาการเนื่องจากมีบทบาทสำคัญในหน้าที่ทางสรีรวิทยา แหล่งเหล็กในซีรั่มช่วยรักษาเหล็กให้อยู่ในรูปที่ละลายได้ ทำให้เซลล์เข้าถึงได้ง่ายขึ้น^{[ 3 ]}ออกซิเจน (O ₂ ), ไนตริกออกไซด์ (NO), คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H ₂ S) จับกับอะตอมเหล็กในโปรตีนฮีม เมื่อจับกับกลุ่มโปรสเตติกฮีมแล้ว โมเลกุลเหล่านี้สามารถปรับเปลี่ยนกิจกรรม/หน้าที่ของโปรตีนฮีมเหล่านั้น ทำให้เกิดการส่งสัญญาณ ดังนั้น เมื่อผลิตในระบบชีวภาพ (เซลล์) โมเลกุลก๊าซเหล่านี้จึงเรียกว่าก๊าซส่งสัญญาณ

เนื่องจากหน้าที่ทางชีวภาพที่หลากหลายและความอุดมสมบูรณ์ที่แพร่หลาย โปรตีนฮีมจึงเป็นหนึ่งในโมเลกุลชีวภาพที่ ได้รับการศึกษามากที่สุด ^{[ 4 ]}ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนฮีมได้รับการรวบรวมไว้ในฐานข้อมูลโปรตีนฮีม (HPD) ซึ่งเป็นฐานข้อมูลรองของธนาคารข้อมูลโปรตีน^{[ 5 ]}

ฮีมโปรตีนมีหน้าที่ทางชีวภาพที่หลากหลาย รวมถึงการขนส่งออกซิเจนซึ่งดำเนินการผ่านฮีมโปรตีน ได้แก่ฮีโมโกลบินฮีโมไซยานิน [ ^{6 ]}ไมโอโกลบินนิวโรโกล บิน ไซโตโกลบิน^และ เลกฮีโมโกลบิน^{[ 7 ]}

โปรตีนฮีมบางชนิด เช่นไซโตโครม P450 , ไซโตโครม ซี ออกซิเดส , ลิกนิเนส , คาตาเลสและเพอร์ออกซิเดสเป็นเอนไซม์ ซึ่งมักจะกระตุ้น O2 _{เพื่อ}ทำการออกซิเดชันหรือไฮดรอกซิเลชัน

ฮีมโปรตีนยังช่วยให้เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนไซโตโครม a , ไซโตโครม bและไซโตโครม cมีหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนดังกล่าว ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันแล้วว่าไซโตโครม a และไซโตโครม a3 ประกอบกันเป็นโปรตีนหนึ่งเดียวและได้รับการตั้งชื่อว่าไซโตโครม aa3 ^{[ 8 ]}ระบบรับรู้ยังอาศัยฮีมโปรตีนบางชนิด ได้แก่FixLซึ่งเป็นเซนเซอร์ออกซิเจนCooAซึ่งเป็นเซนเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ และกั วนิลไซเคลสที่ละลายได้

ฮีโมโกลบินและไมโอโกลบินเป็นตัวอย่างของโปรตีนฮีมที่ทำหน้าที่ขนส่งและเก็บออกซิเจนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและปลาบางชนิดตามลำดับ^{[ 9 ]}ฮีโมโกลบินเป็นโปรตีนควอเทอร์นารีที่พบในเม็ดเลือดแดง ในขณะที่ไมโอโกลบินเป็นโปรตีนเทอร์เทียรีที่พบในเซลล์กล้ามเนื้อของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แม้ว่าตำแหน่งและขนาดอาจแตกต่างกัน แต่หน้าที่ของพวกมันก็คล้ายคลึงกัน เนื่องจากเป็นโปรตีนฮีมทั้งคู่จึงมีกลุ่มโปรสเตติกฮีม

ฮิสติดีน-F8 ของไมโอโกลบิน หรือที่รู้จักกันในชื่อฮิสติดีน ส่วนต้น จะเชื่อมต่อกับตำแหน่งการประสานงานที่ 5 ของเหล็กด้วยพันธะโควาเลนต์ ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับฮิสติดีนส่วนปลายโดยผ่านพันธะไฮโดรเจน ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ มันจะจับกับตำแหน่งการประสานงานที่ 6 ของเหล็ก ฮิสติดีน-E7 ของไมโอโกลบินจะจับกับออกซิเจนที่ตอนนี้เชื่อมต่อกับเหล็กด้วยพันธะโควาเลนต์แล้ว หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับฮีโมโกลบินเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ฮีโมโกลบินเป็นโปรตีนที่มีสี่หน่วยย่อยจึงมีหน่วยฮีมทั้งหมดสี่หน่วย ทำให้โมเลกุลออกซิเจนสี่โมเลกุลสามารถจับกับโปรตีนได้

ไมโอโกลบินและฮีโมโกลบินเป็นโปรตีนทรงกลมที่ทำหน้าที่จับและลำเลียงออกซิเจนโดยใช้หมู่โปรสเตติก โปรตีนโกลบินเหล่านี้ช่วยเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนโมเลกุลที่สามารถลำเลียงได้ในของเหลวทางชีวภาพของสัตว์มีกระดูกสันหลังและสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิดอย่างมาก

ความแตกต่างเกิดขึ้นในการจับกับลิแกนด์และการควบคุมแบบอัลโลสเตอริก

ไมโอโกลบินพบในเซลล์กล้ามเนื้อของสัตว์มีกระดูกสันหลังและเป็นโปรตีนทรงกลมที่ละลายน้ำได้^{[ 10 ]} เมื่อ เซลล์กล้ามเนื้อเริ่มทำงาน อาจต้องการออกซิเจนจำนวนมากอย่างรวดเร็วสำหรับการหายใจเนื่องจากความต้องการพลังงาน ดังนั้น เซลล์กล้ามเนื้อจึงใช้ไมโอโกลบินเพื่อเร่งการแพร่กระจายของออกซิเจนและทำหน้าที่เป็นแหล่งสำรองออกซิเจนเฉพาะที่สำหรับช่วงเวลาของการหายใจที่เข้มข้น ไมโอโกลบินยังเก็บออกซิเจนในปริมาณที่ต้องการและทำให้พร้อมใช้งานสำหรับไมโทคอนเดรียของเซลล์กล้ามเนื้อ

ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง ฮีโมโกลบินพบได้ในไซโตพลาสซึมของเซลล์เม็ดเลือดแดง บางครั้งฮีโมโกลบินถูกเรียกว่าโปรตีนขนส่งออกซิเจน เพื่อให้แตกต่างจากไมโอโกลบินซึ่งอยู่กับที่

ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง ออกซิเจนจะถูกนำเข้าสู่ร่างกายโดยเนื้อเยื่อของปอด และส่งต่อไปยังเซลล์เม็ดเลือดแดงในกระแสเลือด ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในวิถีการเผาผลาญแบบใช้ออกซิเจน^{[ 10 ]}จากนั้นออกซิเจนจะถูกกระจายไปยังเนื้อเยื่อทั้งหมดในร่างกายและถูกปล่อยออกจากเซลล์เม็ดเลือดแดงไปยังเซลล์ที่หายใจ ฮีโมโกลบินจะรับคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อส่งกลับไปยังปอด ดังนั้น ฮีโมโกลบินจึงจับและปล่อยทั้งออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่เนื้อเยื่อที่เหมาะสม ทำหน้าที่ส่งออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการเผาผลาญของเซลล์และกำจัดของเสียที่เกิดขึ้นคือCO ₂

นิ วโรโกลบินซึ่งพบในเซลล์ประสาทมีหน้าที่ขับเคลื่อนไนตริกออกไซด์เพื่อส่งเสริมการอยู่รอดของเซลล์ประสาท^{[ 11 ]}เชื่อกันว่านิวโรโกลบินช่วยเพิ่มปริมาณออกซิเจนให้กับเซลล์ประสาท ช่วยรักษาการผลิต ATP แต่ก็ยังทำหน้าที่เป็นโปรตีนเก็บสะสมอีกด้วย^{[ 12 ]}

เพอร์ออกซิเดสของมนุษย์เกือบทั้งหมดเป็นเฮโมโปรตีน ยกเว้นกลูตาไธโอนเพอร์ออกซิเดส พวกมันใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นสารตั้งต้น เมทัลโลเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาโดยใช้เพอร์ออกไซด์ เป็นตัวออกซิไดซ์ ^{[ 13 ]}คาตาเลสเป็นเฮโมโปรตีนที่รับผิดชอบในการเร่งปฏิกิริยาการเปลี่ยนไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ให้เป็นน้ำและออกซิเจน^{[ 14 ]}พวกมันประกอบด้วย 4 หน่วยย่อย แต่ละหน่วยย่อยมีกลุ่มฮีม Fe3+ พวกมันมีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยประมาณ 240,000 กรัม/โมล

เอนไซม์ฮาโลเปอร์ออกซิเดสที่เกี่ยวข้องกับระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดยังมีหมู่โปรสเตติกฮีมอยู่ด้วย

ไซโตโครมไซโตโครมซีออกซิเดสและโคเอนไซม์คิว-ไซโตโครมซีรีดักเทส เป็นโปรตีนหรือหน่วยย่อยของโปรตีนที่มีฮีมเป็นองค์ประกอบ ซึ่งฝังอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรี ย และมีบทบาทสำคัญในการหายใจระดับเซลล์

ซัลไฟต์ออกซิเดส ซึ่งเป็น ไซโตโครมที่ต้องอาศัย โมลิบดีนัมทำหน้าที่ออกซิไดซ์ซัลไฟต์ให้กลายเป็นซัลเฟต

เนื่องจากโมเลกุลฮีมมีหน้าที่หลากหลาย ทั้งเป็นตัวขนส่งอิเล็กตรอน ตัวนำออกซิเจน และเป็นโคแฟคเตอร์ของเอนไซม์ โปรตีนที่จับกับฮีมจึงได้รับความสนใจจากนักออกแบบโปรตีนมาโดยตลอด ความพยายามในการออกแบบในระยะแรกมุ่งเน้นไปที่โปรตีนที่จับกับฮีมแบบอัลฟาเฮลิกซ์ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะความเรียบง่ายในการออกแบบกลุ่มเฮลิกซ์ที่ประกอบตัวเองได้ ตำแหน่งการจับฮีมถูกออกแบบไว้ภายในร่องไฮโดรโฟบิกที่อยู่ระหว่างเฮลิกซ์ ตัวอย่างของการออกแบบดังกล่าว ได้แก่:

• เฮลิโครม^{[ 16 ] [ 17 ]}
• โกลบิน-1 ^{[ 18 ]}
• Cy-AA-EK ^{[ 19 ]}
• เปปไทด์ IIa/IId ^{[ 20 ]}
• α2 ^{[ 21 ]}
• การออกแบบเกลียวทรานส์เมมเบรน^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

ต่อมา ความพยายามในการออกแบบมุ่งเน้นไปที่การสร้างกลุ่มเกลียวที่สามารถจับกับฮีมได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น:

• ออกซิโดรีดักเทส^{[ 25 ] [ 26 ]}
• เพอร์ออกซิเดส^{[ 27 ] [ 28 ]}
• โปรตีนขนส่งอิเล็กตรอน^{[ 29 ]}
• โปรตีนขนส่งออกซิเจน^{[ 30 ]}
• โปรตีนไวแสง^{[ 25 ]}

เทคนิคการออกแบบได้รับการพัฒนาจนถึงขั้นที่สามารถสร้างไลบรารีทั้งหมดของโปรตีนเกลียวที่จับฮีมได้แล้ว^{[ 31 ]}

ความพยายามในการออกแบบล่าสุดมุ่งเน้นไปที่การสร้างโปรตีนที่จับกับฮีมแบบเบต้าทั้งหมด ซึ่งมีโครงสร้างแบบใหม่ที่หาได้ยากมากในธรรมชาติ การออกแบบดังกล่าวได้แก่:

• คีม-1 ^{[ 15 ]}
• เปปไทด์β-hairpin ^{[ 32 ]}
• โปรตีนขนาดเล็กแบบ β-sheet ^{[ 33 ]}
• เปปไทด์แผ่นเบต้าหลายสาย^{[ 34 ]}

วิธีการบางอย่างพยายามที่จะรวมโคแฟคเตอร์เข้าไปในเฮโมโปรตีนซึ่งโดยทั่วไปต้องทนต่อสภาวะที่รุนแรง เพื่อที่จะรวมโคแฟคเตอร์สังเคราะห์ สิ่งที่ต้องเกิดขึ้นก่อนคือการทำให้โฮโลโปรตีนเสียสภาพเพื่อกำจัดฮีม จากนั้นจึงสร้างอะโปโปรตีนขึ้นใหม่โดยมีโคแฟคเตอร์^{[ 35 ]}

• ฐานข้อมูลโปรตีนฮีม
• ฮีมโปรตีน ในฐานข้อมูล Medical Subject Headings (MeSH) ของหอสมุดแห่งชาติสหรัฐอเมริกา