Heme (dari bahasa Yunani αἷμα “darah”) adalah gugus prostetik yang merupakan bagian dari berbagai protein, di antaranya hemoglobin yang menonjol, terdiri dari ion Fe2 + (Ferro) yang terkandung di pusat heterosiklik organik besar yang disebut porfirin, terbuat dari empat gugus pirol.
Tidak semua porfirin mengandung zat besi, tetapi sebagian besar metalloprotein yang mengandung inti porfirin memiliki kelompok heme sebagai gugus prostetik; Protein ini dikenal sebagai hemoprotein. Kelompok heme terutama dikenal sebagai bagian dari hemoglobin, pigmen darah merah, tetapi juga ditemukan dalam sejumlah besar hemoprotein biologis penting lainnya seperti mioglobin, sitokrom, katalase, dan sintase nitrat oksida endotel.
Karakteristik
Heme dibentuk oleh protoporphyrin IX dan atom besi (Fe + +). Heme adalah struktur planar. Ini memiliki sifat apolar, itu adalah apolar. Meskipun juga memiliki muatan negatif, sehingga juga akan memiliki ujung kutub. Karena itu tidak akan larut dalam air.
Di bagian tengah kelompok heme adalah atom besi, logam transisi yang dapat membentuk hingga enam ikatan. Membentuk empat tautan dengan rantai polipeptida; yang kelima adalah ikatan terkoordinasi dengan residu histidin, tautan ini tegak lurus ke atas, dan hubungan lain dengan oksigen, ikatan ini turun lurus. Tautan terakhir ini harus lemah, karena jika hemoglobin adalah transporter oksigen, ia harus menangkap dan melepaskan oksigen dengan mudah.
Jika kelompok heme memiliki sifat apolar, ia tidak dapat bersentuhan dengan air. Memiliki sifat apolar, ia akan terkubur di antara struktur tersier rantai polipeptida, dan memiliki permukaan planar akan ditempatkan dalam “saku” hidrofobik. Bagian kutub yang kami sebutkan sebelumnya akan keluar. Sekitar delapan puluh persimpangan hidrofobik akan terbentuk antara kelompok heme dan struktur tersier rantai. Tautan-tautan itulah yang menjaga kelompok heme tetap di tempatnya.
Fungsi
Hemoprotein memiliki berbagai fungsi biologis, termasuk pengangkutan gas diatomik, katalisis kimia, dan deteksi gas diatomik dan transfer elektron. Ion heme berfungsi sebagai sumber atau sink elektron selama transfer elektronik atau reaksi redoks. Dalam reaksi peroksidase, molekul porfirin juga berfungsi sebagai sumber elektron. Dalam pengangkutan atau deteksi gas diatomik, gas berikatan dengan ion heme. Selama deteksi gas diatomik, pengikatan gas ligan dengan kelompok heme menginduksi perubahan konformasi pada protein sekitarnya.
Telah berspekulasi bahwa fungsi evolusi asli hemoprotein adalah transfer elektron dalam fotosintesis primitif berdasarkan pada senyawa sulfur yang dilakukan oleh organisme yang mirip dengan cyanobacteria leluhur, sebelum oksigen molekul muncul.
Hemoprotein telah mencapai keanekaragaman fungsional luar biasa dengan memodifikasi lingkungan langsung dari siklus heme dalam matriks protein. Sebagai contoh, kemampuan hemoglobin untuk secara efektif mengirimkan oksigen ke jaringan disebabkan oleh residu asam amino spesifik yang terletak di dekat kelompok heme dari molekul.
Hemoglobin mengikat oksigen dalam pembuluh darah paru, di mana pH tinggi dan pCO2 rendah, dan melepaskannya di jaringan, di mana situasinya terbalik. Fenomena ini dikenal sebagai efek Bohr. Mekanisme molekuler di balik efek ini adalah organisasi sterik rantai globin; residu histidin yang terletak di posisi yang berdekatan dengan kelompok heme, menjadi bermuatan positif ketika pH diasamkan (yang disebabkan oleh pembubaran karbon dioksida dalam jaringan dengan tingkat metabolisme yang tinggi), melepaskan oksigen secara sterik dari kelompok heme.
Struktur kimia
Heme mengandung besi dan cincin porfirin; yang bersesuaian dengan tetrapirol siklik, siklus ini terdiri dari 4 cincin pirol yang dihubungkan oleh jembatan metina (= CH-) atau kadang-kadang misil metilen (= CH2), di pusat cincin ini adalah atom besi (II) tetracoordinated oleh empat pasang elektron yang tidak terbagi dari nitrogen cincin porfirin.
Degradasi heme
Degradasi dimulai di dalam makrofag limpa, yang menghilangkan eritrosit tua dan rusak dari sirkulasi. Pada langkah pertama, heme dikonversi menjadi biliverdin oleh enzim heme oksigenase (HMOX). NADPH digunakan sebagai zat pereduksi, oksigen molekul memasuki reaksi, karbon monoksida (CO) diproduksi dan besi dilepaskan dari molekul sebagai ion besi (Fe2 +). CO bertindak sebagai pembawa pesan seluler dan berfungsi dalam vasodilatasi.
Selain itu, degradasi heme tampaknya merupakan respon yang dilestarikan secara evolusi terhadap stres oksidatif. Secara singkat, ketika sel terpapar radikal bebas, ada induksi cepat dari ekspresi heme oksigenase-1 (HMOX1) yang responsif terhadap stres yang mengkatalisasi heme. Alasan mengapa sel-sel harus meningkatkan secara eksponensial kemampuannya untuk menurunkan heme sebagai respons terhadap stres oksidatif masih belum jelas tetapi ini tampaknya menjadi bagian dari respons cytoprotective yang menghindari efek buruk dari heme bebas. Ketika sejumlah besar heme bebas terakumulasi, sistem detoksifikasi / degradasi heme menjadi kewalahan, memungkinkan heme mengerahkan efek merusaknya.