Hem se sastoji od kationa gvožđa vezanog u centru konjugovane bazeporfirina, kao i drugih liganada vezanih za "aksijalna mjesta" gvožđa. Porfirinski prsten je planarni dijaionski, tetradentatni ligand. Gvožđe je obično Fe2+ ili Fe3+. Jedan ili dva liganda vezani su na aksijalnim mjestima. Porfirinski prsten ima četiri atoma dušika koji se vežu za gvožđe, ostavljajući dvije druge koordinacijske pozicije gvožđa na raspolaganju za vezivanje za histidin proteina i dvovalentni atom.[1]
Hemeproteini su vjerovatno evoluirali da inkorporiraju atom gvožđa sadržan u protoporfirinskom IX prstenu hema u proteine. Kako hemeproteine čini osjetljivima na molekule koji mogu vezati dvovalentno gvožđe, ova strategija se održavala tokom evolucije jer ima ključne fiziološke funkcije. Kisik (O2), dušik-oksid (NO), ugljik-monoksid (CO) i vodik-sulfid (H2S) vezuju se za atom gvožđa u proteinima hema. Jednom vezani za prostetske hemske grupe, ove molekule mogu modulirati aktivnost/funkciju tih hemeproteina, omogućavajući transdukciju signala. Stoga, kada se proizvode u biološkim sistemima (ćelijama), ove plinovite molekule nazivaju se plinotransmiterima.
Zbog svojih raznolikih bioloških funkcija i široko rasprostranjenog izobilja, hemeproteini su među najistraženijim biomolekulama.[2] Podaci o strukturi i funkciji proteina hema agregirani su u The Heme Protein Database (HPD), sekundarnu bazu podataka proteinsku bazu podataka.[3]
Hemoglobin i mioglobin su primjeri hemeproteina koji transportiraju i skladište kisik kod sisara. Hemoglobin je kvarternarni protein koji se javlja u crvenim krvnim zrncima, dok je mioglobin tercijarni protein koji se nalazi u mišićnim ćelijama sisara. Iako se mogu razlikovati po lokaciji i veličini, njihova funkcija je slična. Budući da su hemeproteini, oba sadrže hemski prostetsku grupu.
His-F8 mioglobina, također poznat kao proksimalni histidin, kovalentno je vezan za 5. koordinacijski položaj gvožđa. Kisik stupa u interakciju sa distalnim His putem vodikove veze, a ne kovalentne. On se vezuje za 6. koordinacionu poziciju gvožđa, His-E7 mioglobina se vezuje za kisik koji je sada kovalentno vezan za gvožđe. Isto važi i za hemoglobin; međutim, budući da je protein sa četiri podjedinice, hemoglobin sadrži ukupno četiri hemske jedinice, omogućavajući ukupno četiri molekule kisika da se vežu za protein.
Mioglobin i hemoglobin su globulasti proteini koji služe za vezivanje i isporuku kisika pomoću prostetske grupe. Ovi globini dramatično poboljšavaju koncentraciju molekulskog kisika koji se može prenositi u biološkim tečnostima kičmenjaka i nekih beskičmenjaka.
Razlike se javljaju u vezivanju liganda i alosternnoj regulaciji.
Mioglobin se nalazi u mišićnim ćelijama kičmenjaka. Mišićne ćelije, kada se pokrenu, mogu brzo zahtijevati veliku količinu kisika za disanje zbog svojih energetskih potreba. Stoga mišićne ćelije koriste mioglobin da ubrzaju difuziju kisika i djeluju kao lokalizirane rezerve kisika za vrijeme intenzivnog disanja. Mioglobin također skladišti potrebnu količinu kisika i čini ga dostupnim za mitohondrije mišićnih ćelija.
U kičmenjaka, hemoglobin se nalazi u citosolu crvenih krvnih zrnaca. Hemoglobin se ponekad naziva i protein za transport kisika, kako bi se suprotstavio mioglobinu, koji je stacionaran.
Kod kičmenjaka, kisik se u organizam unosi tkivima pluća i prenosi do crvenih krvnih zrnaca u krvotoku. Kisik se zatim distribuira u sva tkiva u tijelu i prenosi iz crvenih krvnih zrnaca do ćelija koje dišu. Hemoglobin zatim pokupi ugljik-dioksid da bi se vratio u pluća. Dakle, hemoglobin veže i oslobađa kisik i ugljik-dioksid u odgovarajuća tkiva, služeći za isporuku kisika potrebnog za ćelijski metabolizam i uklanjanje rezultirajućeg otpadnog proizvoda, CO2.
Zbog različitih funkcija molekula hema: kao transportera elektrona, prijenosnika kisika i kao kofaktora enzima, proteini koji vezuju hem stalno privlače pažnju dizajnera proteina. Početni pokušaji dizajna bili su fokusirani na proteine koji vežu α-heliksni hem, dijelom zbog relativne jednostavnosti dizajniranja spiralnih snopova koji se sami sklapaju. Vezna mjesta za hem su dizajnirana unutar inter-heliksnih hidrofobnih žljebova. Primjeri takvih dizajna uključuju:
Tehnike dizajna su sazrele do te mjere da je sada moguće generirati čitave biblioteke spiralnih proteina koji vezuju hem.[21]
Nedavni pokušaji dizajna fokusirani su na stvaranje proteina koji vezuju sve beta-hem, čija je nova topologija vrlo rijetka u prirodi. Takvi dizajni uključuju:
^Sasaki T, Kaiser ET (1. 1. 1989). "Helichrome: synthesis and enzymic activity of a designed hemeprotein". Journal of the American Chemical Society (jezik: engleski). 111 (1): 380–381. doi:10.1021/ja00183a065. ISSN0002-7863.
^Isogai Y, Ota M, Fujisawa T, Izuno H, Mukai M, Nakamura H, et al. (juni 1999). "Design and synthesis of a globin fold". Biochemistry. 38 (23): 7431–7443. doi:10.1021/bi983006y. PMID10360940.
^Choma CT, Lear JD, Nelson MJ, Dutton PL, Robertson DE, DeGrado WF (1. 2. 1994). "Design of a heme-binding four-helix bundle". Journal of the American Chemical Society (jezik: engleski). 116 (3): 856–865. doi:10.1021/ja00082a005. ISSN0002-7863.
^Faiella M, Maglio O, Nastri F, Lombardi A, Lista L, Hagen WR, Pavone V (decembar 2012). "De novo design, synthesis and characterisation of MP3, a new catalytic four-helix bundle hemeprotein". Chemistry. 18 (50): 15960–15971. doi:10.1002/chem.201201404. PMID23150230.
^Moffet DA, Foley J, Hecht MH (septembar 2003). "Midpoint reduction potentials and heme binding stoichiometries of de novo proteins from designed combinatorial libraries". Biophysical Chemistry. Walter Kauzmann`s 85th Birthday. 105 (2–3): 231–239. doi:10.1016/S0301-4622(03)00072-3. PMID14499895.
^Mahajan M, Bhattacharjya S (juni 2013). "β-Hairpin peptides: heme binding, catalysis, and structure in detergent micelles". Angewandte Chemie. 52 (25): 6430–6434. doi:10.1002/anie.201300241. PMID23640811.