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Haben RuBisCo und Hämoglobin Ähnlichkeiten?

Haben RuBisCo und Hämoglobin Ähnlichkeiten?


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In RuBisCo und Hämoglobin können beide an CO . binden2 sowie O2. Haben diese Proteine ​​eine strukturelle Ähnlichkeit?


Versuchen Sie, über diese Proteine ​​zu lesen. Abgesehen von Wikipedia können Sie sich pfam ansehen, das Proteine ​​in Familien einteilt. Globine und RuBisCO sind sehr unterschiedliche Proteinfamilien. Die einzige Ähnlichkeit ist vielleicht, dass beide aus Aminosäuren bestehen!


Evolutionäre Trends in der RuBisCO-Kinetik und deren Co-Evolution mit CO2 Konzentrationsmechanismen

RuBisCO-katalysiertes CO2 Die Fixierung ist die wichtigste Quelle für organischen Kohlenstoff in der Biosphäre. Dieses Enzym kommt in allen Lebensbereichen in verschiedenen Formen (III, II und I) vor und sein Ursprung geht auf 3500 Millionen Jahre zurück, als die Atmosphäre ansauerstofffrei war. Das aktive Zentrum von RuBisCO katalysiert jedoch auch die Oxygenierung von Ribulose-1,5-bisphosphat, daher förderte die Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese und die anschließende sauerstoffreiche Atmosphäre das Auftreten von CO2 Konzentrationsmechanismen (CCMs) und/oder die Entwicklung einer CO .-2-spezifisches RuBisCO-Enzym. Die große Variabilität der kinetischen Merkmale von RuBisCO vorhandener Organismen zeigt eine Geschichte der Anpassung an das vorherrschende CO22 Konzentrationen und die thermische Umgebung während der gesamten Evolution. Bemerkenswerte Unterschiede in den kinetischen Parametern werden zwischen den verschiedenen Formen von RuBisCO gefunden, aber die Unterschiede sind auch mit dem Vorhandensein und der Art von CCMs innerhalb jeder Form verbunden, was auf eine Koevolution von RuBisCO und CCMs hindeutet. Kompromisse zwischen kinetischen Merkmalen von RuBisCO variieren zwischen den RuBisCO-Formen und auch zwischen phylogenetischen Gruppen innerhalb derselben Form. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass unterschiedliche biochemische und strukturelle Einschränkungen während der Evolution auf jeden Typ von RuBisCO einwirkten, was wahrscheinlich unterschiedliche selektive Umweltbelastungen widerspiegelt. In ähnlicher Weise weisen Variationen in der Kohlenstoffisotopenfraktionierung des Enzyms auf signifikante Unterschiede in seiner Beziehung zum CO . hin2 Spezifität zwischen verschiedenen RuBisCO-Formen. Ein tieferes Wissen über die natürliche Variabilität der katalytischen Eigenschaften von RuBisCO und den chemischen Mechanismus von RuBisCO-Carboxylierungs- und -Oxygenierungsreaktionen eröffnet die Möglichkeit, unerschlossene Landschaften in der RuBisCO-Entwicklung zu finden.


CAM-Photosynthese

Xerophyten wie Kakteen und die meisten Sukkulenten werden ebenfalls verwendet
Phosphoenolpyruvat (PEP)-Carboxylase zum Abfangen von Kohlendioxid in einem Prozess, der als Crasulacean-Säuremetabolismus (CAM) bezeichnet wird. Im Gegensatz zu C4 Stoffwechsel, der physisch trennt das CO2 Fixierung an PEP aus dem Calvin-Zyklus, CAM zeitlich trennt diese beiden Prozesse.

CAM-Pflanzen haben eine andere Blattanatomie als C3 Pflanzen und fixieren das CO2 nachts, wenn ihre Stomata geöffnet sind. CAM-Pflanzen speichern das CO2 meist in Form von Äpfelsäure durch Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat zu Oxalacetat, das dann zu Malat reduziert wird. Decarboxylierung von Malat während des Tages setzt CO . frei2 innerhalb der Blätter, wodurch die Kohlenstofffixierung an 3-Phosphoglycerat durch RuBisCO ermöglicht wird. Sechzehntausend Pflanzenarten verwenden CAM.

Abbildung (PageIndex<1>): Querschnitt einer Agave, einer CAM-Pflanze: Querschnitt einer CAM-Pflanze (Crassulacean-Säuremetabolismus), speziell eines Agavenblattes. Gefäßbündel gezeigt. Zeichnung basierend auf mikroskopischen Bildern mit freundlicher Genehmigung des Plant Sciences Department der Cambridge University.


Die Familie der "neuartigen" Wirbeltierglobine

Neben Ngb wurden weitere „neue“ Vertebratenglobine gefunden, die sich in Expressionsmustern und Evolutionsgeschichte unterscheiden (Abb. 1): Cygb [Cygb (Burmester et al., 2002 Trent und Hargrove, 2002)], Globin E [ GbE (Kugelstadt et al., 2004)], Globin X [GbX (Roesner et al., 2005)] und Globin Y [GbY (Fuchs et al., 2006)]. Cygb befindet sich in fibroblastenähnlichen Zellen und in unterschiedlichen Populationen von Neuronen. Cygb ist mit Mb verwandt, von dem es sich früh in der Evolution der Wirbeltiere abwandte (Burmester et al., 2002) (Abb. 1). Es ist unwahrscheinlich, dass Cygb in O . funktioniert2 Versorgung der Atmungskette, kann jedoch an der Entgiftung reaktiver Sauerstoff- oder Stickstoffspezies (ROS/RNS) oder an der Sauerstoffversorgung bestimmter enzymatischer Reaktionen beteiligt sein (Hankeln et al., 2005). Während Ngb und Cygb vermutlich in allen Wirbeltieren vorkommen, kommen drei andere Globintypen nur in einigen Taxa vor. GbX wird in Amphibien und Fischen schwach exprimiert und seine Funktion ist noch nicht bekannt (Fuchs et al., 2006 Roesner et al., 2005). Im Vogelauge wurde ein weiterer Globintyp (GbE) nachgewiesen (Kugelstadt et al., 2004). GbY wurde bisher nur identifiziert in Xenopus(Fuchs et al., 2006). Sowohl GbE als auch GbY sind entfernte Verwandte von Cygb oder Mb, aber über Ligandenbindungseigenschaften oder -funktionen ist wenig bekannt.

Phylogenetische Geschichte der Wirbeltierglobine. Der vereinfachte Baum wurde aus verschiedenen Quellen kombiniert (Burmester et al., 2002 Burmester et al., 2000 Kugelstadt et al., 2004 Roesner et al., 2005). Globine mit eindeutiger Atemfunktion (d. h. Mb und Hb) sind grau hinterlegt. Beachten Sie, dass Hämoglobine aus Agnatha und Gnathostomata (Hämoglobin α und β) nicht monophyletisch sind.

Phylogenetische Geschichte der Wirbeltierglobine. Der vereinfachte Baum wurde aus verschiedenen Quellen kombiniert (Burmester et al., 2002 Burmester et al., 2000 Kugelstadt et al., 2004 Roesner et al., 2005). Globine mit eindeutiger Atemfunktion (d. h. Mb und Hb) sind grau hinterlegt. Beachten Sie, dass Hämoglobine aus Agnatha und Gnathostomata (Hämoglobin α und β) nicht monophyletisch sind.


Covid-19: Entlarvung der Hämoglobin-Geschichte

In den letzten Tagen wurde ich von einer Reihe von Leuten nach meinen Gedanken zu einem inzwischen gelöschten Medium-Blog-Beitrag mit dem Titel „Covid-19 hat uns alle täuschen lassen, aber jetzt haben wir vielleicht endlich sein Geheimnis gefunden“ gefragt. Es scheint, dass dieser Beitrag selbst nach seiner Löschung in archivierter Form weit verbreitet ist, hauptsächlich von Leuten, die seine Prämisse vollständig zu akzeptieren scheinen. Diese Prämisse besteht im Wesentlichen darin, dass das SARS-CoV-2-Virus Patienten ausschließlich durch seine Wechselwirkungen mit dem Sauerstofftransportprotein Hämoglobin (Hb) schädigt. Bei einer Google-Suche nach dem Titel wird der Beitrag dennoch angezeigt, falls Sie ihn lesen (oder erneut lesen) möchten.

Ein bisschen über mich und warum mir Leute diesen Blogpost geschickt haben: Im Dezember 2019 habe ich mein MD-Studium an der University of Pittsburgh durch das Medical Scientist Training Program (MD/PhD-Programm) abgeschlossen. Im Rahmen desselben Programms habe ich 4 Jahre lang in Bioengineering promoviert. Der Schwerpunkt meiner Dissertation lag auf der Molekularbiologie, Biochemie und Physiologie der Hämglobine von Säugetieren. Infolgedessen verbrachte ich die letzten 7+ Jahre an der Schnittstelle zwischen klinischer Medizin und Hämglobinforschung und fühlte mich gezwungen, meine Perspektive zu diesem Blogbeitrag darzulegen. Beim Schreiben dieses Artikels wurde ich von Drs. Anthony DeMartino, PhD und Matt Dent, PhD, beide Postdoktoranden in dem Labor, in dem ich promovierte, und beide zehnmal bessere Chemiker, als ich es mir jemals erhoffen konnte.

Aber zurück zum Beitrag: Der fragliche Medium-Blog-Beitrag stellt gleichzeitig zwei verwandte Narrative vor, eine „wissenschaftliche“ (oder zumindest präsentiert, um diesen Anschein zu erwecken) und eine klinische. Beide werden mit einem überwältigenden Ton von Autorität und Sicherheit erzählt, leider sind beide auch in ihren allgemeinen Schlussfolgerungen und den spezifischen Details, die zur Untermauerung dieser Schlussfolgerungen verwendet wurden, fast völlig falsch. Wie so oft erfordert die Widerlegung dieser Art von Fehlinformationen viel mehr Mühe (und Worte) als ihre Verbreitung, aber wir haben unser Bestes getan, um alles anzugehen.

Die vermeintlich „wissenschaftliche“ Erzählung

Bevor ich auf die Details eingehe, möchte ich kurz das Hämoglobin beschreiben. Ein einzelnes Hämoglobinprotein besteht aus zwei Teilen: Häm (das selbst aus einem kleinen chemischen Ring namens Porphyrin + einem Eisenatom in der Mitte besteht) und dem Globin, einem großen Protein, das das Häm enthält. Das Hämoglobin-Molekül in unseren roten Blutkörperchen besteht eigentlich aus vier Häm und ihren vier jeweiligen Proteinen (zwei Alpha-Proteine ​​und zwei Beta-Proteine), die miteinander verbunden sind, um ein Tetramer zu bilden. In jeder dieser Ketten ist das Häm von seinem jeweiligen Protein umgeben, das um das Häm einen kleinen Raum bildet, der als „Hämtasche“ bezeichnet wird. Diese Tasche ist gerade groß genug, um Sauerstoff, Kohlenmonoxid und andere kleine Moleküle aufzunehmen, die an das Häm-Eisen binden.

Die „wissenschaftliche“ Erzählung des Blogbeitrags beginnt damit, dass das SARS-CoV-2-Virus in die roten Blutkörperchen (RBCs) eindringt. Einmal in den RBCs angekommen, heißt es in der Post, dass das Virus das Eisen schnell aus den RBC-Hämoglobinmolekülen entfernt, was zu 1) einer Erschöpfung des funktionellen Hämoglobins (wobei das Virus an seinen Porphyrinring gebunden ist) und 2) einer Ansammlung von toxischem Eisen im Blutkreislauf führt. Alle klinischen Manifestationen von Covid-19 werden anschließend diesem Prozess zugeschrieben, obwohl es praktisch keine Beweise dafür gibt, dass ein solcher Mechanismus des viralen Eindringens in Erythrozyten und der Interaktion mit Hämoglobin unterstützt wird. Erschreckenderweise beruht der Blogpost auf einer Reihe von Annahmen, die in der aktuellen wissenschaftlichen Literatur wenig bis gar nicht unterstützt werden.

Zunächst ist unklar, ob das Virus überhaupt in die roten Blutkörperchen eindringt. Bei der Durchsicht der derzeit veröffentlichten Literatur kann ich keine Hinweise auf einen signifikanten Eintrag von SARS-CoV-2 in rote Blutkörperchen finden. Obwohl es möglich ist, dass Wechselwirkungen zwischen dem Virus und den Erythrozyten übersehen wurden (der Großteil der Forschung hat sich verständlicherweise auf Lungenerkrankungen konzentriert), gibt es derzeit keine Hinweise darauf, dass rote Blutkörperchen ein wichtiger Ort der Viruslokalisierung oder -replikation sind. Wenn die Hypothese lautet, dass der größte Teil der toxischen Wirkung dieses Virus auf Wechselwirkungen mit Hb zurückzuführen ist, wäre die Dokumentation des Viruseintritts in die Erythrozyten ein wichtiger erster Schritt.

Das heißt, wir haben eine Vorstellung davon, wohin dieses Virus geht. In einer Studie wurden beispielsweise Lungengewebeproben eines an Covid-19 verstorbenen Patienten untersucht und Ergebnisse gefunden, die mit einer diffusen Alveolarschädigung (Schädigung der kleinen Luftsäcke in der Lunge, in denen der Gasaustausch stattfindet) übereinstimmen [1]. Dieselbe Studie ergab, dass das Virus selbst hauptsächlich in den Epithelzellen lokalisiert war, die dieselben Alveolen auskleiden. Während die Erythrozyten vor der Untersuchung der Gewebeproben anscheinend ausgewaschen wurden (leere Blutgefäße hinterlassen), zeigten die Blutgefäße selbst sowie das Gewebe zwischen den Luftsäcken wenig bis gar kein Virus. Insgesamt legt die Studie nahe, dass das Virus und die daraus resultierenden Schäden hauptsächlich in den Lungenbläschen zu finden sind.

Der Autor des Blogbeitrags geht davon aus, dass das Virus in die Erythrozyten eindringt und dass virale „Glykoproteine ​​an das Häm binden und dabei ein spezielles und giftiges oxidatives Eisenion „dissoziiert“ (freigesetzt) ​​wird.“ Diese falsche Behauptung, für die der Autor des Blogposts keine Beweise liefert, scheint auf eine Fehlinterpretation eines kürzlich erschienenen Vorabdrucks eines Artikels in ChemRxiv zurückzuführen zu sein. Dieses Pre-Print-Manuskript schlägt einen möglichen Mechanismus für das Virus vor, Hämoglobin „anzugreifen“ (ein Begriff, den sie nie definieren) und das Häm aus dem Protein freizusetzen [2]. Obwohl der Autor des Blogbeitrags diese Arbeit (oder eine andere Arbeit) nicht zitiert, sind die Schlussfolgerungen und die Sprache ähnlich genug, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass der wissenschaftliche Artikel den Blogbeitrag inspiriert hat.

Bei genauerer Lektüre ist das ChemRxiv-Papier selbst ernsthaft fehlerhaft und bietet nichts, was ich oder meine Kollegen als aussagekräftigen Beweis für einen Mechanismus ansehen könnten, durch den SARS-CoV-2 Hämoglobin „angreifen“ könnte. Ich habe vor, an einem zweiten Artikel zu arbeiten, in dem die Probleme mit diesem Papier weiter erörtert werden, aber hier ist vorerst eine Zusammenfassung dieser Arbeit: Die Autoren behaupten, Beweise dafür zu liefern, dass bestimmte virale Proteine ​​an isoliertes Porphyrin binden können (ohne das Eisen und nicht an ein beliebiges Protein gebunden). Sie argumentieren auch, dass das Virus das Häm irgendwie aus dem Protein und anschließend das Eisen aus dem Häm herauspressen könnte, um diese Art der Bindung zu ermöglichen. Dies alles basiert auf einer eher rudimentären Analyse, die sich ausschließlich auf die Ähnlichkeit der Proteinsequenzen und die fragwürdige Modellierung des molekularen Dockings stützt. Bemerkenswert ist, dass die Arbeit vollständig ausgeführt wurde in silico (über Computermodelle), was in der Regel ein erster Screening-Schritt ist, der mit verifiziert werden muss in vitro (Experimental, z.B., in einem Reagenzglas oder einer Petrischale) Daten. Die Autoren selbst stellen in ihrem Abstract fest, dass „[d]his Papier nur für die akademische Diskussion ist, die Richtigkeit muss von anderen Laboratorien bestätigt werden“. Abgesehen von diesem einleitenden Haftungsausschluss leisten die Autoren eine schlechte Arbeit, ihre Ergebnisse zu qualifizieren und den sehr vorläufigen Charakter ihrer Arbeit zu betonen. Es ist leicht zu erkennen, wie ein Leser ohne eine gesunde Portion wissenschaftlicher Skepsis die Ergebnisse angesichts der starken Sprache, die im gesamten Manuskript verwendet wird, überinterpretieren könnte.

Nichtsdestotrotz scheint der Medium-Blog diese fragwürdige Arbeit als harte Wahrheit zu betrachten und erweitert die Schlussfolgerung um mehrere Schritte, indem er behauptet, dass das Virus direkt in die Häm-Tasche eindringen und das intakte Häm-Eisen ersetzen wird, während das Porphyrin an gebunden bleibt das Eiweiß. Abgesehen von den fragwürdigen Beweisen dafür, dass das Virus das Porphyrin überhaupt bindet, ist das Problem hier, dass sich das Häm/Porphyrin immer noch in der Hämtasche befindet, einem Raum, der kaum groß genug für zweiatomige Moleküle wie Sauerstoff (O2) ist. Trotzdem scheint der Autor des Blogbeitrags zu glauben, dass das Virus (das größer ist als das gesamte Hämoglobinprotein) in die Tasche eindringen, das Eisen herausschleudern und das Porphyrin binden kann, während das Porphyrin und das Protein ansonsten völlig intakt bleiben. Um es wohlwollend auszudrücken, wäre dies eine völlig neue und scheinbar unmögliche Art von Chemie, und es gibt absolut keine wissenschaftlichen Beweise, die eine solche Möglichkeit unterstützen. Es ist diese scheinbar unmögliche Interaktion, die die Grundlage der gesamten Argumentation des Blogposts bildet, und so haben die restlichen Schlussfolgerungen des Bloggers einfach kein Gewicht.

Die klinische Geschichte

Ausgehend von dieser fehlerhaften wissenschaftlichen Erzählung erstellt der Autor eine ebenso fehlerhafte Erzählung des klinischen Verlaufs der Krankheit. Das Scheitern der wissenschaftlichen Erzählung macht die nachfolgende klinische Erzählung weitgehend ungültig, die fast vollständig auf dieser fehlerhaften Wissenschaft basiert. Anstatt das gesamte klinische Modell auseinanderzunehmen, werde ich daher einige Schlüsselpunkte hervorheben, die ich speziell widerlegen möchte. Obwohl es etwas schwieriger ist, dieser Erzählung zu folgen, werde ich zunächst versuchen, sie hier zusammenzufassen.

Der Blog-Beitrag schlägt vor (hier ohne direkte Zitate paraphrasieren): EINs der Hb-Wert des Patienten Eisen verliert, wird dieser Patient entsättigt (verliert Sauerstoff aus seinem Hämoglobin). Diese Entsättigung hat nichts mit einer Lungenfunktionsstörung zu tun, da „es keine „Pneumonie“ oder ARDS gibt“ und „die Lunge des Patienten nicht „ermüdet“, sondern gut pumpt. Die roten Blutkörperchen können einfach keinen [Sauerstoff] transportieren, Ende der Geschichte“. Das freigesetzte freie Eisen überwältigt die Abwehrmechanismen der Lunge gegen dieses toxische freie Eisen, was zu bilateralen Lungenschäden führt, die vom Autor als signifikant erachtet werden, denn „Pneumonie tut dies selten [verursacht Schäden in beiden Lungen], aber COVID -19 tut… JEDER. EINZEL. ZEIT."

Auch dies klingt für einen Laien wahrscheinlich nach einer überzeugenden, vernünftigen Reihe von Ereignissen. In Wirklichkeit ist es im Wesentlichen Unsinn, der auf einem zutiefst fehlerhaften Verständnis der Physiologie und Pathophysiologie beruht. Einige wichtige Punkte und meine Antworten:

Blogbeitrag sagt:Patienten entsättigen, da ihr Hämoglobin Eisen verliert

Wirklichkeit: Selbst wenn das Virus das Eisen aus dem Hämoglobin ausstoßen würde (was es mit ziemlicher Sicherheit nicht tut), würde es wahrscheinlich nicht zu einer messbaren Entsättigung führen. Die Sättigung wird am häufigsten über Pulsoximetrie (Pulseox) gemessen, die Licht verwendet, um Hb mit Sauerstoff von Hb ohne Sauerstoff zu unterscheiden. Bei beiden Hb-Formen ist jedoch Eisen vorhanden, und die meisten klinischen Pulsoximeter funktionieren nur, wenn diese beiden Formen – und nur diese beiden Formen — von Hb sind vorhanden [3]. Eine neue Form von Hb mit dem Virus anstelle des Eisens würde Licht ganz anders absorbieren als jede dieser Formen, und ein solches Protein (wenn es existieren könnte) würde mit ziemlicher Sicherheit zu unverständlichen Pulsox-Messungen führen, nicht zu einer Entsättigung.

Selbst wenn man diese technischen Aspekte ignoriert, wäre eine weitaus wahrscheinlichere Erklärung für eine gemessene Entsättigung bei Covid-19-Patienten eine unzureichende Sauerstoffversorgung des Blutes aufgrund einer Lungenerkrankung / -schädigung (von der wir wissen, dass sie vorliegt). Tatsächlich wissen wir, dass Covid-19-Patienten, die mit Sauerstoff angereichert sind, schlecht auf zusätzlichen Sauerstoff ansprechen, wie der Autor zuzugeben scheint, wenn er Sauerstoff als Therapie vorschlägt. Eine Verbesserung mit mehr Sauerstoff schließt effektiv den Eisenverlust als Ursache dieser Entsättigung aus, da die Bereitstellung von mehr Sauerstoff die Sauerstoffbindung an normales Hb mit intaktem Eisen erhöht, aber Eisen nicht wieder in Hb zurückführen kann, das es verloren hat.

Blogbeitrag sagt: Die Freisetzung von Eisen aus Hb ist die Quelle aller beobachteten Pathologien bei Covid-19, einschließlich bilateraler Lungenschäden, die eine Lungenentzündung „selten“ verursacht.

Wirklichkeit: Es gibt einfach keine Beweise dafür, dass eine SARS-CoV-2-Infektion zu einer groß angelegten Freisetzung von Eisen aus Hb führt oder dass eine solche Freisetzung ausreichen würde, um die zahlreichen Mechanismen des Körpers zur Regulierung von freiem Eisen zu überwältigen. Selbst wenn dies der Fall wäre, kann ich jedoch keine Beweise dafür finden, dass eine reine Eisenüberladung (in Abwesenheit anderer Pathologien) zu erheblichen Lungenschäden führt, geschweige denn zu dem bei vielen Covid-19-Patienten beobachteten bilateralen Lungenentzündungsmuster [4] . Im Gegensatz dazu sind bilaterale Lungenschäden eine ziemlich häufige Manifestation einer durch Virusinfektionen verursachten Lungenentzündung [5].

Blogbeitrag sagt: „Es gibt weder eine Lungenentzündung noch ARDS. Zumindest nicht das ARDS mit etablierten Behandlungsprotokollen und Verfahren, mit denen wir vertraut sind.“

Wirklichkeit: Beides ist eindeutig vorhanden. Das klinische Bild stimmt, trotz der Meinung des Autors, im Allgemeinen mit einer viralen Pneumonie überein, und das Fortschreiten zu ARDS ist gut dokumentiert. Eine Studie in China ergab, dass von 201 Patienten mit bestätigtem Covid-19 etwa 42 % ein mit ARDS übereinstimmendes Krankheitsbild entwickelten [6]. Die Sterblichkeitsrate bei diesen Patienten lag bei über 52 %, während es bei denjenigen, die kein ARDS entwickelten, keine Todesfälle gab. Der Blog-Beitrag mag etwas richtig sein, dass das resultierende ARDS untypisch ist. Es gibt einen Brief aus Norditalien, der darauf hindeutet, dass ARDS aufgrund von Covid-19 möglicherweise keine mechanische Hochdruckbeatmung erfordert oder sogar geschädigt werden könnte [7], aber derselbe Brief legt nahe, dass Intubation und mechanische Beatmung ohne Hochdruck erfolgen sollten priorisiert für Patienten, die Schwierigkeiten beim Atmen haben, nicht vermieden wie im Blogbeitrag vorgeschlagen.

Empfohlene Behandlungen

Schließlich, und vielleicht am beunruhigendsten, schlägt der Autor des Blog-Beitrags, der keinen medizinischen Hintergrund hat, eine Reihe von Therapien für den vorgestellten Mechanismus dieser Krankheit vor.

Behandlung 1: „Max. Sauerstoff“ oder Überdruckkammer mit 100 % O2 bei mehreren Atmosphären Druck

Es ist unklar, was der Autor damit erreichen würde. Wenn ihr Modell der virusinduzierten Hämoglobin-Dysfunktion durch Eisenverlust wahr ist (ist es nicht, aber wenn es war), kann das betroffene Hb absolut keinen Sauerstoff binden. Die Bereitstellung von mehr Sauerstoff über ein Beatmungsgerät oder eine Überdruckkammer würde das Eisen nicht auf magische Weise in Hb zurückversetzen. Um eine großzügige Interpretation zu nehmen, könnte der Autor vorschlagen, dass freies Eisen schließlich Lungenschäden verursacht, die anschließend verhindern, dass Sauerstoff ins Blut gelangt, obwohl unser derzeitiger Kenntnisstand ist, dass diese Schäden tatsächlich durch das Virus und unsere Immunantwort verursacht werden. Unabhängig von der Ursache der Lungenschädigung bleiben Intubation und mechanische Beatmung jedoch der Standard der Versorgung bei kritisch kranken Patienten mit hypoxischem Atemversagen, wie sogar der Bericht über atypisches ARDS aus Italien nahelegt [7].

EDIT, 13.04.2020: Ein Leser, Dr. Merveldt-Guevara, machte mich darauf aufmerksam, dass die hyperbare Sauerstofftherapie (HBOT) wahrscheinlich Patienten mit Eisenverlust durch Hb zugute kommen würde, indem mehr Sauerstoff direkt im Blut ohne Bindung aufgelöst werden kann zum Hämoglobin. Sie hat damit absolut recht, und ich möchte ihr dafür danken, dass sie mich richtiggestellt hat. Es gibt zwar keinen zwingenden Grund, einen solchen Eisenverlust zu vermuten, aber HBOT erhöht nachweislich die Sauerstoffmenge, die das Blut erreicht, und kann daher für diese Patienten therapeutisches Potenzial haben, selbst wenn ihr Hb völlig normal bleibt. Ich habe einige weitaus qualifiziertere Kollegen um ihre Meinung dazu gebeten und werde sie aktualisieren, wenn ich etwas höre.

Behandlung 2: Bluttransfusion mit „normalem Hämoglobin“

Der Blogbeitrag ist richtig, dass eine Transfusion von roten Blutkörperchen (oder Vollblut) eines Spenders die Sauerstofftransportkapazität des Blutes vorübergehend erhöhen würde. Abgesehen von den unbegründeten Behauptungen des Blogbeitrags kann ich jedoch keine Fallberichte oder andere Daten finden, die darauf hindeuten, dass eine tiefe Anämie oder ein Verlust der Sauerstofftransportkapazität die Auswirkungen von Covid-19 bei Patienten verschlimmert, und daher gibt es keinen Grund, an eine Transfusion von Erythrozyten zu glauben zu einer klinischen Besserung führen würde.

Selbst wenn der Autor Recht hätte, würde eine Transfusion roter Blutkörperchen nach einer kurzen anfänglichen Besserung wahrscheinlich mehr schaden als nützen. Wir wissen beispielsweise, dass während der Lagerung von Blut und nach Transfusionen ein gewisses Maß an Hämolyse (Zerstörung der Erythrozyten) auftritt, was schließlich zur Freisetzung toxischer Nebenprodukte wie freiem Häm führt. Wenn die Kernprämisse des Blog-Posts akzeptiert wird, würde auch der Hb-Wert der transfundierten Erythrozyten vom Virus angegriffen werden, was jede Erhöhung der Sauerstofftransportkapazität zunichte macht und die Ansammlung von Eisen im Blut verschlechtert. Eine Transfusion, wenn wir das Argument des Autors über Hämoglobin und Eisen akzeptieren, bedeutet, Holzscheite in ein rasendes Feuer zu werfen, zu behaupten, dass Sie das Feuer löschen, weil diese Holzscheite noch nicht verbrannt sind, und dann zuzusehen, wie das Feuer größer wird verbraucht auch diese Protokolle.

Nur zur Verdeutlichung gibt es einige Hinweise, die für eine Plasmatransfusion von genesenen Covid-19-Patienten sprechen, da die darin enthaltenen Antikörper die Immunfunktion des Empfängers verbessern können ohne gleichzeitige Transfusion von roten Blutkörperchen unwirksam, obwohl es keine Beweise für diese Behauptung gibt.

Behandlung 3: Hydroxychloroquin

Der Autor des Blog-Beitrags empfiehlt auch eine frühzeitige Behandlung mit Hydroxychloroquin (HCQ), das in seinen Worten „… vermutlich an DNA bindet und die Fähigkeit, Hämoglobin zu zaubern, beeinträchtigt“. Ein Vorwort: Ich stelle hier keine breitere Behauptung über die Wirksamkeit von HCQ bei Covid-19 auf, die noch untersucht wird. Aber die spezifischen Argumente dieses Autors zu HCQ halten einer Überprüfung nicht stand.

Ich bin mir zum Beispiel nicht sicher, wo der Autor diesen „vermuteten“ Wirkmechanismus gefunden hat. Der wahre Wirkmechanismus von HCQ und anderen auf Chinolin basierenden Anti-Malaria-Medikamenten wurde umfassend untersucht. Es ist bekannt, dass diese Medikamente verhindern, dass der Malariaparasit freies Häm (das Ergebnis des Hämoglobinkonsums) in Nahrungsvakuolen sequestriert, wo die toxischen Hämmoleküle normalerweise in relativ harmlose, kristalline Ablagerungen von Hämozoin umgewandelt werden [8]. Wichtig ist, dass HCQ weder die Freisetzung von giftigem Eisen aus Häm verhindert, noch verhindert das Medikament eine Wechselwirkung mit Hämoglobin (dessen Proteinkomponente immer noch vom Parasiten verbraucht wird). Stattdessen unterbricht HCQ die Bildung der inerten Hämozoinkristalle und ermöglicht dadurch die Ansammlung von toxischem Häm (Porphyrin und Eisen zusammen), das oxidative Schäden verursacht, die den Parasiten letztendlich abtöten.

Außerdem ist das Virus eine Proteinhülle, die ein Stück kodierender RNA umgibt (es ist ein RNA-Virus) und enthält buchstäblich nirgendwo ein einziges Stück DNA, so dass ein DNA-Bindungsmechanismus hier keine Relevanz hätte. Selbst über dieses Virus hinaus kann ich nichts finden, was darauf hindeutet, dass die DNA-Bindung ein signifikanter Mediator der Auswirkungen von HCQ auf Malaria, Autoimmunität oder andere Krankheitszustände ist. Es wird angenommen, dass seine primäre Wirkung in Lysosomen/Nahrungsvakuolen auftritt, wo es als schwache Base die Ansäuerung verhindert und ansonsten die Hämozoinbildung (bei Malaria) und die Antigenpräsentation/Immunaktivierung (bei Autoimmunerkrankungen) hemmen kann [9, 10]. Abschließend sei gesagt, dass HCQ eine schwache Base ist, was bedeutet, dass die Aussage des Autors, dass es „den pH-Wert senkt, was die Replikation des Virus stören kann“, sicherlich falsch ist, da es eine Base ist und somit eine Senkung des pH-Werts (Säuerung) verhindern würde. .

Abschließende Gedanken

Die obige Diskussion ist keineswegs eine vollständige Liste der falschen Aussagen oder Schlussfolgerungen des Blogbeitrags. Dennoch hoffe ich, dass es ausreichend war, um klarzustellen, dass der Blog-Beitrag und sogar der wissenschaftliche Artikel, der ihn wahrscheinlich inspirierte, nicht als Quelle für sinnvolle Einblicke in SARS-CoV-2, wie es sich auf Patienten auswirkt, angesehen werden sollten, oder wie das Virus behandelt werden könnte. Was ich immer noch nicht weiß, ist, warum der Autor des Blogposts unter einem Pseudonym eine so falsche Beschreibung dieser Krankheit und der zugrunde liegenden Pathophysiologie so selbstbewusst präsentiert hat. Dass sie trotz fehlender medizinischer Ausbildung so weit gehen würden, Therapien für die Krankheit vorzuschlagen und quasi im selben Absatz „Lehnsessel-Pseudo-Ärzte“ verurteilen, die falsche Informationen verbreiten, ist wirklich irrsinnig. Tragischerweise kann diese Art von Fehlinformation über eine tödliche Pandemie, sei es aus echter Bosheit, unbegründeter Arroganz oder einfach nur Ignoranz, wirklich Leben gefährden, und es liegt an denjenigen von uns, die in diesem Bereich arbeiten, um dagegen zu kämpfen wie auch immer wir können.

Schließlich, obwohl ich diesen Blog-Post-Autor sehr kritisch gesehen habe, muss ich ihm einen sehr aufschlussreichen Kommentar kurz gegen Ende zollen, den ich loben möchte:

"Wie auch immer, ich kenne nicht die volle Breite und Reichweite, weil ich kein Arzt bin."

Zumindest darin können wir uns einigen.

Zitierte Referenzen:

1. Zhang, H., et al., Histopathologische Veränderungen und SARS-CoV-2-Immunfärbung in der Lunge eines Patienten mit COVID-19. Ann Praktikantin Med, 2020.

2. Wenzhong, L. und L. Hualan, COVID-19: Greift die 1-Beta-Kette von Hämoglobin an und fängt das Porphyrin ein, um den menschlichen Häm-Stoffwechsel zu hemmen. ChemRxiv, 2020.

3. Jubran, A., Pulsoximetrie. Kritische Pflege, 2015. 19: P. 272.

4. Ganz, T., Beeinträchtigt eine pathologische Eisenüberladung die Funktion der menschlichen Lunge? EBioMedizin, 2017. 20: P. 13-14.

5. Galvan, J. M., O. Rajas und J. Aspa, Überprüfung nicht-bakterieller Infektionen in der Atemwegsmedizin: Virale Pneumonie. Bronconeumol, 2015. 51(11): s. 590–7.

6. Wu, C., et al., Risikofaktoren im Zusammenhang mit akutem Atemnotsyndrom und Tod bei Patienten mit Coronavirus-Krankheit 2019 Pneumonie in Wuhan, China. JAMA Praktikant Med, 2020.

7. Gattinoni, L., et al., Covid-19 führt nicht zu einem „typischen“ akuten Atemnotsyndrom. Am J Respir Crit Care Med, 2020.

8. Coronado, L. M., C. T. Nadovich und C. Spadafora, Malaria-Hämozoin: Vom Ziel zum Werkzeug. Biochim Biophys Acta, 2014. 1840(6): p. 2032–41.

9. Fuchs, R.I., Wirkmechanismus von Hydroxychloroquin als Antirheumatikum. Semin-Arthritis-Rheum, 1993. 23(2 Suppl. 1): p. 82–91.

10. Liu, J., et al., Hydroxychloroquin, ein weniger toxisches Derivat von Chloroquin, hemmt die SARS-CoV-2-Infektion in vitro wirksam. Cell-Discover, 2020. 6: P. 16.


Erweiterte Daten Abb. 1 Rekonstruktion von angestammtem Hämoglobin und Vorläufern.

ein, Phylogenie von Hb und verwandten Globinen. Knotenunterstützungen werden als ungefähre Likelihood-Ratio-Statistik 59,60 angezeigt. Die Anzahl der Sequenzen in jeder Gruppe ist in Klammern angegeben. Die in dieser Studie rekonstruierten Ahnensequenzen sind als farbige Kreise dargestellt. Pfeil, Zweigtausch, der diese Phylogenie von der uneingeschränkten ML-Phylogenie unterscheidet, die zusätzliche Gengewinne und -verluste erfordert. Der Baum wurzelt auf Neuroglobin und Globin X, Paralogen, die vor der Divergenz von Deuterostomen und Protostomen dupliziert wurden 61 . Eingesetzte, paarweise Sequenzidentitäten zwischen vorhandenen (menschlichen, Hsa) und rekonstruierten Vorfahrenglobinen. B, Verteilung der Posterior-Wahrscheinlichkeiten (PP) der maximalen a-posteriori-Zustände für rekonstruierte Vorfahrenproteine ​​über die Standorte. C, Thermische Stabilität der Ahnenglobine. Punkte, Anteil der Sekundärstruktur, die bei Temperaturerhöhung in Ancα/β (violett), Ancα + Ancβ (blau) und AncMH (schwarz) verloren geht, gemessen durch Circulardichroismus-Spektroskopie bei 222 nm, relativ zum Signal bei 23 °C. Tm und seine s.e. durch nichtlineare Regression geschätzt wurden, sind die am besten passenden Kurven (Linien) dargestellt. Jeder Punkt ist der Mittelwert von vier Messungen. D, Native Massenspektren von Globin Y vom Elefantenhai (oben, Callorhinchus milii) und Afrikanischer Krallenfrosch (unten, X. laevis) bei 30 μM. Ladungszustände von Häm-gebundenem Monomer gezeigt. Sternchen, Spaltprodukte. Spektren wurden einmal gesammelt. e, Sequenzausrichtung von rekonstruierten Ahnenglobinen. Punkte, Zustände identisch mit Ancα/β gelb, IF2-Stellen orange, IF1-Stellen h, Stellen 4 Å vom Häm entfernt a, Stellen, die das Häm-koordinierte proximale Histidin (H95) mit IF2 verbinden. F, Statistischer Test der Kooperativität der Sauerstoffbindung für angestammte Proteine ​​und Mutanten. Ein F-Test wurde verwendet, um die Anpassung eines Modells zu vergleichen, in dem der Hill-Koeffizient (n) ist ein freier Parameter für ein Nullmodell ohne Kooperativität (n = 1). Berechnet P Wert und Freiheitsgrade (df) werden angezeigt. n, Anzahl der gemessenen Konzentrationen. *P < 0,05. Die Daten wurden über Wiederholungsexperimente für die nichtlineare Regression gepoolt.

Erweiterte Daten Abb. 2 Stöchiometrische Charakterisierung angestammter Globinkomplexe.

ein, Homologiemodell von Ancα + Ancβ (Schablone 1A3N), das Häm (braune Kugeln) zeigt. Blauer Cartoon, Ancβ-Untereinheiten rot, Ancα. Helices und Schnittstellen sind beschriftet. Grünes, proximales Histidin. B, SEC und Mehrwinkel-Lichtstreuung von Ancα/β (90 µM) und Ancα + Ancβ (60 µM). Schwarz, relativer Brechungsindex rot, geschätzte Molmasse. Gestrichelte Linien, Ancα/β durchgezogene Linien, Ancα+Ancβ. Gestrichelte horizontale Linien, erwartete Masse für Dimere und Tetramere. C, SEC von humanem Hb (gestrichelt) und Ancα + Ancβ (durchgezogen) bei 100 &mgr;M. Oberer Einschub, SDS-PAGE dieser Komplexe, mit Banden, die den α- und β-Untereinheiten entsprechen. Unterer Einschub, Massen, die durch Denaturierungs-MS von Ancα + Ancβ geschätzt wurden, verglichen mit erwarteten Massen basierend auf der Primärsequenz. D, SEC von Ancα/β über eine Reihe von Konzentrationen. Gestrichelte vertikale Linien, Elutionspeakvolumina von humanem Hämoglobintetramer und Myoglobinmonomer. e, Tandem-MS des heterotetrameren Peaks im Anc&agr; + Anc&bgr;-nMS (angezeigt in Fig. 1b). Ausgestoßene Monomer- und Trimerladungsreihen und die darin enthaltenen Untereinheiten sind gezeigt. Rosa, Ancα-Blau, Ancβ. F, nMS von Ancα + Ancβ und Ancα/β bei 4 &mgr;M und 100 &mgr;M. Ladungsreihen und angepasste Stöchiometrien sind angegeben. *Ungehämmertes Apo-Formular. g, Monomer-Dimer-Assoziation durch Ancα/β. Mengen an Monomeren und Dimeren wurden mit nMS über einen Konzentrationsbereich charakterisiert. Kreise, Bruchteil aller Untereinheiten, die in Abhängigkeit von der Konzentration der Untereinheiten in allen Zuständen zu Dimeren zusammengesetzt wurden. Die nichtlineare Regression (Linie) wurde verwendet, um die Dissoziationskonstante (KD, mit s.e.). h, SEC von Ancα/β bei hohen Konzentrationen (lila und graue Linien). Schwarze Kurven zeigen zum Vergleich SEC-Spuren von humanem Hb und Myoglobin. ich, nMS von menschlichem Hb bei 50 &mgr;M. J, SEC von AncMH (cyan) in hoher Konzentration. SEC traces of human Hb and myoglobin (black) are shown for reference. Dashed line, Ancα/β dimer elution peak volume (see F). k, Alternative estimation of affinity of dimer–tetramer association by nMS. For human Hb (green) and Ancα/β14 + Ancα (orange), the fraction of heterodimers incorporated into heterotetramers includes both haem-deficient and holo-heterodimers. For Ancα + Ancβ (red), caesium iodide adduct was included. Compare to Figs. 1d and 3d. KD values (with s.e.) were estimated by nonlinear regression (lines). All concentrations are expressed in terms of monomer. All nMS and SEC experiments were performed once at each concentration.

Extended Data Fig. 3 Stoichiometric analysis of Ancα, Ancβ, and AncMH.

ein, SEC of Ancα at 75 μM. B, nMS spectrum (top, at 20 μM) and SEC–MALS (bottom) of Ancβ. Blue, UV absorption red, molar mass estimated by light scattering. C, Colorimetric haemoglobin concentration assay. Absorbance spectra before (black) and after (red) adding 150 μl Triton/NaOH reagent to 50 μl purified Ancα/β. In the presence of reagent, globins absorb at 400 nm. D, SEC of crude cell lysate after expression of AncMH (purple) and Ancα/β (black). Dashed lines, expected elution volumes for monomer (human myoglobin) and dimer (Ancα/β). e, Colorimetric haemoglobin concentration assay on collected SEC fractions of crude lysate containing AncMH (purple) and Ancα/β (black). F, nMS of His-tagged AncMH at 70 μM, with monomer charge series indicated. *Cleavage product. Green, apo. Fractional occupancy of the monomeric form is shown. All experiments were performed once.

Extended Data Fig. 4 Biochemical inferences about ancestral Hbs are robust to uncertainty in sequence reconstructions.

eine, Maximum parsimony inferences of ancestral stoichiometry and interface losses or gains based on the distribution of stoichiometries among extant globins. ein, Hbs in all extant lineages of jawed vertebrates are heterotetramers, supporting the inference that AncHb was heterotetrameric. Stoichiometries from representative species’ Hbs are shown with PDB IDs. Be, Each panel shows a hypothetical set of ancestral stoichiometries, plotted on the phylogeny of extant Hb subunits and closely related globins, with the minimal number of changes required by each scenario. B, The most parsimonious reconstruction is that Ancα/β was a homodimer and AncMH was a monomer. C, For Ancα/β to have been a tetramer, early gain and subsequent loss of IF2 in Hbα would be required. D, For Ancα/β to have been a monomer, IF1 would have to have been independently gained in Hbα and Hbβ. e, For AncMH to have been a dimer, IF1 would have to have been lost in lineages leading to the monomers myoglobin (Mb) and globin E (GbE) 12,13 . The dimeric globins most closely related to Hb—agnathan ‘haemoglobin’ (aHb) and cyotoglobin (Cyg)—use interfaces that are structurally distinct from those in Hb 15,16 , indicating independent acquisition. FJ, Alternative reconstructions of Ancα/β are biochemically similar to the ML reconstruction. F, Alternative ancestral versions of Ancα/β were constructed, each containing the the ML state at every unambiguously reconstructed site and the second most likely state at all ambiguously reconstructed sites, using different thresholds of ambiguity. For each alternative reconstruction, the table shows the threshold posterior probability (PP) used to define an ambiguous site, as well as the fold-difference in total PP of the entire sequence and the number of sites that differ from the ML reconstruction. g, SEC at 75 μM of ML reconstruction of Ancα/β and AltAll reconstructions, which contain all plausible alternative states with PP above a threshold. Dashed lines show elution peak volumes for the dimeric ML α/β and monomeric human myoglobin. Constructs that elute between the expected volumes for dimer and monomer indicate dimers that partially dissociate during the run. None tetramerize all form predominantly dimers, except AltAll(PP >0.2), which is

62,000 times less probable than ML, which is mostly monomeric. UV traces were collected once for each construct. h, Oxygen binding curves of Ancα/β-AltAll(0.25), the dimeric AltAll with the lowest PP, with and without 2× IHP. Dissociation constant (P50, with s.e.) estimated by nonlinear regression is shown. Lack of cooperativity is indicated by the Hill coefficient (n50 =

1.0). Oxygen binding at each concentration was measured once. ich, Alternate globin phylogeny that is more parsimonious than the ML topology with respect to gene duplications and synteny but has a lower likelihood given the sequence data. A version of Ancα/β (Ancα/β-AltPhy) was reconstructed on this phylogeny. J, SEC of Ancα/β-AltPhy. Dashed lines show expected elution volumes for various stoichiometric forms.

Extended Data Fig. 5 HDX-MS of Ancα/β.

einC, Deuterium uptake measurements across time for three peptides. Left vertical axis, raw deuterium incorporation right vertical axis, deuterium incorporation divided by the total number of exchangeable amide hydrogens per peptide. Uptake curves for four concentrations of mutants IF1rev and P127R are shown. Each point shows mean ± s.e. of three replicate measurements. DF, Raw MS spectra for the peptides shown in einC, respectively, at 0.67 μM (red, at which the protein is monomeric), and 75 μM (purple, at which it is entirely dimeric: see Extended Data Fig. 2). The traces are slightly offset to allow visualization. One replicate at each incubation time is shown. g, Amino acids 99 to 111 contact IF1 (orange) or IF2 (yellow). The homology model of one chain of Ancα/β (cartoon and sticks) was aligned to the α-subunit of human Hb (PDB 1A3N) β-subunits are shown as surfaces. h, Normalized deuterium uptake difference (mean ± s.e. from three replicates), defined as the uptake difference between monomer and dimer divided by the uptake of the monomer, observed for peptides containing amino acids 99–111. Grey N-terminal residues do not contribute to uptake. Amino acid sequences are aligned and labelled (orange dots, IF1 yellow dots, IF2).

Extended Data Fig. 6 Statistical analysis of HDX-MS results for peptides containing interface residues.

ein, Residues in human Hb (PDB 1A3N) that bury at least 50% of their surface area in either IF1 (orange) or IF2 (yellow) are shown as spheres. Red and pink, α-subunits blue, β-subunits. B, Homology models of Ancα/β dimer across IF1 (left) and IF2 (right). Two subunits of Ancα/β were computationally docked using HADDOCK using the α1/β1 interface (IF1, left) or α1/β2 interface (IF2, right) of human Hb (1A3N) as a template. C, Coverage of peptides produced by trypsinization of Ancα/β, assessed by MS. Orange and yellow, sites that bury surface area at IF1 and IF2 in the modelled dimeric structures, respectively. D, Classification of trypsin-produced peptides that contribute to IF1 or IF2. Each circle represents one peptide, plotted by average surface area per residue buried at each interface (total buried area divided by total number of residues). Dashed lines, cutoffs to classify peptides as contributing to IF1 (orange) or IF2 (yellow). e, F, Correlation between change in deuterium uptake and burial of surface area at IF1 or IF2. Each point is one of 47 peptides, plotted according to the normalized difference in deuterium uptake between concentrations at which monomer or dimer predominates (0.67 or 75 μM, normalized by uptake at 75 μM) and average buried surface area at IF1 or IF2. R, Pearson correlation coefficient. g, Permutation test to evaluate the difference in deuterium uptake at two time points by peptides containing IF1 versus all other peptides (orange), or IF2 versus all other peptides (yellow). To avoid non-independence, the experimental data were reduced to a set of nonoverlapping peptides by sampling without replacement. Peptides were categorized by whether they contained residues at IF1, IF2, or neither peptides that contributed to both IFs were excluded. For each interface, the mean uptake by peptides contributing to the interface was calculated, as was the mean uptake by peptides not in that category, and the difference in means was recorded. Peptide assignment to categories was then randomized, and the difference in mean uptake recorded this permutation process was repeated until all possible randomized assignment schemes for those peptides had been sampled once. P value, fraction of permuted assignment schemes with a difference in mean uptake between categories greater than or equal to that from the true scheme. This process was repeated for 1,000 nonoverlapping peptide sets the histogram shows the frequency of P values across these sets. Dashed line, P = 0.05.

Extended Data Fig. 7 Dissection of IF1 and IF2 by HDX-MS and mutagenesis.

ein, B, Peptides with residues contributing to IF1 (ein) or IF2 (B) that have the largest relative uptake difference upon dimerization are shown as purple tubes. Sticks, side chains predicted to contact the other subunit (orange surface, IF1 yellow surface, IF2). Side chains are coloured orange (IF1) or yellow (IF2) if they were substituted between AncMH and Ancα/β purple, unchanged in that interval green, site for targeted mutation P127 blue, Q40. Circled numbers show the rank of each peptide among all peptides for the normalized difference in deuterium uptake between monomer and dimer conditions. Homology models of the Ancα/β dimer using half-tetramers of human Hb (1A3N) are shown. In ein, the dimer is modelled using the α1/β1 subunits in B, it is modelled on the α1/β2 subunits. C, D, nMS of interface mutants Q40R (at IF2) and P127R (at IF1) and for mutants IF1rev and IF2rev, in which interface residues in Ancα/β were reverted to their states in AncMH. All assays at 20 μM. Stoichiometries and charge states are labelled. Unhaemed peak series due to haem ejection during nMS is labelled. Spectra were collected once.

Extended Data Fig. 8 Alternative methods to normalize deuterium uptake.

ein, Deuterium uptake difference between monomer (0.67 μM) and dimer (75 μM) at each time point was normalized by the length of each peptide. Peptides were categorized by the interface to which they contribute, as in Fig. 2c. *Interface peptide sets that show significantly increased uptake upon dilution when compared to peptides outside of that interface, as determined by a permutation test (see Extended Data Fig. 6). Each point shows the mean ± s.e. from three replicates. B, Permutation test to evaluate the difference in deuterium uptake at 60 min by peptides at each interface, when uptake difference per peptide is normalized by length (as described in Extended Data Fig. 6g). Orange, peptides with IF1-containing residues versus those with no IF1 residues. Yellow, IF2-containing peptides versus those with no IF2 residues. Dashed line, P = 0.05. C, D, Average deuterium uptake difference per residue (C) and uptake difference normalized by dimer uptake (D) for peptides at different time points. Orange, IF1 sites yellow, IF2 sites. Each rectangle shows the position of the peptide in the linear sequence and its uptake (mean of three replicates).

Extended Data Fig. 9 Effect of interface-disrupting mutations on Ancα/β.

ein, B, SEC of mutants at IF2 (Q40R and IF2rev, which reverts all substitutions that occurred between AncMH and Ancα/β at IF2 sites) and at IF1 (P127R and IF1rev) at 100 μM. Dashed line, elution peak volume for Ancα/β. C, Circular dichroism spectra for P127R and Ancα/β, showing comparable helical structure. D, SEC from IF1 mutant V119A at 64 μM, compared to Ancα/β. e, nMS of Ancα/β, P127R and IF1rev at 10 μM. Stoichiometries and charges are shown. Zum einD, nMS and SEC experiments were performed once per concentration. F, Normalized deuterium uptake by IF1-containing peptide 106–111 in HDX-MS of Ancα/β (75 μM) and mutants P127R (2 μM) and IF1rev (2 μM). Mean ± s.e. of three replicates. g, h, Difference between deuterium uptake by each peptide in Ancα/β and uptake by the same peptide in IF1 mutants P127R (g) and IF1rev (h), both at 2 μM, normalized by uptake in Ancα/β. Peptides are classified by interface category. Mean ± s.e. of three replicates. *Peptide sets that have significantly increased relative uptake (by permutation test, see Extended Data Fig. 6) compared to all other peptides (peptides containing both IF1 and IF2 residues excluded).

Extended Data Fig. 10 Genetic mechanisms of tetramer evolution.

ein, C, SEC of Ancα/β containing sets of historical substitutions, when coexpressed and purified with Ancα. Dashed lines, elution volumes of known stoichiometries (4-mer, Ancα + Ancβ 2-mer, Ancα/β monomer, human myoglobin). Pie charts, relative proportions of α (pink) and α/β mutant (purple) subunits in fractions corresponding to each peak, as determined by high-resolution MS (Extended Data Fig. 11). B, nMS of tetrameric fraction in ein at 20 μM (monomer concentration). *Apparent impurity. Zusammen, ein und B show that tetramers formed by coexpression of Ancα/β4 + Ancα incorporate virtually no α-subunits. Occupancy from this experiment is shown in Fig. 3b. D, F, nMS of unfractionated purified protein complexes of Ancα/β5 + α and Ancα/β14 + α at 20 μM. Charge series, stoichiometries indicated. Red arrows, peaks isolated for further characterization by tandem MS (Extended Data Fig. 11). e, Homology model of Ancα/β14 + α using Human Hb (1A3N) as template. Yellow and cyan sticks, Ancβ-lineage substitutions on IF2 orange sticks, Ancβ substitutions on IF1 yellow surface, αIF2 orange surface, αIF1 green, five β substitutions close to the interfaces included in Ancα/β14 + α. g, nMS of Ancα/β2 across concentrations. Charge series and stoichiometries indicated. h, Similarity between interfaces in Ancα/β14 + Ancα homology model and X-ray crystal structure of Human Hb. Venn diagrams show sites buried at IF1 and IF2 in one or both structures. Small circle, number of shared interface sites with identical amino acid state. ich, Hydrogen-bond contacts at interfaces in Ancα/β14 + α homology model are also found in X-ray crystal structures of extant haemoglobins. Residue pairs hydrogen-bonded in Ancα/β14 + α IF2 (yellow) and IF1 (orange) are listed +also present in crystal structure *interactions discussed in the main text. PDB identifiers are shown. J, Oxygen equilibrium curves of Ancα/β14 + α, Ancα/β4, Ancα/β2. All experiments were performed once per concentration. Lines, best-fit curves by nonlinear regression.

Extended Data Fig. 11 Stoichiometric characterization of Ancα/β containing historical substitutions.

ein, SEC of Ancα/β5. Circles show stoichiometry associated with each peak’s elution volume. B, High-resolution accuracy mass spectrometry (HRA-MS) of Ancα/β5 + α. Purple circles, peaks associated with Ancα/β5 pink, Ancα. C, HRA-MS of tetramer-containing SEC fraction of Ancα/β4 + Ancα. D, HRA-MS of monomer-containing SEC fraction of Ancα/β4 + Ancα. *922 m/z calibration reference standard. e, HRA-MS of Ancα/β9 + Ancα. F, nMS of tetramer-containing SEC fraction of Ancα/β4 + Ancα (Fig. 3a, b). Black circle, most abundant peak used for tandem MS. g, Tandem MS of isolated most-abundant peak in F, showing trimer-containing peaks. Charge states and number of haems (h) in the 8+ peak are indicated. h, Monomer-containing (M) peaks. ichk, nMS (ich) and tandem MS (J, k) of Ancα/β14 + Ancα (Fig. 3f) as in Fh. ln, nMS and tandem MS of Ancα/β5 + Ancα (Fig. 3c, d) as in Fh. Black dots in n mark charge species produced by cleavage of Ancα/β5. All experiments were performed once.


Difference Between Haemoglobin and Iron

It is always considered that iron is only found in the blood, especially the erythrocytes. Though majority of Iron does circulate in the blood as a part of the haemoglobin protein, iron and haemoglobin are two separate entities. Iron is also found in other parts of the body. Let us look at the difference between the two.

Haemoglobin – The oxygen carrier

Haemoglobin is the protein that imparts the red colour to the red blood cells circulating in the blood. Combination of haem protein and iron molecule forms the haemoglobin protein molecule. The main function of haemoglobin is to carry oxygen from the lungs to the rest of the body tissues and to bring back carbon di oxide from the rest of the body back to the lungs so as to remove it through exhalation.

Normal haemoglobin levels are around 12-14 gm% in women and 14-16 gm% in men. Haemoglobin levels lower than this indicates that the person is in a state of anaemia. The patient is advised to increase the haemoglobin levels by increasing the intake of iron and vitamin C through diet and supplements. Extremely severe cases of anaemia are treated through blood transfusion.

Anaemia usually occurs after heavy blood loss. Gastrointestinal blood loss is a common cause of anaemia in men and post-menopausal women. Genitourinary loss is the main cause of anaemia in women of reproductive age group.

Iron is an important macronutrient required by the human body. Around 70 percent of the iron is found in the blood as a part of the haemoglobin molecule. The total iron in the body is approximately 3.9g, of which 2.5g is a part of haemoglobin, 500mg is stored in the heart and 250 mg is stored in the liver. The bone marrow holds another 150mg of iron. Myoglobin or the enzymes present in the muscles contains 300mg of iron. The other enzymes present in the body make up the remaining 150 mg. The plasma also carries 5 mg of iron bounded to transferrin protein. This distribution of iron shows how important Iron is for various respiratory and metabolic activities. Apart from this it also plays a vital role in collagen synthesis and formation of neurotransmitters. Body immunity also depends on iron levels as it dictates the haemoglobin levels.

The iron stored in the body is in the form of ferritin that circulates in the blood. There is difference in iron stores in men and women with men having around 1000 mg of stores iron and women having 300 mg. Minimum daily requirement of iron is around 1.8 mg out of which only 10-30 percent is actually absorbed. To maximize the absorption of iron it is advised to increase the intake of Vitamin C. If a diet deficient in iron is consumed over a prolonged period (or prolonged starvation) it may lead to depletion of the iron stores in the body causing iron deficiency anemia.

To summarize Iron is an important constituent of our diet as it combines with many important molecules in the body and aids in cellular respiration and metabolism. Deficiency of iron can lower the Hemoglobin levels causing reduced oxygen transport to the body tissues. This puts the body in a state of fatigue and low energy levels.


The Interworkings of the Calvin Cycle

In plants, carbon dioxide (CO2) enters the chloroplast through the stomata and diffuses into the stroma of the chloroplast—the site of the Calvin cycle reactions where sugar is synthesized. The reactions are named after the scientist who discovered them, and reference the fact that the reactions function as a cycle. Others call it the Calvin-Benson cycle to include the name of another scientist involved in its discovery (Figure 5.14).

Figure 5.14 Light-dependent reactions harness energy from the sun to produce ATP and NADPH. Diese energietragenden Moleküle wandern in das Stroma, wo die Calvin-Zyklus-Reaktionen stattfinden.

The Calvin cycle reactions (Figure 5.15) can be organized into three basic stages: fixation, reduction, and regeneration. In the stroma, in addition to CO2, two other chemicals are present to initiate the Calvin cycle: an enzyme abbreviated RuBisCO, and the molecule ribulose bisphosphate (RuBP). RuBP hat an jedem Ende fünf Kohlenstoffatome und eine Phosphatgruppe.

RuBisCO katalysiert eine Reaktion zwischen CO2 and RuBP, which forms a six-carbon compound that is immediately converted into two three-carbon compounds. Dieser Vorgang wird als Kohlenstofffixierung bezeichnet, da CO2 is “fixed” from its inorganic form into organic molecules.

ATP und NADPH verwenden ihre gespeicherte Energie, um die Drei-Kohlenstoff-Verbindung, 3-PGA, in eine andere Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens G3P umzuwandeln. Diese Art von Reaktion wird als Reduktionsreaktion bezeichnet, da sie die Aufnahme von Elektronen beinhaltet. Eine Reduktion ist die Aufnahme eines Elektrons durch ein Atom oder Molekül. The molecules of ADP and NAD + , resulting from the reduction reaction, return to the light-dependent reactions to be re-energized.

One of the G3P molecules leaves the Calvin cycle to contribute to the formation of the carbohydrate molecule, which is commonly glucose (C6h12Ö6). Da das Kohlenhydratmolekül sechs Kohlenstoffatome hat, dauert es sechs Umdrehungen des Calvin-Zyklus, um ein Kohlenhydratmolekül herzustellen (eines für jedes fixierte Kohlendioxidmolekül). Die verbleibenden G3P-Moleküle regenerieren RuBP, wodurch sich das System auf den Schritt der Kohlenstofffixierung vorbereiten kann. ATP wird auch bei der Regeneration von RuBP verwendet.

Figure 5.15 The Calvin cycle has three stages. In Stufe 1 baut das Enzym RuBisCO Kohlendioxid in ein organisches Molekül ein. In Stufe 2 wird das organische Molekül reduziert. In Stufe 3 wird RuBP, das Molekül, das den Zyklus startet, regeneriert, damit der Zyklus fortgesetzt werden kann.

In summary, it takes six turns of the Calvin cycle to fix six carbon atoms from CO2. These six turns require energy input from 12 ATP molecules and 12 NADPH molecules in the reduction step and 6 ATP molecules in the regeneration step.


Diskussion

Among 31,906 singleton pregnancies, 4% of women had Hb <110 g/L and 10% had Hb 140+ g/L at ≤20 weeks of pregnancy. Our results suggest that both low and high Hb at ≤20 weeks are associated with adverse outcomes at the time of birth, in a U-shaped relationship that rises on either side of the lowest risk point at 120–129 g/L. The association between the low Hb and adverse outcomes was relatively stronger than that between high Hb and adverse outcomes. Only transfusion had a linear relationship, with risk increasing with lower Hb and decreasing with higher Hb. The U-shaped relationship between Hb and adverse outcomes that we found has also been shown in a study in Peru in both high and low altitude pregnancies. [22]

Of the women with a low Hb at ≤20 weeks, almost 40% had their Hb restored in the second half of pregnancy. Restoration of Hb did not appear to change risk of PPH, preterm birth, SGA or a composite indicator including transfer to higher care, stillbirth and very low birthweight, but did lower the risk of postpartum transfusion. These data are consistent with a review of trial data suggesting iron supplementation improved Hb levels in pregnant women but did not conclusively improve pregnancy outcomes.[23] The reasons why improvements in Hb do not translate into improved perinatal outcomes require further study. There may be a critical window for the impact of low Hb on outcomes, or the low Hb may be a symptom of an underlying condition that is itself the cause of the poor outcome. Another possibility is that restoring Hb does in fact improve some outcomes, but not those specifically measured in our study.

The higher rate of PPH demonstrated in the low compared with normal Hb groups is in line with previous evidence suggesting anaemia is associated with a higher risk of PPH.[24, 25] Women with high antenatal Hb also had a slightly higher PPH rate than those with normal Hb (although not significantly so), but were less likely to be transfused than those with low Hb, which may have been due to better iron reserves or the treating clinicians being more willing to tolerate blood loss before deciding to transfuse. We also found a significantly higher risk of adverse outcomes such as preterm birth, very low birthweight and transfer to higher care or stillbirth for those with high Hb result, as has been found in other studies,[26, 27] possibly due to inadequate plasma volume expansion, or the impaired response to inflammation and infection,[5, 26] or possibly due to high Hb levels before pregnancy.

Antepartum haemorrhage and abnormal placenta site can cause anaemia and are also associated with adverse pregnancy outcomes.[28, 29] These factors were adjusted for in our analysis, but were also unlikely to have influenced anaemia in the first 20 weeks of pregnancy, as bleeding due to these factors usually occurs later in the pregnancy.

Australian data on the prevalence of anaemia in pregnancy is limited. Our estimate of low Hb (4%) was similar to a 2015 South Australian estimate of women with anaemia in pregnancy (6.6%).[30] International studies have found much higher rates of maternal anaemia with a global estimate of 38% in 2011.[31] The high proportion of women with a history of iron-deficiency anaemia in our population (15%), particularly in the low Hb group, suggest there may have been opportunities to correct low Hb due to iron deficiency before the pregnancy.

We were able to obtain Hb results for a large cohort of pregnant women and examine outcomes by Hb levels at ≤20 weeks gestation. However, limitations of these data were that only Hb results that were manually entered in birth data by midwives or were obtained from in-hospital pathology laboratories (at Royal North Shore) or in-hospital or linked pathology laboratories (at Westmead) were available. This meant there were 13% of pregnant women (n = 4621) who did not have a valid Hb result in the first 20 weeks of pregnancy. These women were broadly similar to those in the final study population, though. Also, we did not know the cause of the low Hb or what measures were taken to restore Hb, and could only infer treatment based on changes in Hb results. From a previous survey, and clinical experience, we assume that a majority of women were taking supplemental iron, either as part of a multivitamin or in an iron-only supplement,[32] but without information on which supplements, and how much iron they contained, collected in the database, we were unable to examine how this impacted on Hb or outcomes. The country of birth results suggest that some thalassaemia/sickle cell anaemia cases may have been missed, as these conditions are more common in Africa and the Middle East, where the low Hb women were more likely to be born.


Schlussfolgerungen

The high-speed development of biological techniques such as next generation sequencing has greatly improved efficiency of cancer prediction and disease diagnosis. However, intricate phenotype ontology and high genetic heterogeneity have stunted further improvement of disease identification. As an useful and powerful tool, HPO-based phenotype semantic similarity could fill this gap and accelerate the disease diagnosis effectively. In this paper, we proposed an unique and novel phenotype similarity measurement, called DisPheno, which integrates multiple types of information: hierarchical structure, phenotype term annotation and text description. Compared with existing five state-of-art methods on the optimal and noisy datasets, our method performs much better than the others. Zusammenfassend, DisPheno accelerates the efficiency of disease identification significantly and it also shows greatly potentiality in practical clinical studies.


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