Emoglobina e mioglobinaEmoglobina e mioglobina

L’emoglobina e la mioglobina proteine centrali per l’evoluzione

• La transizione dalla vita anaerobica a quella aerobica rappresenta un passo fondamentale dell'evoluzione perchè ha permesso di sfruttare la grande quantità di energia ancora contenuta nei prodotti terminali della glicolisi .

• Per rifornire i tessuti di un adeguato flusso di ossigeno, i vertebrati, hanno sviluppato un sistema circolatorio ch e per diffusione scambia i gas con le cellule, e attravers o l'uso di proteine trasportatrici di ossigeno (emoglobina e miogl obina) sopperisce alla limitazione imposta dalla bassa solu bilitàdell'ossigeno in acqua.

• La mioglobina , localizzata nel tessuto muscolare, funge da riserva di ossigeno , l'emoglobina , contenuta nei globuli rossi del sangue, trasporta l'ossigeno dai polmoni ai tessuti e, in senso opposto, CO2 e H+, prodotti dalla respirazione tissutale.

L’O2 è poco solubile in acqua:non diffonde efficientemente nei sistemi biologici; però attraversa le membrane cellulari.

- Se l’O2 fosse trasportato alle cellule per semplice diffusione, la dimensione massima di un organismo aerobio sarebbe di 1 mm.- In presenza di O 2 si estrae 18 volte più Energia che in sua assenza.- La mioglobina serve da riserva di O 2 permette il movimento dell’O 2 dalla superficie della cellula al mitocondrio.- L’Hb contenuta nei globuli rossi incrementa da 5 ml a 250 ml (50 volte) la capacità di trasporto dell’O 2 di un litro di sangue.

ml di O 2 consumato/minriposo lavoro

muscoli scheletrici 260 6000cuore 9 347

Per poter parlare in modo comprensibile dell’ emoglobina (Hb), è utile occuparsi prima della mioglobina (Mb) che è molto simile all’emoglobina ma è molto più sempl ice. Tra emoglobina e

mioglobina ci sono stringenti relazioni di parentel a: entrambe sono proteine coniugate ed il loro gruppo prostetico (parte non proteica) è il gru ppo eme.

• La mioglobina è una proteina tipica dei muscoli (ma non si trova solo nei muscoli).

• La mioglobina per scopi sperimentali si estrae dal capodoglio in cui è presente in gran quantità e poi v iene

purificata .

• La mioglobina lega in maniera reversibile l’ossigeno ed è presente nei tessuti periferici in percentuale tanto maggiore quanto più quel tessuto è abituato a lavorar e con approvigionamenti di ossigeno distanti nel tempo .

•Il gruppo eme è un gruppo cromoforo (assorbe nel visibile) ed è il gruppo funzionale della mioglobina.• La mioglobina:

proteina globulare, singolacatena, circa 150aa, pesomolecolare circa 18 KD. E’ dotata di un gruppo eme inserito in una porzione idrofobica (o lipofila) della proteina (tasca idrofobica).

• E’ composta da 8 segmenti adα-elica, gli aa più rappresentati sono: leucina, valina, metionina e fenilalanina (non polari), i residui polari (acido aspartico, glutammico, lisina e arginina) sono praticamente assenti; gli unici residui polari sono due istidine, indispensabili per l’attacco dell’ossigeno al gruppo eme.

H

A

B

C

D

E

F

G

A partire dal 1936 Max Perutz si dedicò all'analisi strutturale di cristalli diemoglobina tramite diffrazione dei raggi X. Nel 1968 risolse la struttura dellametemoglobina (Perutz et al., 1968) e due anni più tardi quella delladeossiemoglobina mostrando come il legame dell'ossigeno alteri drasticamente laconformazione dell'emoglobina (Bolton & Perutz, 1970).

Ciascuna catena mioglobinica e.

.

• L’emoglobina ha molte analogie strutturali con la mioglobina ed è in grado di legare l’ossigeno molecolare in modo reversibile; ma, mentre la mioglobina è confinata nei muscoli e nei tessuti periferici in generale, l’emoglobina si trova negli eritrociti o globuli rossi (pseudocellule che non hanno nucleo nè mitocondri) che costituiscono il 40 % del sangue.

• Il lavoro dell’emoglobina è quello di prelevare ossigeno nei polmoni, rilasciarlo nelle cellule che ne hannobisogno, prelevare parte dell’anidride carbonica e rilasciarla nel polmoni, dove il ciclo ricomincia. La mioglobina trasferisce l’O2 all’interno del citosol.

- E’ un tetramero, 4 sub. 2- α e 2-β(141 e 146 aa rispettivamente).- è la 1^per cui è stata identificata una patologia molecolare;-E’ la 1^ in cui è stata definita la struttura utilizzando la diffrazione ai raggi X.

EMOGLOBINA

La cooperatività del suo legame all’O 2 ha fornito un modello per la comprensione di molte regolazioni enzimatiche

Un po ’ di chimicaL'eme è un anello tetrapirrolico (protoporfirina) presenta:

- quattro anelli pirrolici tenuti insieme da gruppi metilenici (-CH=);- due gruppi vinilici (CH2=CH),- quattro gruppi metilici (-CH3) e - due propionici (-CH2-CH2-COO-).

Il legame tra protoporfirina e Fe +2 è un legame tipico dei composti detti di coordinazione [composti chimici in cui un atomo ( o ione) centrale, forma dei legami con altre specie chimiche in numer o superiore al suo numero di ossidazione (carica elettrica)].

Nel caso dell’eme, tali legami sono reversibili e deboli.Il numero di coordinazione (numero di legami di coordinazione) del Fe+2 èsei: ci possono essere sei molecole attorno al ferro che mettono in condivisione gli elettroni di legame. Per formare un composto di coordinazione, ci vogliono due orbitali con orientamento corretto: uno in grado di "acquistare" elettroni e l’altro in grado di donarli

Ferrochetalase

Fe+2

propionici

vinilici

metilici

1

3

2

4

Ponti metilenici

1 2

34

Il ferro nell’eme Nell’eme, il ferro forma:

- quattro legami planari con i quattro atomi di azoto che si trovano al centro dell’anello della proto-porfirina ed

- un quinto legame con un azoto dell’istidina prossimale;

il ferro ha il sesto legame di coordinazione libero e può legarsi all’ossigeno.

Quando il ferro è sottoforma di ione libero, i suoi orbitali di tipo d hanno tutti la stessa energia; nell’eme, lo ione ferro è legato alla protoporfirina e all’istidina che perturbano

magneticamente gli orbitali d del ferro; l’entità della perturbazione sarà diversa per i vari orbitali d a seconda del loro orientamento spaziale e di quella delle specie perturbanti . Dato che l’energia totale degli orbitali deve rimanere costante, la perturbazione causa una separazione energetica tra i vari orbitali: l’energia acquisita da alcuni orbitali, equivale all’energia persa dagli altri.

A rendere più o meno rossa la carne è il contenuto di emoproteine (è l’eme che rende rossa la carne ).

• Le caratteristiche apolari dell'anello tetrapirrolico e dei gruppi laterali, stabilizzano l'eme nella tasca idrofobica formata dalle eliche E ed F

• mentre i residui di acido propionico interagiscono con la superficie idrofilica della subunità.

• L'unico legame covalente tra l'eme e la globina è quello tra l'atomo di ferro e l'azoto imidazolico dell'istidina F8 "istidina prossimale".

Struttura delle sub β a 8 segmenti α dalla A alla H con raccordi a gomito non elicoidali. Le sub α mancano del segmento D.Brevi tratti non elicoidali sono presenti anche al C e N terminali.

Struttura di mioglobina e emoglobina

Fe+2 + O2 Fe+3

Il Fe è protetto dalla gabbia globinica, che esclude l’ac qua e solo un e - vienetrasferito all’O

Gabbia globinica

Posizione del Ferro e relazioni con gli aa che formano la tasca idrofobica

Tasca idrofobica per l’eme

Emoglobina

- L’Hb contenuta nei globuli rossi incrementa da 5 ml a 250 ml (50 volte) la capacità di trasporto dell’O 2 in un litro di sangue.- In presenza di O 2 si estrae 18 volte più Energia che in sua assenza.- La mioglobina serve da riserva di O 2 permette il movimento dell’O 2 dalla superficie della cellula al mitocondrio.- Se l’O2 fosse trasportato alle cellule per semplice diffusione, la dimensione massima di un organismo aerobio sarebbe di 1 mm.

Emoglobina umana alfa2(rosso) beta2 (giallo)

Interazioni tra le catene α e βdell’Emoglobina

• La giustapposizione delle subunità (struttura quaternaria) avviene in modo tale da determinare strette connessioni tra i gruppi laterali delle catene α e β,

• mentre tali connessioni non esistono tra α e α o tra β e β. • La zona di contatto tra α 1 e β 1 è più estesa di quella tra α 1 e β 2 poichè comprende 34 catene laterali rispetto alle 19 coinvolte nel secondo caso.

• La natura di queste interazioni è per la maggior parte di tipo idrofobico, mentre scarsi, ma non meno importanti, sono i legami idrogeno e le interazioni ioniche (ponti salini).

Struttura quasi sferica i suoi assi misurano rispet tivamente 64, 55 e 50 A°

Legame cooperativo• Quando una proteina è funzionalmente attiva, può mutare la

sua forma senza indurre cambi conformazionali nelle proteine vicine; (mioglobina ossigenata non influenza le mioglobine vicine).

• Invece in proteine associate come l’emoglobina: quando una catena si ossigena e cambia la sua forma tale modificazione si ripercuote sulle altre catene del tetrametro.

• le altre catene del tetrametro assumono un "atteggiamento meno ostile" nei riguardi dell’ossigeno: la difficoltà con cui una catena si ossigena diminuisce man mano che le catene ad essa vicine si ossigenano a loro volta. Lo stesso discorso èvalido per la deossigenazione.