Dipartimento di Biochimica e Biofisica F. Cedrangolo Emoglobina ed introduzione alle emoglobinopatie.

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Viviana Gentile
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1 Dipartimento di Biochimica e Biofisica F. Cedrangolo Emoglobina ed introduzione alle emoglobinopatie.

2 Trasportatori di Ossigeno nei Vertebrati Mioglobina Emoglobina Muscoli Sangue

3 L Emoglobina (Hb) Struttura tetramerica: quattro catene polipeptidiche (α 2 β 2 ) tenute insieme da legami non covalenti. eme eme eme eme Ogni catena contiene un gruppo prostetico Eme

4 Il Gruppo Eme Protoporfirina IX (parte organica): - Anello tetrapirrolico Ferro (parte inorganica): - legame ai 4 atomi di N al centro dell anello - formazione di legami addizionali: quinta e sesta posizione di coordinazione

5 Ferroemoglobina Fe++ (ferroso) Ferriemoglobina (o metaemoglobina) Fe+++ (ferrico) Solo la FERROEMOGLOBINA è in grado di legare l ossigeno!!

6 (1936) Max Perutz: delucidazione della struttura tridimensionale dell emoglobina (1959) Max Perutz: ottenimento di un immagine della densità elettronica dell emoglobina di cavallo (anni successivi): mappe ad alta risoluzione di mioglobina ed emoglobina umana.

della densità elettronica dell emoglobina di cavallo (anni

7 L analisi della struttura tridimensionale ha evidenziato che 1) la molecola dell emoglobina è quasi sferica 2) le 4 catene polipetidiche sono molto vicine tra loro 3) i 4 gruppi eme sono localizzati all interno di cavità specifiche della struttura proteica 4) i 4 siti di legame per l ossigeno sono abbastanza lontani tra loro 5) ogni catena α è in contatto con entrambe le catene β, mentre esistono pochissime interazioni tra le due catene α e le due catene β

specifiche della struttura proteica 4) i 4 siti di legame per l ossigeno sono abbastanza lontani tra loro 5) ogni

8 Avvolgimento globinico L avvolgimento globinico è comune a tutti i trasportatori di ossigeno. Duplicazione genica o processi di diversificazione

9 Residui altamente conservati Posizione AA Ruolo F8 Hys Ist.prossimale E7 Hys Ist. Distale CD1 Phe Contatti con l eme F4 Leu Contatti con l eme B6 Gly Avvicina le eliche B-E C2 Pro Termine dell elica HC2 Tyr Leg.croc.tra le eliche H-F C4 Thr Incerto H10 Lis Incerto

10 Inoltre L emoglobina è una proteina allosterica capace di legare,oltre all O2, anche H+ e CO2 Il legame con O2 è di tipo cooperativo!! L affinità di legame all O2 dipende da almeno due fattori ph BPG

11 Dipendenza dal ph (H+ - CO2) (EFFETTO BOHR ) Un aumento dell acidità stimola il rilascio dell O2 La presenza di elevati livelli di CO2 ed H+ nei tessuti metabolicamente molto attivi (es. muscoli) determina il rilascio dell O2 dall Hb. La preseza di CO2 nei tessuti altera l'affinità della Hb verso l'o2 in due modi: attraverso un abbassamento del ph, cioè l'effetto Bohr e attraverso la formazione di carbammati dei gruppi N terminali dell'hb.

muscoli) determina il rilascio dell O2 dall Hb.

13 Dipendenza dal BPG (Reinhold e Benesch -1967) Il BPG abbassa di 26 volte l affinità di legame per l O2, legandosi alla deossiemoglobina ma non all emoglobina ossigenata.

14 Il BPG si lega meno saldamente all emoglobina fetale rispetto a quanto si osserva per l emoglobina adulta!!

15 La struttura quaternaria e l ossigenazione (1938) Felix Haurowitz: i cristalli di deossiemoglobina si frantumano se vengono esposti all ossigeno!! Importanti modificazioni conformazionali!!

17 Quali differenze?? - La molecola ossigenata è più compatta (la distanza degli atomi di Fe delle catene β diminuisce) -Modificazioni strutturali a livello dei punti di contatto α1β2 e α2β1 La regione di contatto α1β2 agisce come un intterruttore in grado di innescare ed attivare due strutture alternative dell interfaccia dell emoglobina

catene β diminuisce) -Modificazioni strutturali a livello dei punti di contatto α1β2

18 Modello di Gary Ackers (1999) In assenza di ossigeno l' emoglobina è presente in conformazione a bassa affinità T (deossi); quando una molecola di ossigeno si lega ad una sottounità questa sola modifica la sua struttura terziaria da T a R. Quando in ciascuno dei due dimeri αβ un sito è ossigenato, anche le altre due sottounità libere passano nella conformazione R, per cui si realizza la transizione T > R che riguarda anche la struttura quaternaria (ciò non si realizza se ad essere ossigenati sono le due sottounità dello stesso dimero).

Quando in ciascuno dei due dimeri αβ un sito è ossigenato, anche le altre due sottounità libere passano nella conformazione R, per cui

19 La struttura dell'emoglobina e il legame cooperativo dell'ossigeno La differenza di affinità per l'o2 tra lo stato T e lo stato R può essere compreso in termini di cambiamenti della struttura quaternaria che accompagnano la conversione dalla deossiemoglobina alla ossiemoglobina. Possiamo notare i cambiamenti dalla seguente animazione Gli O2 in rosso legano il Fe in blu.

struttura quaternaria che accompagnano la conversione dalla deossiemoglobina alla

20 Lo spostamento di conformazione si origina dal fatto che nella deossiemoglobina il ferro si trova fuori del piano dell'anello dell'eme.. La vicina Istidina legata al Fe si muoverà anch'essa causando un contemporaneo spostamento dell'elica in cui si trova

21 Questo movimento altera la struttura di ogni subunità che a loro volta cambiano le interazioni tra le subunità nell'interfaccia. Questo infine porta al cambiamento di conformazione dalla deossi alla ossiemoglobina.

22 Nell uomo adulto: Hb A (α2β2) è la principale emoglobina Hb A2 (α2δ2) rappresenta il 2% dell emoglobina totale Durante lo sviluppo embrionale: - Hb fetale (Hb F) (α2γ2) α = 141 aa; β-δ-γ = 146 aa

23 Profilo di espressione dei geni dell emoglobina durante lo sviluppo embrionale. 1) Espressione dei geni per le catene z (α-simili) e per le catene ε (βsimili) 2) Durante lo svulippo embrionale: le catene z sono sostituite dalle α e le catene ε prima sono sostituite dalle γ e poi dalle β L HbF ha un affinità di legame per l ossigeno maggiore dell HbA: ottimizzazione del trasferimento di O2 dal circolo materno a quello fetale.

24 Composizione delle emoglobine presenti nell'embrione umano, nel feto umano e nell'individuo adulto Durante lo sviluppo embrionale si verificano degli switches di espressione genica. Il primo cambiamento avviene dopo 5 settimane di gestazione; il secondo avviene in periodo peri-natale. Responsabile del cambiamento del tipo di globine prodotte è una graduale sostituzione di cellule eritropoietiche predeterminate alla biosintesi di tipi definiti di globina con altre, provenienti da compartimenti differenti.

25 α ε ξ γ β δ prenatale nascita 3 mesi 6 mesi ξ2ε2 Gower 1 Gower 2 α2ε2 Portland HbH Hb Barts ξ2γ2 β4 γ4 HbA: α2β2 95% HbA1c: α2β2(glic) 3% HbA2: α2δ2 2% HbF: α2γ2 <1%

26 Organizzazione dei geni delle globine

27 I geni delle globine I geni globinici di tipo beta nell'uomo sono sette, cinque funzionali (epsilon, due geni gamma, delta e beta) e due pseudogeni (pseudogene epsilon, o pseudo-beta2 e pseudogene pseudo-beta1). L'espressione coordinata dei geni per le globine necessita dell'attività della regione LCR (Locus Control Region). I geni per le globine di tipo alfa sono localizzati in un raggruppamento della dimensione di circa 25 Kb posizionato sul cromosoma 16.

28 Varianti dell'emoglobina Esistono centinaia di diverse emoglobine mutanti in tutta la popolazione umana. Molte di queste forme mutanti sono dannose e danno origine a patologie. Altre sono"neutre" e non sembra arrechino ai portatori nèvantaggi nè svantaggi. La maggior parte delle mutazioni patologiche sono situate nella tasca idrofobica e nella regione di contatto α-β

29 Classificazione dell emoglobinopatie: alterazioni strutturali dell Hb: anomala polimerizzazione Hb (HbS) anomala cristallizzazione Hb (HbC) emoglobine instabili emoglobine con affinita per l O2 (policitemia); emoglobine con affinita per l O2 (cianosi); difetti quantitativi nella produzione delle catene globiniche α-talassemia β-talassemia δβ-talassemia, γδβ-talassemia, αβ-talasemia persistenza di Hb fetale (HbF) pancellulare eterocellulare emoglobinopatie acquisite meta-emoglobinemia sulfo-emoglobinemia carbossi-emoglobinemia incremento HbF (chemioterapia, ripresa midollare, mielodisplasie)

30 Prossima lezione: Mercoledi 7 giugno 2006 Ore 15:30

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