Mioglobina ed emoglobina

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2 Mioglobina ed emoglobina α β Muscolo Deposito di O 2 Alta affinità per O 2 β α Globulo rosso Trasporto di O 2 Bassa affinità per O 2 Cooperativa ed allosterica Animali Mb-knockout (2003) : funzionalità praticamente invariata a riposo (meno in ipossia e esercizio)

3 Contenuto di O 2 in 1 litro di: Aria Volume occupato da 1 mole di gas: 22.4 litri (STP) Contenuto di gas in 1 litro di aria: 1/22.4 = moli = 45 millimoli Solo 21% è O 2 = 9.5 millimoli Acqua o plasma Solubilità di O 2 in acqua (α): 1.4 x 10-6 moli/l/mmhg (a 37 C) [O 2 ] = α x po 2 = 1.4 x 10-6 x 150 = moli o 0.21 millimoli Emoglobina (160 g/l, globuli rossi concentrati) PM = 16,000 [Hb ]= 160/16,000 = 10 millimoli 1 molecola di Hb lega 1 molecola di O 2 [O 2 ] = 10 millimoli Sangue (50% plasma + 50% RBC) Plasma: [O 2 ] = 0.21 millimoli Emoglobina: [O 2 ] = 10 millimoli Sangue: [O 2 ] = (0.21 x 0.5) + (10 x 0.5) = = millimoli (2% + 98%) 98% dell O 2 del sangue è legato a Hb, 2% è fisicamente disciolto nel plasma

4 Gruppo eme (1 eme) Max Perutz with his model of haemoglobin and John Kendrew with his model of myoglobin in 1962 (4 emi)

5 IL GRUPPO EME E IL CENTRO REATTIVO Fe-Protoporfirina IX Fe 2+ stato ferroso Fe 3+ stato ferrico

6 Le globine ossidate (metaglobine) sono inattive La forma ossidata si forma quando Fe 2+ Fe 3+ Non si combina con O 2 Reazione lenta in vivo: La globina impedisce l ossidazione dell eme Esistono sistemi riducenti specifici in alcune cellule: NADPH-metHb reduttasi (dipende da glutatione) del globulo rosso riduce il Fe 2+ a Fe 3+

7 4 leg. con N pirroli 1 leg. con N His (prossimale) 1 leg. con O 2 (CO)

8 Le globine ferrose esistono in due forme fisiologicamente attive desossigenata = senza ossigeno legato ossigenata = con ossigeno legato Deossi- Ossi- Colori delle globine Carbossi- Meta-

9 E possibile misurare l affinità delle globine per l ossigeno Mb + O 2 <--> MbO 2 K= [MbO 2 ] / [Mb] [ O 2 ] costante di affinità LA CURVA DI DISSOCIAZIONE DELL OSSIGENO DALLA MIOGLOBINA È UNA IPERBOLE Curva di dissociazione a ph 7.0

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11 LA CURVA DI DISSOCIAZIONE SIGMOIDE INDICA LEGAME COOPERATIVO IL LEGAME DELLA PRIMA MOLECOLA DI OSSIGENO FACILITA IL LEGAME DELLE ALTRE BASI MOLECOLARI??

12 La transizione tra due stati (ad alta e bassa affinità) spiega la forma sigmoide della curva di equilibrio Hb+O 2 Grafico di Hill T R n=2.8 (fisiologico)

13 I DUE STATI DELLA EMOGLOBINA HANNO STRUTTURE DIVERSE Hb desossigenata Hb ossigenata Stato allosterico T O 2 Transizione allosterica Stato allosterico R

14 Il legame con l O 2 causa una rotazione di 15 di una coppia αβ rispetto all altra

15 Il legame di O 2 su una subunità provoca lo spostamento dell elica F Elica F Questo spostamento dell elica F viene trasmesso alla interfaccia tra dimeri della Hb -> transizione allosterica

16 Modello allosterico di Monod- Wyman-Changeaux (MWC) 2 stati: T e R T=bassa affinità per O 2 R=alta affinità per O 2 T favorito a basse tensioni di O 2 R favorito ad alte tensioni di O 2

17 La transizione allosterica T -->R può essere provocata anche da altre piccole molecole oltre al ligando (ossigeno). Queste molecole sono dette effettori allosterici. Sono effettori allosterici fisiologici della emoglobina: 1. Protone (H + ) 2. Anidride carbonica (CO 2 ) 3. Difosfoglicerato (2,3-DPG)

18 EFFETTO BOHR L affinità della emoglobina per l ossigeno diminuisce abbassando il ph A livello dei tessuti: H + fa rilasciare O 2 (lattato) Il protone si lega alla His beta146 Hb-4O 2 + nh + <=> Hb-nH + + 4O 2

19 La transizione allosterica T -->R può essere provocata anche da altre piccole molecole oltre al ligando (ossigeno). Queste molecole sono dette effettori allosterici. Sono effettori allosterici fisiologici della emoglobina: 1. Protone (H + ) 2. Anidride carbonica (CO 2 ) 3. Difosfoglicerato (2,3-DPG)

20 Come si presenta nel sangue la CO 2? Bicarbonato (HCO 3- ) /anidrasi carbonica CO 2 libera Carbammati (CO 2 + N-terminali di Hb) CO 2 e O 2 NON legano lo stesso sito di Hb!

21 Anche la CO 2 abbassa l affinità della Hb per l ossigeno

22 Trasporto gas respiratori e regolazione acido-base sono collegati O 2 O 2

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24 ACIDOSI METABOLICA Diabete mellito (chetoacidosi) Acidosi lattica Diarrea profusa (perdita bicarbonato) ACIDOSI RESPIRATORIA Malattie respiratorie croniche Arresto cardiaco Deformazioni torace Depressione vie respiratorie ALCALOSI METABOLICA Vomito (perdita H + ) Somministrazione bicarbonato ALCALOSI RESPIRATORIA Iperventilazione Malattie polmonari Anemia

25 La transizione allosterica T -->R può essere provocata anche da altre piccole molecole oltre al ligando (ossigeno). Queste molecole sono dette effettori allosterici. Sono effettori allosterici fisiologici della emoglobina: 1. Protone (H + ) 2. Anidride carbonica (CO 2 ) 3. Difosfoglicerato (2,3-DPG)

26 2,3-disfosfoglicerato (DPG) Glucosio 1,3-DPG 2,3-DPG mutasi 2,3-DPG ADP ATP P i Piruvato 3-PG 2-PG Non-eritrociti: micromoli/l Eritrociti: millimoli/l

27 Il DPG stabilizza la forma T dell Hb Hb R Alta affinità per O 2 DPG Hb T Bassa affinità per O 2

28 DPG ED ALTA QUOTA

29 L affinità della Hb per O2 nel sangue è il risultato della azione combinata dei vari effettori

30 Durante lo sviluppo vengono prodotte emoglobine diverse Emoglobina adulto (HbA) = α 2 β 2 Emoglobina fetale (HbF) = α 2 γ 2

31 HbF è meno sensibile alla regolazione allosterica da parte del BPG --> affinità per ossigeno è maggiore di HbA.