PROTEINE RESPIRATORIE DEI VERTEBRATI EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

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1 PROTEINE RESPIRATORIE DEI VERTEBRATI EMOGLOBINA E MIOGLOBINA Svolgono la loro funzione legando reversibilmente l OSSIGENO. Aumentano la solubilità dell ossigeno nel plasma, da 3ml/L a 220 ml/l. La mioglobina (monomerica) è responsabile del rifornimento di ossigeno nel tessuto muscolare L emoglobina (tetramerica) trasporta ossigeno nel sangue Essenziale per la loro funzione è il legame con un gruppo prostetico: Il gruppo EME in cui è presente lo ione ferroso Fe 2+ che funziona da sito di legame per l O 2 La mioglobina e l emoglobina sono proteine coniugate

2 GRUPPO EME 4 anelli pirrolici uniti da ponti metilenici (protoporfirina IX), struttura coniugata e planare che coordina il FERRO nello stato ferroso - Fe(II) (Fe 2+ )- Esso è coordinato dai 4 atomi di azoto dell anello tetrapirrolico

3 Mioglobina: 1 catena globinica composta da 8 α-eliche (indicate con le lettere da A a H) unite da segmenti di interconnessione (anse e curve) His-93 (F8) His-64 (E7) Parte interna: quasi solo residui amminoacidici idrofobici (Val, Leu, Iso, Phe, Met) che formano la tasca del Gruppo EME. L EME è legato alla proteina attraverso: interazioni idrofobiche, contatti di van der Waals e legami idrogeno Il gruppo EME è bloccato nella tasca idrofobica, che impedendo l ingresso di molecole d H 2 O protegge il Fe 2+ dall ossidazione irreversibile.

4 Oltre ai 4 atomi di azoto dell anello tetrapirrolico, lo ione Fe 2+ forma altri 2 legami di coordinazione Con l ossigeno molecolare (O 2 ) Con l istidina prossimale (His93; F8) J. M. Berg et al. BIOCHIMICA 7/E Zanichelli editore S.p.a Copyright 2012 Piano dell anello porfirinico L interazione tra Ferro e Ossigeno è descritta dalla combinazione di 2 strutture di risonanza

5 La formazione e il rilascio dell anione superossido è impedito da un LEGAME H fra l O 2 e l Histidina DISTALE (His64, E7). Questo legame impedisce anche l ossidazione dello ione Fe 2+ a Fe 3+ Lo ione ferrico Fe 3+ non è in grado di legare ossigeno molecolare (Meta-Mb o Meta-Hb) Val Le catene laterali non polari di Val-68 e Phe-43 aiutano a mantenere l EME in posizione His distale Phe Il legame H fra O 2 e His-64 assicura che l interazione O 2 /Fe 2+ sia reversibile, abbassa l affinità dell eme per il suo ligando His prossimale

6 All interno degli eritrociti la formazione di meta-emoglobina può avvenire a causa della presenza di agenti ossidanti (anione superossido, idroperossidi, che si originano spontaneamente in presenza di alte concentrazioni di O 2 ). Il livello di meta-hb è controllato dal sistema glutationeperossidasi/glutatione-reduttasi che mantiene la cellula in uno stato riducente SH +

7 La tasca dell EME può accogliere anche altre piccole molecole: CΞO (monossido di carbonio) il CΞO lega il Fe 2+ dell EME con un affinità molto maggiore rispetto all O 2 (CO e Fe 2+ sono perfettamente allineati). Intossicazione da CΞO è dovuta al fatto che il monossido di carbonio blocca i siti di legame per l ossigeno nell emoglobina rendendola nonfunzionale. Si blocca la respirazione O III C Il legame è molto forte ma reversibile, il CΞO può essere rilasciato in condizioni di alte pressioni di O 2 (camera iperbarica)

8 Il legame ossigeno/mb o ossigeno/hb è reversibile e può essere quantificato: se considero una data concentrazione di Mb (o Hb) la % di proteina ossigenata (legata all ossigeno) varia al variare della concentrazione di ossigeno fornito alla proteina. Mb + O 2 MbO 2 K diss La Mioglobina ha 1 gruppo EME, 1 sito di legame per l O 2. La frazione molare dei siti di Mb effettivamente occupati dall O 2 sarà uguale a: Y = [MbO 2 ] [MbO 2 ] + [Mb] LA FRAZIONE DI SATURAZIONE DIPENDE DA: 1) dalla concentrazione del ligando [O 2 ] che si esprime come po 2 2) dall affinità che la proteina ha per il suo ligando, cioè dalla costante di dissociazione (K diss ) del complesso MbO 2 Frazione di saturazione: quanta Mb è legata all ossigeno rispetto alla Mb totale, si esprime come frazione o %. K diss = [Mb] [O 2 ] [MbO 2 ]

9 La relazione esistente fra Y, po 2 e K diss è: Eq. di HILL Y = po 2 K diss = p50 Y = po 2 K diss + po 2 p50 + po 2 Quando Y = 0.5 (cioè 50% della Mb è ossigenata) la K diss = po 2 (è uguale a quel valore di po 2 che ossigena il 50% di Mb, e la definiamo p50) Il grado di ossigenazione della Mb si può rappresentare graficamente con il grafico di ossigenazione: Frazione di saturazione (Y) in funzione di po 2, la curva che si ottiene è un iperbole

10 Tutti i siti di legame della Mb sono OCCUPATI O 2 Y = [MbO 2 ] [MbO 2 ] + [Mb] Y O 2 O 2 Tutti i siti di legame della Mb sono LIBERI 4 Pressione parziale di O 2 O 2 QUANDO SI MISURA la FRAZIONE di SATURAZIONE (Y) della Mb a DIVERSE po 2 si OTTIENE UNA CURVA di LEGAME o OSSIGENAZIONE IPERBOLICA La po 2 necessaria a saturare al 50% i siti di legame della Mb (metà dei gruppi EME sono legati all O 2 ) è 4 mm Hg (p50), la Mb ha una grande affinità per l O 2

11 La p50 è il parametro che misura l AFFINITA di una emoproteina per il suo ligando (l OSSIGENO). Più è grande il valore della p50 più è grande la K diss e quindi minore l affinità dell emoproteina per l O 2 p50 della mioglobina è ~ 4 mmhg, la sua affinità per l O 2 è molto elevata È una caratteristica necessaria affinchè Mb sia funzionale: DEVE ESTRARRE O 2 DAL SANGUE E ACCUMULARLO NEL TESSUTO MUSCOLARE Nelle cellule muscolari metabolicamente attive: si consuma O 2 : la po 2 cellulare diminuisce la Mb rilascia l ossigeno che aveva legato. Fase di deossigenazione Y po 2 nei capillari ~ 30 mmhg Nelle cellule muscolari a riposo: minore consumo di O 2 : la po 2 intracellulare aumenta in equilibrio con quella del sangue capillare Mb è quasi satura: accumula O 2 Fase di ossigenazione