degli eritrociti è una proteina di trasporto indispensabile per veicolare l ossigeno l l anidride carbonica tra i polmoni e i tessuti

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2 l emoglobina degli eritrociti è una proteina di trasporto indispensabile per veicolare l ossigeno l e l anidride carbonica tra i polmoni e i tessuti Mioglobina, proteina di deposito,, presente nelle fibrocellule del miocardio e del muscolo scheletrico, ha la funzione di trasferire l ossigeno l della emoglobina del sangue alla citocromo-ossidasi ossidasi mitocondriale. Ha infatti una affinità per l ossigeno l superiore a quella dell emoglobina). emoglobina).

3 Gli organismi superiori necessitano di un sistema di trasporto per l ossigeno,, in quanto tale molecola è scarsamente idrosolubile L emoglobina assolve ad una funzione estremamente importante, contribuisce a mantenere il valore di ph costante in condizioni fisio-patologiche, funzionando quindi anche da sistema tampone

4 L emoglobina dell adulto (HbA( HbA) è un tetramero costituito da 4 catene a due a due uguali (2α e 2β); 2 ogni subunità porta un gruppo eme (gruppo prostetico contenente un nucleo di Ferro bivalente)

5 Legame dell ossigeno all emoglobina Nel sangue intero l emoglobina l è per metà saturata ad una pressione di ossigeno di 26 torr. Le po 2 indicate sono considerate a livello del mare (la po 2 atmosferica a livello del mare è di torr): Per un confronto nella figura è riportata la curva di legame dell ossigeno alla mioglobina. La curva iperbolica tratteggiata si riferisce ad una ipotetica proteina con la stessa p 50 dell emoglobina. emoglobina.

6 Significato fisiologico dell interazione tra emoglobina e O 2 E possibile valutare quantitativamente il significato fisiologico della natura sigmoidale della curva di legame dell emoglobina, emoglobina, o, in altre parole l importanza l fisiologica del fenomeno di cooperatità. L equazione di Hill : y/(1-y) y) = (p0( 2 /p 50 ) n y = frazione dei siti occupati dall ossigeno per Y = 1, tutti i siti sono occupati per Y = 0, nessun sito è occupato n = indice di Hill (indica il grado di sigmoidicità della curva ed il grado di cooperatività a p 50 ). n = 1, per la mioglobina (iperbole, nessuna cooperatività) n = 2.8, per la emoglobina (sigmoide( sigmoide, cooperatività)

7 La saturazione Y è definita come la frazione di siti occupati dall ossigeno. Y = 0 tutti i siti sono vuoti Y = 1 tutti i siti sono occupati 50 = pressione parziale dell ossigeno a cui il 50% dei siti sono occupati. p 50 p 50 per la mioglobina circa 1 torr p 50 per l emoglobina l circa 26 torr La mioglobina ha una affinità per l ossigeno l maggiore di quella della emoglobina. La curva di dissociazione dell ossigeno presenta un andamento iperbolico per la mioglobina e sigmoide per la emoglobina N.B.: Dalle curve prima riportate si desume che se l emoglobina fosse anch essa monomerica,, cederebbe ai tessuti quantità irrilevanti di ossigeno.

8 La forma ad S italica è dovuta alla interdipendenza funzionale dei suoi 4 emi. Il primo eme si ricombina lentamente con l ossigeno il secondo per influenza del primo (già ossigenato) si combina più velocemente e così via (effetto cooperativo). Tale modalità è caratteristica della struttura quaternaria e costituisce un esempio di regolazione allosterica.

9 l ossigeno si lega agli atomi di ferro bivalenti normalmente lo stato di ossidazione del ferro non cambia, la metaemoglobina trivalente, formatasi per ossidazione del nucleo di ferro, non è in grado di trasportare O 2 l eme ha una struttura tetrapirrolica il ferro centrale crea 4 legami di coordinazione con gli atomi di azoto dell anello tetrapirrolico, uno con un residuo istidinico della globina e un sesto legame di coordinazione avviene con la molecola dell ossigeno (ossiemoglobina

10 struttura dell eme eme

11 l emoglobina è stata la prima proteina di cui sono stati osservati effetti allosterici (modificazioni strutturali) questa può infatti assumere 2 conformazioni, la forma R ( relaxed o rilassata) e la forma T ( tense o tesa); il passaggio dall una all altra forma è data da interazioni elettrostatiche che dipendono dalla presenza o l assenza di legami fra l eme e la molecola di ossigeno

12 aumentando la pressione parziale dell ossigeno, un numero sempre più crescente di molecole assume forma R, più affine all ossigeno; la cooperatività tra le subunità,, e quindi anche l affinitl affinità verso l ossigeno, l cresce all aumentare aumentare della pressione parziale dell ossigeno altri effettori allosterici possono influenzare l equilibrio fra le 2 forme

13 Movimenti dell eme eme e dell elica elica F durante la transizione T verso la R nell emoglobina. emoglobina. Nella forma T (in blu) il Fe è 0.6 Å al di fuori del piano dell eme, eme, che assume una forma a cupola, con il Fe al centro. Quando l emoglobina l assume la forma R (in rosso), il Fe si muove verso il piano dell eme eme e la porfirina diventa planare. In questa posizione il Fe lega saldamente una molecola di ossigeno. L HisL F8 e l elica l F sono costrette a seguire il movimento del Fe

14 l emoglobina partecipa al trasporto dell anidride carbonica dai tessuti ai polmoni; circa il 90% della CO 2 non viene trasportata come tale ma viene prima convertita in ione bicarbonato HCO 3-, molto più solubile nei polmoni lo ione HCO - 3 viene riconvertito in CO 2 viene eliminata con l espirazionel che i 2 processi sono rispettivamente accoppiati alla deossigenazione e all ossigenazione dell emoglobina emoglobina (HbH( HbH, HbO 2 ) a questi 2 processi interviene anche l anidrasil carbonica, presente negli eritrociti, che permette l interconversione l tra acido carbonico in CO 2 e viceversa

15 Effettori allosterici dell emoglobina (modificazioni strutturali) ossigeno: effettore positivo (omotropico) H + : effettore negativo (effetto Bohr) H-Hb Hb + O 2 HbO 2 + H + 2,3 2,3-bis bis-fosfoglicerato: effettore negativo Hb-2,3 2,3-BPG + 4 O 2 Hb(O 2 ) 4 + 2,3 - BPG CO 2 : effettore negativo CO H 3 N-globina - OOCHN-globina + 2H +

16 la CO 2 è un prodotto del metabolismo aerobico e deve essere trasportato ai polmoni per essere rilasciato dal nostro organismo la maggior parte della CO 2 viene convertita in bicarbonato, HCO 3-, mediante l azione l dell anidrasi carbonica e quindi rilasciato nel plasma CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3- + H + la restante CO 2 si lega reversibilmente all emoglobina attraverso la formazione di un legame carbamidico con gli α-amino gruppi della porzione N-terminale N dei polipeptidi della globina CO H 3 N-globina - OOCHN-globina + 2H +

17 L effetto Bohr non è altro che il rilascio di ossigeno da parte dell emoglobina emoglobina che si osserva quando la concentrazione di ioni H + aumenta (il ph diminuisce). L effetto Bohr è fisiologicamente importante, in quanto i tessuti che stanno ossidando grandi quantità di sostanze nutrienti, e che di conseguenza hanno bisogno di grandi quantità di ossigeno, generano ioni H +, rilasciando CO 2 nel sangue: CO 2 + H 2 O 2CO 3 H HCO 3- + H + Facilitando il rilascio di ossigeno, questi ioni H + consentono il deposito di O 2 extra in quei tessuti che stanno consumando molto attivamente

18 Emoglobina e trasporto di CO2 L'emoglobina partecipa anche al trasporto del biossido di carbonio (CO 2 ) dai tessuti ai polmoni. Circa il 90% della CO2 non viene trasportata come tale, ma viene trasformata in idrogenocarbonato (HCO3-) ) molto più solubile in acqua. Nei polmoni l'idrogenocarbonato viene ritrasformato in CO2 che viene eliminato con l'espirazione.

19 I I due processi - la formazione di HCO - 3 nei tessuti e la liberazione di CO 2 nei polmoni - sono rispettivamente accoppiati alla deossigenazione e all'ossigenazione dell'emoglobina. La deossiemoglobina è una base marcatamente più forte dell'ossiemoglobina e lega quindi protoni (circa 0,7 H+ per tetramero) favorendo così nei capillari dei tessuti la formazione di HCO3- da CO2.

20 Partecipa al processo anche l'anidrasi carbonica, presente in alte concentrazioni negli eritrociti. L'HCO3- formato viene rilasciato per la maggior parte nel plasma in cambio di Cl- e con il plasma va ai polmoni dove le reazioni descritte avvengono in direzione opposta : la deossiemoglobina viene ossigenata e cede protoni che spostano l'equilibrio HCO3-/H2CO3 e favoriscono così il rilascio di CO2.

21 Una piccola parte di CO 2 (circa il 5%) viene trasportata, legata covalentemente con l'emoglobina, come carbammino-hb. Si calcola che i meccanismi descritti siano responsabili per il 60% del trasporto di CO 2.

22 gli ioni H + producono uno spostamento verso destra della curva di saturazione dell ossigeno (effetto Bohr) 22

23 Nei capillari dei tessuti extrapolmonari,, gli eritrociti trasformano in HCO - 3 la CO 2 prodotta dal metabolismo dei tessuti; l HCOl 3- così prodotto esce dagli eritrociti per scambio con il Cl -. Nei capillari polmonari,, l l HCO3- penetra negli eritrociti per scambio con il Cl-.. Dentro gli eritrociti, l l HCO3- viene trasformato in CO2, che quindi diffonde fuori dagli eritrociti e viene espirata

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25 Effetto tampone dell emoglobina emoglobina

26 Il 2,3-BPG deriva dall 1,3-BPG, un intermedio della glicolisi eritrocitaria ogni molecola di 2,3-BPG lega ciascuna molecola di emoglobina; la sua concentrazione nell eritrocita eritrocita è quasi identica a quella dell emoglobina emoglobina un incremento del 2,3-BPG stabilizza la forma T (deossihb)) e quindi favorisce il rilascio di O2 un incremento di 2,3-BPG interviene in risposta a ipossia tissutale (dovuta a: anemia, disfunzione polmonare, fumo di sigarette, elevate altitudini)

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28 in assenza di effettori allosterici, nel caso di emoglobina purificata, la curva di saturazione di questa proteina tende ad assumere un andamento simile a quello della mioglobina. In definitiva, quindi, i, gli effettori negativi risultano di fondamentale importanza per il rilascio dell ossigeno.

29 La mioglobina, presente nelle fibre muscolari, ha un affinit affinità verso l ossigeno l maggiore rispetto all emoglobina, l andamento della curva non è sigmoidale in quanto l affinitl affinità non è influenzata da effettori allosterici come BPG e H +

30 Il paradosso fetale Il feto deve ottenere ossigeno dal sangue materno attraverso la placenta. Lo scambio può avvenire grazie al fatto che il sangue fetale presenta un affinit affinità maggiore rispetto al sangue della madre Come è possibile?

31 Il sangue fetale contiene un tipo di emoglobina differente rispetto a quella dell adulto (HbA), l HbF infatti è costituita da un tetramero di tipo α 2 γ 2 La subunità γ differisce rispetto alla b-globina in quanto presenta un residuo neutro di serina al posto del residuo carico His143. Questa differenza fa si che l HbF è estremamente meno affine al 2,3-BPG (effettore allosterico negativo) rispetto all HbA, di conseguenza l HbF lega l ossigeno con maggiore affinità

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34 Le sindromi talassemiche Sono la conseguenza di anormalità o non- funzionamento dei geni per la codifica delle globine, l insufficiente l sintesi dei diversi tipi di globina porta ad un anemia emolitica. La severità del danno è funzione dei numeri di geni mutati.

35 Le sindromi talassemiche Si distinguono 2 tipi di talassemia: β-talassemia bassi livelli (β+) o completa assenza (β0) di β- globina. Si può verificare un overproduzione compensatoria di HbF (α2γ2) α-talassemia bassi livelli di α-globina. Questa forma risulta essere più complicata poiché vengono coinvolti 2 tipi di geni che codificano per l α-globina. Le vie compensatorie determinano la produzione di 2 tipi di emoglobina, l HbH (β4) e l Hb di Bart (γ4) che non esibiscono transizioni allosteriche, effetto Bohr, inoltre queste rimangono sempre nello stato R

36 Anemia falciforme L anemia falciforme è una patologia ereditabile; manifestazioni comuni: ricorrente anemia emolitica e dolore basi biochimiche: mutazione puntiforme del gene per la β-globina, il residuo di Glu 6 risulta essere sostituito da una Val (valina) Lo scambio di questo aminoacido riduce la solubilità, promuove la polimerizzazione di molecole di emoglobina di tipo S deossigenata (HbS( HbS)

37 Spettro dei genotipi: anemia falciforme (HbSS) quadro clinico severo anemia falciforme di tipo lieve (HbAS) minori problemi clinici anemia falciforme β + talassemia coesistenza delle 2 varianti di emoglobina con quadro clinico davvero complicato La severità della patologia dipende dalla quantità di HbA e di HbF presenti