Emoglobina e mioglobina

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1 Emoglobina e mioglobina

2 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 che per diffusione scambia i gas con le cellule, e attraverso l'uso di proteine trasportatrici di ossigeno (emoglobina e mioglobina) sopperisce alla limitazione imposta dalla bassa solubilità dell'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, CO 2 e H +, prodotti dalla respirazione tissutale.

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

6 - Se l O 2 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.

7 ml di O 2 consumato/min riposo lavoro muscoli scheletrici cuore 9 347

8 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 semplice. Tra emoglobina e mioglobina ci sono stringenti relazioni di parentela: entrambe sono proteine coniugate ed il loro gruppo prostetico (parte non proteica) è il gruppo 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 viene 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 lavorare con approvigionamenti di ossigeno distanti nel tempo.

9 La mioglobina: proteina globulare, singola catena, circa 150aa, peso molecolare 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 ad α-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. Il gruppo eme è un gruppo cromoforo (assorbe nel visibile) ed è il gruppo funzionale della mioglobina. H F C E G B D A

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

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14 . Ciascuna catena mioglobinica e.

15 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 (pseudo cellule 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 hanno bisogno, prelevare parte dell anidride carbonica e rilasciarla nel polmoni, dove il ciclo ricomincia. La mioglobina trasferisce l O2 all interno del citosol.

16 EMOGLOBINA - 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. La cooperatività del suo legame all O 2 ha fornito un modello per la comprensione di molte regolazioni enzimatiche

17 Un po di chimica L'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 numero 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 è sei: 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

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19 Fe +2 Ferrochetalase

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22 propionici 1 2 metilici Ponti metilenici 4 3 vinilici

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24 Nell eme, il ferro forma: Il ferro nell eme - 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).

25 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".

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29 Struttura di mioglobina e emoglobina 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.

30 Posizione del Ferro e relazioni con gli aa che formano la tasca idrofobica Gabbia globinica Fe +2 + O 2 Fe +3 Il Fe è protetto dalla gabbia globinica, che esclude l acqua e solo un e - viene trasferito all O

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33 Tasca idrofobica per l eme

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37 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 O 2 fosse trasportato alle cellule per semplice diffusione, la dimensione massima di un organismo aerobio sarebbe di 1 mm.

38 Emoglobina umana alfa2(rosso) beta2 (giallo)

39 Interazioni tra le catene α e β dell 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).

40 Struttura quasi sferica i suoi assi misurano rispettivamente 64, 55 e 50 A

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42 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 è valido per la deossigenazione.