IL GRUPPO EME PROTOPORFIRINA IX: struttura organica ad anello costituita da 4 anelli pirrolici uniti da ponti metinici. L inserimento di un atomo di ferro nello stato di ossidazione ferroso (Fe 2+ ) determina la formazione del gruppo eme. L atomo di ferro forma 6 legami di coordinazione: 4 (nel piano dell anello) con gli atomi di azoto che fanno parte dell anello porfirinico 1 (perpendicolare al piano dell anello) con un residuo di istidina (His prossimale) 1 è il sito di legame per l ossigeno
Gli atomi di azoto coordinati (elettron donatori) impediscono la conversione del ferro nello stato ferrico (Fe 3+) non in grado di legare l ossigeno. Il legame del Fe 2+ con l ossigeno è reversibile.
STRUTTURA DELLA MIOGLOBINA Singolo peptide di 153 amminoacidi contenente una molecola di eme. La catena polipeptidica è ripiegata in 8 segmenti ad a elica (A H) collegati da ripiegamenti. La mioglobina conserva l ossigeno per i momenti in cui la domanda energetica diventa elevata.
CURVA IPOTETICA DEL LEGAME DI UN LIGANDO K ass = [PL]/ [P][L] K ass [L] = [PL]/[P] P + L PL θ = siti di legame occupati = [PL]/[PL]+[P] totale dei siti di legame θ = K ass [L][P]/K ass [L][P]+[P] = K ass [L]/ K ass [L]+1 = [L]/[L]+1/ K ass Il valore di [L] a cui metà dei siti di legame sono occupati dal ligando (θ = 0,5) corrisponde a 1/ K ass. Si definisce costante di dissociazione K d il valore 1/ K ass. K d è la costante di equilibrio della reazione di rilascio del ligando K d =[P][L]/[PL] [PL]= [P][L]/ K d θ= [L]/[L] + K d Nel caso della mioglobina [L] corrisponde alla concentrazione di ossigeno disciolta nel mezzo: θ= [O 2 ]/[O 2 ] + K d K d corrisponde alla [O 2 ] a cui metà dei siti disponibili sono occupati e quindi è uguale a [O 2 ] 0,5 θ= [O 2 ]/[O 2 ] + [O 2 ] 0,5 La concentrazione di una sostanza volatile in soluzione è sempre proporzionale alla sua pressione parziale nella fase gassosa in equilibrio con la soluzione. Definendo la pressione parziale di ossigeno [O 2 ] 0,5 come P 50 otteremo: q= po 2 /po 2 +P 50
Curva di legame dell ossigeno alla mioglobina L ossigeno si lega alla mioglobina con una P 50 di soli 2,6 kpa
Le interazioni fra il gruppo eme e i ligandi sono influenzati dalla struttura proteica L ossigeno si lega all eme formando un angolo con il ferro; una conformazione che si adatta facilmente agli spazi interni della mioglobina. Il monossido di carbonio forma con il ferro un legame perpendicolare con il piano dell eme. La presenza della catena polipeptidica impedisce questo tipo di legame forzandolo in una posizione simile a quella del legame dell ossigeno diminuzione dell affinità.
La mioglobina e le subunità dell emoglobina hanno una struttura tridimensionale estremamente simile
La struttura quaternaria dell emoglobina è caratterizzata da interazioni molto forti fra le quattro subunità L interfaccia α 1 β 1 (e la sua controparte α 2 β 2 ) comprende circa 30 residui. Le interfacce α 1 β 2 e α 2 β 1 comprendono 19 residui. A livello delle interfacce predominano le interazioni idrofobiche, ma vi sono anche molti legami idrogeno e solo poche coppie ioniche (ponti salini). L emoglobina può esistere in due stati conformazionali: T (tense) e R (relaxed); lo stato T, meno affine per l ossigeno, è stabilizzato da un maggior numero di ponti salini (soprattutto fra le interfacce α 1 β 2 e α 2 β 1 ).
Porzioni della molecola di deossiemoglobina nello stato T, in cui si evidenziano alcune coppie ioniche
TRANSIZIONE T fi R La modificazione della conformazione proteica costringe l eme ad assumere una conformazione planare:
L emoglobina lega l ossigeno in modo cooperativo Il legame cooperativo è descritto da una curva con andamento sigmoide. L emoglobina è molto più sensibile della mioglobina a piccole variazioni della concentrazione di ossigeno. L emoglobina è estremamente efficiente nel legare l ossigeno nei polmoni (dove la po2 è alta) e nel rilasciarlo nei tessuti periferici (dove la po2 è bassa).
MODELLI GENERALI PER L INTERCONVERSIONE DI FORMA INATTIVE E DI FORME ATTIVE IN PROTEINE CON UN LEGAME COOPERATIVO (a) Modello concertato Tutte le subunità nella stesa molecola proteica sono sempre nella stessa conformazione, o tutte a bassa affinità (inattive) o tutte ad alta affinità (attive) (b) Modello sequenziale Ogni subunità può essere sia nella forma a bassa affinità o in quella ad alta affinità. Sono possibili molti intermedi conformazionali
Effetto del ph sul legame dell ossigeno all emoglobina Il ph del sangue nei polmoni è 7,6 e nei tessuti scende a 7,2. I prodotti finali della respirazione cellulare sono H + e CO 2 La CO 2 prodotta in seguito all ossidazione delle sostanze nutrienti, viene idratata e forma bicarbonato grazie all azione dell anidrasi carbonica: CO 2 + H 2 O H + + HCO 3 - L affinità dell emoglobina per l ossigeno diminuisce man mano che si legano H + e CO 2
Gli ioni H + si legano a specifici residui amminoacidici. La protonazione favorisce la transizione allo stato T e il rilascio dell ossigeno L anidride carbonica si lega in forma di carbammato al gruppo α-amminico all estremità ammino-terminale di ciascuna catena globinica.; si forma carbamminoemoglobina. Questa reazione produce ioni H + e contribuisce a generare l effetto Bohr. I carbammati generano ponti salini che stabilizzano ulteriormente lo stato T.
IL LEGAME DELL OSSIGENO ALL EMOGLOBINA E REGOLATO DAL 2,3-BISFOSFOGLICERATO
Legame del BPG alla deossiemoglobina
Emoglobina normale ed emoglobina delle cellule falciformi