end-on (h 1 ) L = NH 3, CN - L Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O 2 Reazioni tra O 2 e metalli: ossidoriduzioni e complessi

Documenti analoghi
IL GRUPPO EME. PROTOPORFIRINA IX: struttura organica ad anello costituita da 4 anelli pirrolici uniti da ponti metinici.

Modulo 4. Una proteina in azione

EME (Fe-PROTOPORFIRINA IX)

Prof. Maria Nicola GADALETA

Coefficiente di Hill ( n o n H ) = quanto i siti di legame per l O 2 sono cooperativi tra di loro.

Il metalloma Struttura e reattività di metalloproteine. Il trasporto dell O 2

Mioglobina ed emoglobina

Emoglobina e mioglobina

Mioglobina Emoglobina

Le proteine che legano ossigeno:

Ripiegamento e stabilità delle proteine

FUNZIONI delle PROTEINE

Le proteine che legano l ossigenol

GLI ENZIMI ALLOSTERICI hanno più subunità che agiscono in maniera cooperativa. La cinetica enzimatica ha un andamento SIGMOIDE (non MM)

La struttura di una proteina e ruolo biologico da essa svolto sono strettamente connessi. Alcune funzioni biologiche delle proteine:

Esempi di proteine: Mioglobina ed Emoglobina

STRUTTURA E FUNZIONE

PROTEINE RESPIRATORIE DEI VERTEBRATI EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

EMOGLOBINA (Hb) nei globuli rossi e

Chimica Inorganica Biologica Emeritrina

Mioglobina Emoglobina

Esempi di proteine: Mioglobina ed Emoglobina

Formula generale di un amminoacido

FUNZIONE DELLE PROTEINE RAPPORTO STRUTTURA-FUNZIONE

Nel corso dell evoluzione, con il passaggio dalla. progressivamente differenziati due meccanismi. un sistema circolatorio adeguato;

Regolano il metabolismo, sia come enzimi, sia come ormoni (insulina, glucagone, ecc.)

EMOGLOBINA (Hb) nei globuli rossi e

Eventi successivi alla comparsa dell O 2

Trasporto di CO 2. ed effetto Bohr. . La CO 2. nei tessuti produce CO 2. Il consumo di O 2. deve essere rimossa e portata ai polmoni (o alle branchie)

Chimica Inorganica Biologica Stabilità e ph

Emoglobina e mioglobina

Emoglobina e mioglobina

θ = (siti occupati)/(siti disponibili totali) Al numeratore ritrovo solo la mioglobina che ha complessato l'ossigeno, solo l'ossigenata)

LEZIONE 25: EMOGLOBINA L EMOGLOBINA ED IL TRASPORTO DI OSSIGENO

MIOGLOBINA ED EMOGLOBINA

Prof. Maria Nicola GADALETA

EMOGLOBINA, MIOGLOBINA MIOGLOBINA ED EMOGLOBINA NEL TRASPORTO DELL OSSIGENO

Il trasporto dell ossigeno

L EMOGLOBINA ED IL TRASPORTO DI OSSIGENO

Emoglobina e mioglobina

Il legame dell O 2 con l eme di una subunità determina un cambio conformazionale che facilita l attacco dell O 2 agli altri gruppi eme.

BIOMOLECOLE (PROTEINE)

Ruolo delle globine nel trasporto e nell immagazzinamento dell ossigeno

PROTEINE: STRUTTURA, ESEMPI E FUNZIONAMENTO TUTORATO 1 GIULIANO F. PATANÈ COLLEGIO A. VOLTA

Ogni globina ha una tasca in cui lega un gruppo EME, quindi l Hb può legare e trasportare 4 molecole di O 2

Lo scambio gassoso negli animali

Complessi con gruppi M-O 2

Gli Enzimi. catalizzatori biologici rendono possibile da un punto di vista cinetico le reazioni chimiche

Chimica Inorganica Biologica I composti di coordinazione Richiami di Chimica - Acidi e Basi di Lewis

EMOGLOBINA, MIOGLOBINA MIOGLOBINA ED EMOGLOBINA NEL TRASPORTO DELL OSSIGENO

Trasporto dell ossigeno

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

Fisiologia della Respirazione 8.Trasporto dei gas nel sangue. Carlo Capelli Fisiologia Facoltà di Scienze Motorie- Università di Verona

- natura riduttiva - richiede energia

Fisiologia della Respirazione

Le proteine III. Corso di Biochimica 1. Prof. Giuseppina Pitari

LE PROTEINE -struttura tridimensionale-

CORSO MONODISCIPLINARE DI BIOCHIMICA (6 CFU)

Corso di Laurea in Farmacia Insegnamento di BIOCHIMICA. Angela Chambery Lezione 10

ACQUISIZIONE SPERIMENTALE DELLA CONOSCENZA NELLE SCIENZE DELLA NATURA.

Riabilitativa 2015/2016

Programma del Corso di Chimica Generale II (6CFU) Corso di Laurea Specialistica in Farmacia

COMPOSTI AZOTATI. derivanti dall ammoniaca AMMINE. desinenza -INA AMMIDE

Proteine: struttura e funzione

Ione cianuro, CN - monodentato, si coordina tramite l atomo di C (coppia elettronica più

Le macromolecole dei tessuti - 1

a) un movimento contro gradiente di concentrazione che utilizza fonti primarie di energia

Trasporto di O 2 nel sangue

Leganti π. Leganti π sono quelli che, oltre ad interazioni di tipo σ, possono dare, con il metallo, interazioni di tipo π:

L ossidazione completa del glucosio da parte dell O 2. può essere suddivisa in due semi-reazioni

LA MIOGLOBINA e L EMOGLOBINA

Gli Enzimi. catalizzatori biologici rendono possibile da un punto di vista cinetico le reazioni chimiche

AMMINOACIDI E PROTEINE

Amminoacidi. Struttura base di un a-amminoacido

scaricato da I peptidi risultano dall unione di due o più aminoacidi mediante un legame COVALENTE

Le proteine o protidi

Rapporto Struttura/Funzione delle Proteine

scaricato da Proteine semplici costituite dai soli amminoacidi

CHIMICA BIOLOGICA. Seconda Università degli Studi di Napoli. Prof. Augusto Parente. Lezione 7. DiSTABiF. Corso di Laurea in SCIENZE BIOLOGICHE

Elettroni del metallo negli orbitali d

PROTEINE RESPIRATORIE DEI VERTEBRATI EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

Chimica Inorganica e Laboratorio

Appunti di Stechiometria per Chimica Numero d ossidazione

Diagramma di Ramachandran

IL TRASPORTO DELL O2

COMPORTAMENTO ANFOTERO DEGLI AA

Roberta Pierattelli. Metalli in Biologia. Qualche richiamo di chimica generale e inorganica

STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE

L ossidazione completa del glucosio da parte dell O 2. può essere suddivisa in due semi-reazioni

: : H-Cl + H-N: H-N-H + : Cl : H

LEZIONE DEL 27/03/2017

Le proteine sono polimeri lineari costituiti da unità base formate da oltre 40 amminoacidi. Possono assumere forme diverse a seconda della funzione

- CINETICA ENZIMATICA

Il trasporto dell ossigeno

Regolazione allosterica

Energia e metabolismi energetici

STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DELLE PROTEINE

Transcript:

Il diossigeno O 2 Reazioni tra O 2 e metalli: ossidoriduzioni e complessi 4Fe 2+ + O 2 + 2H 2 O + 8 OH - 4(FeOH) 3 2Fe 2 O 3 + H 2 O O 2 interagisce con i metalli ossidandoli e passando allo stato di ox -2 e portando alla formazione di composti in cui il legame O-O viene spezzato L O Co O L O 2 interagisce con alcuni complessi di metalli di transizione (Co, Ir, Rh) per formare addotti in cui O 2 è legato in maniera reversibile e dove apparentemente il metallo non cambia stato di ossidazione. L L L = NH 3, CN - L end-on (h 1 )

Il diossigeno O 2 Gli stati di ossidazione formali di O 2 possono essere identificati dalle distanze di legame O-O nei complessi (strutture cristalline) oppure dalla vibrazione di stiramento ν(o-o) (spettroscopia IR/Raman) o da misure EPR Complesso di Vaska side-on (h 2 ) H 3 N NH 3 n+ d(o-o) Legante H 3 N H 3 N Co NH 3 O H 3 N NH 3 O Co NH 3 n = 4 n = 5 1.47 Å 1.31 Å O 2 2 O 2 H 3 N NH 3

Il diossigeno O 2

Il diossigeno O 2

Il diossigeno O 2 Orbitale Molecolare donatore σ donatore π accettore π

Il diossigeno O 2 La densità elettronica è trasferita sul centro metallico dalle coppie elettroniche libere e dal doppio legame del diossigeno. Gli orbitali nd parzialmente occupati del metallo possono contribuire alla formazione del legame con O 2 attraverso retrocoordinazione. In questi casi l O 2 agisce da σ e π donatore/accettore. P. L. Holland, Dalton Trans., 39, 5415-5425 (2010)

Il diossigeno O 2 Utilizzo di O 2 negli organismi viventi Prelievo di O 2 dall aria Trasporto negli organi Conservazione fino all utilizzo Invertebrati Molluschi Crostacei complessi bimetallici con coordinazione amminoacidica : emocianina (Cu-Hc) emeritrina (Fe-Hr) Vertebrati Organismi più evoluti complessi monometallici di macrocicli porfirinici EME: tetramero: emoglobina (Hb) monomero: mioglobina (Mb)

Il diossigeno O 2 Reattività con gruppi eme O 2 transport in blood (65%) O 2 storage in muscles (6%) electron transfer (0.1%) incorporation of molecular O 2 (0.1%) metabolism of H 2 O 2 (0.1%) terminal oxidation (0.5%)

Il diossigeno O 2 Reattività con gruppi eme I complessi porfirinici del Fe II (ferro-eme) Fe II P, reagiscono velocemente con il diossigeno per formare l ossido Fe II P + O 2 Fe III PO 2 - (1) Fe III PO 2 - + Fe II P Fe III P O-O PFe III Fe III P O-O PFe III 2Fe IV PO Fe IV PO + Fe II P Fe III P O PFe III P = ione porfirinato P 2-

Reazione 1 Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O 2 3d 6 HS S = 2 4 e - spaiati paramagnetico Deoxy form Fe II P + O 2 Fe III P(O 2 - ) Reazione spin permessa con 3 O 2 3d 6 LS + 1 O 2 S = 0 diamagnetico 3d 5 LS + 2 O 2 S = 0 diamagnetico Pauling Weiss

Il diossigeno O 2 La reazione è limitata all equilibrio (1) se sulla porfirina del ferro-eme s introducono barriere strutturali che impediscono la riduzione bi-elettronica dell ossigeno (Collman 1974). In questo caso il ferro eme può assumere funzione di trasporto. Mioglobina ed Emoglobina

Il diossigeno O 2 Le porfirine più semplici da un punto di vista strutturale spesso vanno incontro alla formazione irreversibile di dimeri ferrile ematina insolubile

Il diossigeno O 2 La funzionalizzazione delle porfirine viene utilizzata per prevenire la formazione di dimeri e quindi il blocco delle funzioni di trasporto

Il diossigeno O 2

Il Trasporto del diossigeno O 2 Il trasporto del O 2 negli organismi viventi avviene utilizzando le metalloproteine; Esse sono presenti in tutti i vertebrati, molti invertebrati (artropodi e molluschi) e in quattro phyla di invertebrati marini: Emoglobina (Hb), contiene quattro gruppi eme; Emeritrina (Hr), contiene due atomi di Fe; Emocianina (Hc), contiene due atomi di Cu. Si realizza l equilibrio: metalloproteina + O 2 metalloproteinao 2

Trasporto di O 2 : Pigmenti Respiratori Deoxy Oxy Hb HbO 2 Forme intensamente colorate HcO 2 HrO 2

Trasporto di O 2 : Pigmenti Respiratori

Immagazzinamento del diossigeno O 2 Origine Emoglobina Emeritrina Emocianina Animali superiori Invertebrati Artropodi, molluschi M:O 2 legato Fe(eme) : O 2 2Fe(non eme) : O 2 2Cu : O 2 M in ossiproteina Fe 3+ Fe 3+ Cu 2+ M in deossiproteina Fe 2+ Fe 2+ Cu + Colore nella forma ossi rosso borgogna blu Colore nella forma deossi rosso-porpora incolore incolore Gli stati ossidati inattivi sono detti meta

Immagazzinamento del diossigeno O 2 Il diossigeno trasportato è ceduto ad altre metalloproteine quali la Mioglobina (Mb) e Mioemeritrina (miohr) nei tessuti per essere immagazzinato e quindi utilizzato. Presentano strutture simili alle metalloproteine di trasporto con la differenza che devono possedere una maggior affinità per il diossigeno.

globina Chimica Inorganica Biologica Mioglobina Presente nei muscoli dei vertebrati Polipeptide PM 17000 formato da 153 amminoacidi contenuti in sette eliche e sei segmenti non elica avvolti intorno al gruppo eme Coordinazione: 4 N pirroli 1 N imidazolo proveniente (His) 150-160 aminoacidi 1 posizione libera per O 2 64500 Da La struttura della Mb è stata ottenuta da campioni di balena Sono state determinate le strutture delle tre forme: deossi, ossi e meta.

Mioglobina ed Emoglobina

Deossimioglobina ed Ossimioglobina raggio 0.92 Å raggio 0.75 Å Il centro attivo è Fe II pentacoordinato da cinque atomi di N con l'atomo metallico fuori dal piano dei quattro pirroli di 0.42 Å. Quattro N provengono dai pirroli, il quinto N dall imidazolo dell His (His prossimale). È anche presente un residuo istidinico, His distale, vicino alla tasca che ospita il O 2. Il legame con il diossigeno avvicina il Fe al piano N4. O 2 è legato end-on al Fe e forma un angolo Fe-O-O di 115.

Interazione fra O 2 e Fe II La coordinazione con O 2 comporta il trasferimento di un elettrone dal ferro all ossigeno per formare O 2 stabilizzato via legame-h con un protone imidazolidinico distale Il Fe II presente nell eme pentacoordinato è d 6 AS con quattro elettroni spaiati (S=2), nell eme esacoordinato Fe III è d 5 a BS con un elettrone spaiato (S=1/2) L interazione con lo spin dell elettrone O 2 produce un sistema diamagnetico (S=0).

Interazione di O 2 nel sito eme

Interazione di O 2 nel sito eme Nella forma deossi Fe II (AS) non entra nella cavità Nell'ossi Fe III a BS si posiziona nel piano

Interazione di O 2 nel sito eme È presente un residuo istidinico (distale), vicino alla tasca che ospita O 2 Si forma un legame ad idrogeno fra O 2 coordinato e H-N dell imidazolo che produce una coordinazione angolata dell'o 2.

Interazione di CO nel sito eme Nei composti fra CO ed Hb/Mb l'angolo Fe-C-O è ancora angolato Il rapporto K(CO)/K(O 2 ) vale circa 200. J. N. Harvey, J. Am. Chem. Soc. 2003, 127, 165-177

Emoglobina Il diossigeno dall'aria passa ai polmoni, catturato dall Hb presente nel plasma sanguigno: Polmoni(branchie) Hb + 4 O 2 Hb(O 2 ) 4 L O 2 circola attraverso tutto l organismo e trasportato nei muscoli dove è strappato dalla Mb Tessuti Hb(O 2 ) 4 + 4 Mb 4 Mb(O 2 ) + Hb K Mb [ Mb( O2 )] [ Mb][ O ] 2 [ Hb( O K Hb [ Mb][ O 2 2 ) ] ] 4 2.8

Emoglobina L emoglobina (PM 64500) è un tetramero costituito da 4 subunità (α 1, α 2, β 1, β 2 ) ciascuna delle quali lega un gruppo eme. Le catene sono organizzate in coppie simmetriche αβ: l'emoglobina può essere considerata un doppio dimero. α 1, α 2, β 1, β 2 sono disposte simmetricamente intorno a una cavità centrale occupata da molecole di acqua. Le subunità sono tenute insieme da interazioni elettrostatiche e da legami a idrogeno che rendono la struttura quaternaria assai stabile. a 2 b 2 eme b 1 Contenendo quattro gruppi eme, l'emoglobina può legare sino a 4 molecole di O 2.

Emoglobina Hb è una proteina multisubunità della Mb ed è costituita da due catene polipeptidiche α (141 ac) e due β (146 ac) In ogni catena è presente un eme legato ad un imidazolo istidinico Ιn Hb Fe è fuori dal piano porfirinico di 0.36-0.40 Å nel legame con O 2 si muove di ±0.12 Å. Nel trasferimento di O 2 da Hb a Mb gioca un ruolo importante lo spostamento di Fe verso il piano porfirinico Lo spostamento funge da grilletto per un legame cooperativo dell'o 2 nell'hb

Emoglobina: conformazioni T e R L emoglobina è una proteina allosterica Minor affinità per O 2 Maggior affinità per O 2 Ponti salini O 2 R O 2 T Gli stati conformazionali T e R sono in equilibrio

Emoglobina: conformazioni T e R Lo stato T prevale quando le quattro subunità non sono legate ad O 2 Interazioni fra le subunità costringono l His prossimale a resistere nei confronti del movimento verso il piano allentando il legame con O 2 Legame cooperativo Quando circa 2 molecole di O 2 sono legate ad Hb la struttura quaternaria della proteina cambia in R facilitando il legame degli altri due O 2 Il legame con O 2 porta il Fe nel piano dell'anello porfirinico trascurando l'his prossimale. R T

Effetti Allosterci Il legame dell O 2 in vivo è modulato da effettori allosterici che attraverso interazioni con la proteina cambiano l affinità e il grado di cooperatività. Regolatori H + CO 2 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG) Stabilizzano la forma T e favoriscono il rilascio di O 2 coordinato

Effetto Bohr Il catabolismo dei nutrienti porta alla formazione di CO 2 CO 2 + H 2 O HCO 3 + H + Diminuzione del ph Protonazione di amminoacidi Formazione di ponti salini Stabilizzazione forma T Rilascio O 2

Effetto Bohr La CO 2 prodotta nella respirazione forma carbammati con i gruppi amminici N-terminali della Hb RNH 2 + CO 2 RNHCOO - + H + L'Hb quindi non solo trasporta O 2 ma facilita la rimozione di CO 2

2,3-BPG Il 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) deriva da un intermedio della glicolisi ed è presente in quantità elevata nei globuli rossi. Il 2,3-BPG interagisce mediante legami ionici con i residui di His-143 delle catene b A ph fisiologico, il 2,3-BPG è deprotonato Stabilizzazione forma T Rilascio O 2