Emoglobina e Mioglobina: Trasporto e Legame dell'Ossigeno - PDF

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Le risorse didattiche (disegni, fotografie, testi, file multimediali) sono, di regola, coperte da copyright. Possono essere utilizzate dai docenti autorizzati con password personale, non cedibile, per scopi didattici che non siano in concorrenza con la diffusione normale del testo di riferimento. Le immagini possono essere proiettate a lezione o durante le esercitazioni. Possono essere inserite in test o analogo materiale preparato dal docente per la valutazione. Gli esercizi possono, salvo indicazioni contrarie, essere messi a disposizione degli studenti su carta, su altro supporto o online. 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L’O2 residuo può essere immagazzinato mediante legame alla mioglobina e reso disponibile quando la richiesta di O2 è elevata. La CO2 rilasciata dai processi ossidativi nei tessuti è trasportata ai polmoni (e alle branche dei pesci) grazie all’emoglobina e, quindi, espirata. Parte Proteica: Gruppo prostetico: Residuo di istidina della globina  La struttura organica di una proteina è inadatta al legame diretto dell’O2. Fe++ e Cu + hanno una forte tendenza a legare l’O2 Il gruppo prostetico è legato non covalentemente alla parte proteica (globina) La funzione della globina è quella di proteggere il Fe++ dall’ossidazione La coordinazione del Fe++ entro una porfirina (eme) in una tasca idrofobica permette il legame dell’O2 senza l’ossidazione del Fe++ Se il Fe++ si ossida a Fe+++ il sito di legame per l’O2 è inattivato (metamioglobina e metaemoglobina, incapaci di legare l’O2 ) L’eme può legare altre piccole molecole come il monossido di C (CO), che ha un’affinità > dell’ O2 e stabilisce legami difficilmente reversibili (tossico) e l’NO, potente vasodilatatore L’eme è un complesso formato dalla protoporfirina IX e dallo ione ferroso  Legame H Il gruppo eme: il Fe(II) centrale è legato ai 4 atomi di azoto dell’anello porfirinico. L’eme è un sistema coniugato e quindi Complesso dell’eme nella mioglobina tutti i legami Fe-N sono equivalenti. Il Il legame H si stabilisce tra l’ossigeno Fe(II) forma un legame anche con una legato e l’His E7 catena laterale di un’istidina e, quando è presente, con l’O2  Struttura della mioglobina di capodoglio O2 Proteina di immagazzinamento dell’O2; nei muscoli di foche e balene la [mioglobina] è 10 volte > a quella dei mammiferi terrestri funzioni di “conservatore di ossigeno”  Geometria di coordinazione del ferro nell’ossimioglobina L’istidina prossimale rappresenta un punto di collegamento tra globina e gruppo eme; l’istidina distale forza l’O2 legato ad assumere una angolazione di 120°; in questo modo preserva il legame del CO e di altri gas che mal sopportano questo angolo di legame.  Curva di legame dell’O2 con la mioglobina q (teta) = siti occupati. totale siti disponibili P50 = 4 mm Hg Alla [O2] presente nei capillari (circa 26-30 mm Hg) la mioglobina tissutale è quasi saturata. Quando le cellule sono metabolicamente attive, la loro PO2 interna scende al di sotto di 4 mm Hg; in queste condizioni la mioglobina cede O2 Dinamica del rilascio di O2 da parte della mioglobina Il passaggio limitante nel rilascio dell’O2 da parte della mioglobina è la formazione di un’apertura per l’uscita della molecola di O2 dalla tasca dell’eme. L’O2 può, infatti, fluttuare con moto casuale entro la cavità prima che la struttura terziaria della mioglobina si modifichi abbastanza da permetterne l’uscita (flessibilità dinamica della proteina). Se la struttura proteica fosse rigidamente statica l’O2 rilasciato dal Fe++ potrebbe oscillare entro la tasca e legarsi nuovamente  Emoglobina Funzioni: ! Trasporto O2 ! Azione tampone ! Trasporto CO2 Trasporto O2 A differenza della mioglobina, l’Hb è tetramerica ed ha quindi 4 siti di legame per l’O2: Hb + 4O2 Hb(O2)4 A 26 mm di Hg (pO2 nei tessuti) la mioglobina è quasi completamente saturata, mentre l’emoglobina ha già ceduto circa metà dell’ossigeno che aveva legato =4 Curve di saturazione con l’ossigeno della mioglobina e dell’emoglobina  Forma R Forma T Movimenti dell’eme e dell’elica F durante la transizione T gR nell’emoglobina: Nella forma T il Fe è al di fuori del piano dell’eme, che assume una forma a cupola, con il Fe al centro. Quando l’Hb assume la forma R, il Fe si muove verso il piano dell’eme e la porfirina diventa planare. In questa posizione il Fe lega saldamente una molecola di Ossigeno. L’His F8 e l’elica F sono costrette a seguire il movimento del Fe. Effetto del legame dell’ossigeno: nella forma deossigenata l’eme ha una forma a cupola; il legame dell’O2 attira il Fe all’interno del piano dell’eme appiattendo l’eme e provocando tensione. Lo spostamento dell’Istidina attenua questa tensione e provoca lo spostamento della valina e quindi un cambiamento della struttura proteica (stato R).  L’ossigenazione avvicina le due subunità b al centro della molecola (confrontare le lunghezze delle 2 frecce) e sposta i contatti tra le subunità a livello delle interfacce a1-b2 e a2-b1 Differenze strutturali tra le conformazioni quaternarie della deossiemoglobina (a) e della ossiemoglobina (b): in seguito all’ossigenazione i protomeri a1b1 e a2b2 si muovono come unità rigide; un protomero si sposta di 15° rispetto all’altro preservando la doppia simmetria della molecola. L’O2 si comporta da effettore omotropico positivo  Modello simmetrico dell’allosterismo (J. Monod): a) Una proteina allosterica è un oligomero con subunità distribuite in modo simmetrico b) Ogni subunità può esistere in 2 stati conformazionali (T ed R), in equilibrio c) La simmetria molecolare viene conservata durante la transizione conformazionale (tutte le subunità sono o nello stato T o R); il modello non consente combinazioni di subunità negli stati T ed R nella stessa proteina. Modello sequenziale dell’allosterismo (D. Koshland): Il legame del ligando induce una modificazione conformazionale della subunità a cui il ligando si è legato e tale modificazione si trasmette per cooperatività alle subunità vicine; la simmetria molecolare non viene mantenuta. La cooperatività può essere sia positiva che negativa  O2 O2 O2 O2 O2 Nuovo modello per spiegare la cooperatività del legame dell’O2 all’Hb: le subunità deossigenate sono rappresentate con gli spigoli, quelle ossigenate sono tondeggianti. Con il procedere dell’ossigenazione si accumula tensione che può essere tollerata fino ad un certo limite, oltre il quale avviene la transizione T" R. In particolare, quando in ciascuno dei 2 dimeri αβ un sito è occupato, l’intera molecola assume la struttura R.  Fattori che influenzano l’affinità dell’Hb per l’O2 1) Temperatura 2) CO2 e pH (Effetto Bohr) 3) 2,3 bifosfoglicerato (BPG) 1) Temperatura L’aumento della temperatura fa diminuire l’affinità dell’Hb per l’O2. Di conseguenza, la temperatura più bassa del sangue polmonare (a contatto con l’aria) facilita il legame con l’O2, mentre la temperatura più elevata del sangue a livello dei tessuti facilita la dissociazione dell’O2 dall’Hb.  1) CO2 e pH (effetto Bohr) L’aumento della pressione parziale di CO2 fa diminuire l’affinità dell’Hb per l’O2; più CO2 è presente e meno O2 rimane legato all’Hb (effetto Bohr). Lo stesso effetto si ha diminuendo il pH: l’affinità dell’Hb per l’O2 aumenta all’aumentare del pH e diminuisce con il diminuire di questo. Poiché la CO2 è presente in soluzione prevalentemente come H2CO3, l’effetto della CO2 è in gran parte attribuibile alla relativa diminuzione di pH; a causa della dissociazione dell’acido carbonico, il pH si abbassa man mano che si accumula CO2 CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ I protoni si legano ad alcune istidine provocando modificazioni allosteriche che favoriscono la conformazione DEOSSIGENATA  3) 2,3 bifosfoglicerato (BPG) Influenza del BPG sull’affinità dell’Hb per l’O2 In assenza di BPG la pO2 deve scendere a 9 mm di Hg perchè l’Hb rilasci il 50% dell’O2 legato; in presenza di BPG, l’Hb è saturata al 50% a pO2 pari a 26 mm di Hg. Legame del BPG alla deossiemoglobina: a) il BPG stabilizza lo stato T b) Le cariche (-) del BPG interagiscono con diverse cariche (+) (in azzurro) c) La tasca di legame per il BPG scompare in seguito ad ossigenazione per effetto della transizione allo stato R  Quando l'emoglobina raggiunge i tessuti, le catene β sono le prime a cedere l'ossigeno; appena la cavità idrofila interna si apre, il DPG entra e si lega al tetramero formando legami eteropolari fra i 50 suoi gruppi (carichi negativam.) ed i residui di lisina ed istidina delle catene β (con carica +). La 26 30 struttura, stabilizzata nella forma T, rilascia l’O2 legato alle subunità α. Nei polmoni, invece, avviene il processo inverso: ad alta pO2, le catene α sono le prime a legare l’O2 ed il BPG viene espulso dal tetramero, consentendo il legame dell’ O2 alle catene β. L’Hb purificata (2) ha un’affinità per l’O2 più alta di quando si trova negli eritrociti integri; aggiungendo CO2 o BPG o entrambi all’Hb, la curva di dissociazione si sposta a destra (l’affinità si abbassa).