Biochimica

Biochimica

Le proteine interagiscono con altre molecole in base al tipo di struttura che possiedono. La funzione delle proteine di cellule e tessuti dipende da stabili interazioni quaternarie tra vari polipeptidi. Le funzioni di molte altre proteine implicano interazioni con una varietà di diverse molecole.

La maggior parte di queste interazioni sono di breve durata, anche se può essere la base fisiologica di complessi processi, es. trasporto di ossigeno, funzione immunitaria, la contrazione muscolare... Le funzioni di molte proteine coinvolgono il legame reversibile con altre molecole.

Ligando = è una molecola che si lega in modo reversibile a una proteina. Le interazioni proteina-ligando sono fondamentali per la vita, permettendo ad un organismo di rispondere rapidamente e reversibilmente al cambiamento ambientale e di circostanze metaboliche.

Per esempio, il legame enzima-substrato, dove gli enzimi rappresentano un caso speciale della funzione proteica.

Sito di legame = è il sito presente sulla proteina, sul quale si lega il ligando. È quindi complementare al ligando per dimensione, forma, carica e carattere idrofobico o idrofilico. Gruppi prostetici, non sono proteine, ma.

Gli enzimi si legano e trasformano chimicamente altre molecole e catalizzano reazioni.

Substrati di reazione, non ligandi = molecole che hanno reagito su enzimi.

L’interazione è specifica. Sito catalitico o sito attivo = la proteina è in grado di discriminare le migliaia di molecole e di sceglierne “determinate” e basta. Una stessa proteina può anche avere siti di legame separati per differenti ligandi.

Sito catalitico o sito attivo = il sito di legame-ligando.

Mioglobina

Ossigeno

È associato a un gruppo prostetico, molecole non proteiche, eme.

Caratteristiche:

• Poco solubile in soluzioni acquose.
• Non può essere trasportato in maniera sufficiente ai tessuti se è semplicemente sciolto nel siero del sangue.
• È in grado di attraversare i tessuti, solo per diffusione e per pochi chilometri.
• Si lega fortemente ad alcuni metalli di transizione come ferro e rame e appunto per questo gli organismi multicellulari sfruttano le proprietà di metalli per trasportare l’ossigeno. Tuttavia, grandi quantità per esempio di ferro, promuovono la formazione di specie altamente reattive dell’ossigeno, R.O.S., che possono danneggiare il DNA e altre macromolecole, es. gruppo ossidrile OH. Negli organismi pluricellulari, di solito il ferro è incorporato in un gruppo prostetico legato alle proteine chiamato eme.

Prende il nome “mio-” proprio perché è una proteina che si trova nel muscolo. È la proteina più piccola, con struttura terziaria formata da 8 eliche A, B, C, D, E, F, G, H, che di per sé sono amminoacidi e che quindi non possono trasportare l’ossigeno, per questo ci pensa il gruppo eme, inserito fra l’elica F ed E, formati da amminoacidi fortemente idrofobici che vanno a formare una “tasca” all’interno della quale il gruppo eme interagisce con la proteina stessa attraverso due residui di istidine: istidina sulla elica F è l’istidina prossimale, quella sulla E è l’istidina distale.

Gruppo eme

• 1. Alcune zone dei pirroli vengono sostituite da gruppi vinilici, gruppi metilici e propionici, formando la protoporfirina 9, che inglobando lo ione ferroso si trasforma in gruppo eme. A questo punto, il ferro, legato alla protoporfirina 9, forma l’emoglobina attraverso legami di coordinazione.

È un gruppo formato da atomi e molecole legate fra loro da legami covalenti, che legano il tetrapirrolo, 4 gruppi pirrodici, che all’interno contiene lo ione del ferro detto “ione ferroso”, grado di ossidazione minore. È importante che il ferro mantenga questo stato di ossidazione, e ciò viene controllato da un sistema presente nei globuli rossi.

• 2. La funzione dello ione ferroso è di trasportare la molecola dell’ossigeno. Questo avviene tramite un legame di coordinazione fra lo ione ferroso e il piano del gruppo eme.

I legami che lo ione ferroso e la struttura pirrolica della emoglobina sono legami di coordinazione, legami molto stabili.

Sintesi gruppo eme: il gruppo eme può essere sintetizzato nel nostro organismo partendo da due molecole che si trovano in maniera abbondante nel citoplasma, ovvero la glicina e il succinil CoA. L’unione di questi amminoacidi, e una serie di reazioni portano alla formazione del gruppo eme, se il ferro è inserito dentro il tetrapirrolo.

• 3. L’altro legame di coordinazione rimane però legato a un residuo di istidina, quindi quando si lega l’O2 allo ione ferroso, questo produce una modificazione sterica della conformazione della struttura del gruppo eme e quindi della mioglobina.

La sintesi di emoglobina è molto sensibile al piombo, metallo pesante altamente inquinante, il quale causa l’anemia che porta a situazioni patologiche estremamente importanti. Il piombo è infatti un inibitore del ammiloviluvinato deidratasi, enzima, che bloccando la sintesi, blocca la formazione dell’emoglobina e della mioglobina. La maggior parte di questa produzione non è endogena, quindi fatta dal nostro organismo, ma maggiormente la si produce tramite l’alimentazione e specialmente con l’assunzione di carne rossa.

Legge di Dalton delle pressioni parziali

La legge di Dalton delle pressioni parziali afferma che: “la pressione totale di una miscela di gas in un recipiente è uguale alla somma delle pressioni parziali, cioè delle pressioni che ciascun gas eserciterebbe sulle pareti del recipiente se non vi fossero altri gas presenti”.

Il gruppo eme sta nella “tasca” fra l’elica F ed E che hanno 2 residui di istidina: quello prossimo rimane sempre legato allo ione ferroso, mentre l’altro si stacca quando arriva la molecola dell’ossigeno, dandogli spazio, si ha un’intera modificazione della proteina.

L’aria secca è composta da circa il 78 % di azoto, il 21 % di ossigeno e l’1 % di argon. Nell’aria è anche presente vapore acqueo, che costituisce una percentuale compresa tra lo 0,1 % e il 4 % della troposfera dell’umidità dell’aria. La pressione parziale di ossigeno nell’aria passa infatti da circa 160 mmHg a livello del mare a circa 110 mmHg a 3000 m, portando la saturazione di ossigeno nel sangue da 98% al 90%.

La pressione parziale produce una percentuale di ossigenazione della mioglobina che segue la curva iperbolica, cioè all’aumentare della pressione parziale dell’ossigeno, il legame con la molecola di mioglobina aumenta molto velocemente, fino a raggiungere un certo limite dove la saturazione, percentuale di legame, della mioglobina, diventa stabile.

Questo è quello che avverrebbe al livello polmonare, ma lì non vi è la mioglobina, ma l’emoglobina.

Emoglobina

L’emoglobina si trova all’interno dei globuli rossi, o eritrociti. È formata da una struttura tetramerica, cioè 4 strutture proteiche associate assieme, ovvero 4 monomeri contenenti ciascuno un gruppo EME.

• La mioglobina, che contiene un solo gruppo EME, lega una molecola di ossigeno.
• L’emoglobina, che ha 4 gruppi eme, lega 4 molecole di ossigeno.

I 4 monomeri sono chiamati alfa e beta, 2 e 2.

Infatti parleremo di:

• Hb alfa 1 e 2.
• Hb beta 1 e 2.

La struttura tetramerica comporta che alle pressioni parziali di ossigeno per la mioglobina, la curva di saturazione non è più la stessa. È una curva in cui, all’aumento della pressione parziale dell’ossigeno, inizialmente avremo una certa resistenza al legame, dopo di che, la capacità di legare all’ossigeno aumenterà fino a una completa saturazione, questo dipende anche dai vari distretti in cui l’emoglobina si trova. Questa è detta curva sigmoidale proprio per la sua forma ad “S” dovuta al legame cooperativo che l’ossigeno ha con l’emoglobina.

• Al livello tessutale si ha una pressione parziale molto bassa, perché l’O2 viene consumato, e vi è sia l’emoglobina che la mioglobina.
• Al livello polmonare si ha una pressione parziale molto alta e si trova quasi esclusivamente l’emoglobina, ai polmoni arriva il sangue.

Una volta arrivato l’ossigeno che si lega allo ione ferroso, si ha uno spostamento della istidina distale che modifica la conformazione della struttura terziaria della proteina.

Esiste un’altra molecola molto insidiosa che si lega allo ione ferroso al posto dell’ossigeno, ovvero il monossido di carbonio.

Il monossido di carbonio riesce a legarsi in maniera costante, cioè non è reversibile, inoltre ha un’affinità molto maggiore, rispetto all’ossigeno, di legarsi allo ione ferroso. Questa cosa crea una situazione di mancanza di ossigeno e quindi di ipossia, con conseguenza mancanza di energia, eccitazione di nervi e produzione di arresto cardiaco, e quindi morte.

Le catene alfa e beta dell’emoglobina sono simili alle catene della mioglobina, quindi:

• Essendo molecole simili, sono simili in quasi tutti gli organismi viventi.
• Sono proteine che condividono fra loro l’origine genetica.

A seconda della presenza o assenza di ossigeno, l’emoglobina può assumere due diverse strutture in base alla distribuzione spaziale delle proteine all’interno di queste strutture tetrameriche:

• Struttura T = “struttura tesa” è la struttura che lega meno O2, è più compatta.
• Struttura R = “struttura rilassata” è la struttura che lega più facilmente l’ossigeno.

Queste strutture ci permettono di capire la curva sigmoide, perché passando dalla struttura T alla R, si ha una struttura che cambia nell’affinità con l’ossigeno.

Proteina allosterica e legame cooperativo

Proteina allosterica = è quella proteina in cui il legame di un ligando ad un sito, influenza le proprietà leganti di una molecola ad un altro sito sulla stessa proteina.

• Emoglobina = allosterica.
• Mioglobina = non allosterica.

Le proteine allosteriche sono quelle aventi “più forme" o conformazioni, indotte dal legame dei ligandi indicati come modulatori. I cambiamenti conformazionali indotti dal modulatore interconvertono forme più attive e meno attive della proteina.

I modulatori allosterici per le proteine possono essere sia inibitori o attivatori.

• Interazione omotropica = se modulatori identici.
• Interazione eterotropica = se modulatore è una molecola diversa, e il legante è normale.

!!!Alcune proteine hanno due o più modulatori e quindi può avere interazioni sia omotropica e eterotopica.

Il legame cooperativo di un ligando per una proteina multimerica, es. legame di O2 con l’emoglobina, è una forma di legame allosterico spesso osservato in proteine multimeriche.

Il legame di un ligando ha effetti sulle affinità dei restanti siti di legame liberi, e O2 può essere considerato sia un legante che un modulatore omotropico attivante.

C’è un solo sito di legame per O2 su ciascuna subunità, così gli effetti allosterici dando luogo a cooperatività sono mediati da cambiamenti conformazionali trasmessi da una subunità all’altro interazioni subunità-subunità.

Una curva legame sigma, o sigmoide, è significativa di un legame cooperativo.

Esso permette una più risposta più sensibile alla concentrazione ligando ed è importante per la funzione di molte proteine con più subunità.

L’ossigeno si lega allo ione ferroso del gruppo EME, e tutte le volte che si ha un legame, la subunità alfa e beta dell’emoglobina si trasforma dalla forma T alla forma R.

All’aumentare del legame dell’ossigeno con l’emoglobina, si ha un aumento della facilità dell’ossigeno di legarsi e si ha anche un aumento alla diminuzione della pressione parziale di ossigeno ad essere rilasciato.

Al livello mitocondriale, l’O2 viene consumato e viene prodotta anidride carbonica.

Trasporto CO2

Trasporto CO2. L’anidride carbonica può tornare ai polmoni attraverso due meccanismi fondamentali:

• 1) L’anidride carbonica si lega al gruppo amminico di un residuo amminoacidico, formando una struttura carboammino, con legame covalente, che si forma all’aumentare di anidride carbonica. Se ci fosse solo questo tipo di trasporto di anidride carbonica, non ci sarebbe la possibilità di riportare tutta l’anidride carbonica al livello polmonare.
• 2) L’anidride carbonica prodotta nei capillari, insieme all’acqua, viene inglobata in un acido carbonico che forma del carbonato. In questo modo l’anidride carbonica si scioglie nell’acqua.

Il nostro organismo ha un sistema enzimatico chiamato anidrasi carbonica, ovvero l’enzima che catalizza la reazione numero 2 sia quando la CO2 forma acido carbonico, che quando avviene il contrario.

• Al livello tessutale la CO2 forma del carbonato, quindi i capillari sono leggermente più acidi.
• Al livello polmonare l’anidrasi carbonica ritrasforma il carbonato in anidride carbonica, e quindi si ritorna a una situazione di pH più alcalina.

Primo effetto allosterico

Bohr scoprì un meccanismo in cui l’effetto di produzione di un ambiente leggermente più acido al livello tissutale, produceva una curva di ossigenazione dell’emoglobina, sempre sigmoide, ma leggermente diversa: a pH alcalini la curva è più alta che a pH più basici. Ciò significa, che fisiologicamente, la differenza fra le curve di emoglobina e mioglobina aumenta.

L’emoglobina rilascia più O2 al livello tissutale per via di un livello di pH più acido. Allora, i nostri tessuti sono facilitati nell’assorbimento dell’ossigeno.

Secondo effetto allosterico

Riguarda l’acido 2-3-bifosfoglicerico che ha la particolarità di legarsi alle catene alfa e beta dell’emoglobina e modificarne la struttura. In questo modo la modificazione strutturale facilita ancora di più il rilascio dell’O2 da parte dei tessuti in presenza dell’acido 2-3 bifosfoglicerico.

La produzione di tale acido però avviene soltanto in situazioni in cui il metabolismo è costretto ad adattarsi a nuove situazioni, come la situazione di bassa concentrazione di ossigeno, es. in montagna ad altitudini elevate.

Emoglobinopatie

Difetti congeniti ed ereditari della emoglobina possono portare a differenti patologie che si distinguono in 2 classi:

• Anemia falciforme, HBS.
• Talassemia, alfa - beta - gamma.

Alcune emoglobine modificate si possono trovare nel sangue adulto, per esempio:

• Emoglobina glicosilata, HbA1C.
• Emoglobina fetale, HbF.

Tipologie di emoglobine nel sangue adulto normale:

• Emoglobina normale, HbA = 90%.
• Emoglobina fetale, HbF = retaggio ontogenetico della nascita del feto - <2%.
• Emoglobina legata a catene di tipo alfa e delta, HbA2 = retaggio ontogenetico della nascita del feto - 2-5%.
• Emoglobina glicosilata, HbA1c = è cioè l’emoglobina normale legata alla molecola del glucosio, 3-9% presente nelle persone con diabete.

I globuli rossi, che conservano l’emoglobina, sono fatti come un dischetto biconcavo, cioè al suo interno hanno un avvallamento:

• Sono cellule in sopravvivenza, cioè che possono vivere per un numero di giorni massimo, che più o meno è di 120 gg, cioè 4 mesi.
• Sono circondati da una membrana citoplasmatica contenente determinate proteine.
• Al loro interno hanno soltanto RNA.
• Mancano completamente di nucleo e quindi del DNA.
• Sono cellule che non si possono dividere e non possono crescere per divisione.
• Gli eritrociti, o globuli rossi, vengono dal midollo osseo e provengono dagli eritroplassi: via via si sono differenziati e man mano si sono liberati del nucleo, trasferendosi nel sangue.
• Il loro compito è quello di trasportare ossigeno a tutti i tessuti.

Anemia falciforme

La malattia è causata da una mutazione puntiforme del gene della catena β dell’emoglobina, che determina la sostituzione di un’adenina con una timina, GAG → GTG, che di conseguenza si traduce in una mutazione E6V, l’acido glutammico in posizione 6, posizionato in superficie nella catena beta, diventa una valina.

La sostituzione di un amminoacido idrofilo con uno idrofobico abbassa la solubilità della proteina in configurazione deossi, la valina interagisce con un sito idrofobico posto tra le eliche E-F di una catena beta di un’altra molecola di HB; questo determina la precipitazione dell’Hb con formazione di fibrille nell’emazie.

Quando si presenta?

La falcizzazione dell’eritrocita non è costitutiva ma si determina in particolari condizioni, quali ipossia, incremento dell’acidità, innalzamento della temperatura e presenza di acido 2,3 bisfosfoglicerico: tutte condizioni che si verificano nel microcircolo.

Conseguenze

Di conseguenza, i globuli rossi che contengono questo tipo di emoglobina, prendono il nome di eritrociti falciformi dato dalla loro struttura a falcetto che essendo tale, gli impedisce di percorrere fluidamente i vasi sanguigni, inoltre legano poco l’ossigeno.

Replicazione

La tripletta di DNA normale che dà origine a una tripletta sull’RNA messaggero guanina, adenina, adenina, si trasforma in un RNA messaggero mutato che è guanina, uracile, adenina che codifica per la valina.

La modificazione per l’emoglobina f