Emeproteine

Emeproteine

Emeproteine sono proteine globulari caratterizzate dalla presenza di un gruppo prostetico eme. Ne fanno parte l’emoglobina e la mioglobina. Il gruppo prostetico è una molecola di natura non proteica strettamente legata a una proteina per mezzo di legami forti. Le emeproteine comprendono la mioglobina e l’emoglobina, proteine che servono per legare l’ossigeno, ma anche i citocromi, che troviamo nel complesso III e IV della catena respiratoria. Il citocromo P450 fa parte di un enzima fondamentale per il metabolismo dei farmaci, quindi hanno tante funzioni, non solo per il trasporto degli elettroni, ma hanno anche attività catalitica. Anche la catalasi ha il gruppo eme, un enzima che serve per eliminare l’acqua ossigenata.

Funzione e struttura del gruppo eme

Il gruppo eme si comporta in maniera diversa a seconda della proteina, la funzione è determinata dall’ambiente in cui si trova e alla struttura tridimensionale della proteina. La caratteristica che accomuna tutti i gruppi eme è la presenza di un atomo di ferro e anelli pirrolici che formano la protoporfirina IX.

Parliamo di globina per definire la catena polipeptidica, quindi la parte proteica che funziona come sistema di supporto per il gruppo eme.

Mioglobina

La mioglobina Mb è tipica del muscolo, gli conferisce il colore rosso, famosa perché è stata la prima proteina per cui è stata determinata la struttura tridimensionale (di Capodoglio). Ha una struttura monomerica, è costituita da un’unica subunità, solo struttura terziaria, non ha una struttura quaternaria. Ha un solo gruppo eme. È abbastanza piccola, ha 153 aa che si dispongono a formare 8 α-eliche. Dalla regione N-terminale abbiamo una prima α-elica chiamata A, un ripiegamento AB, la catena B, la catena C, e così via. In questo modo le α-eliche si distribuiscono a formare una forma molto globulare, una globina. La struttura tridimensionale è fatta in modo di generare una sorta di tasca, una regione idrofobica, fra la catena E e la catena F, dove si inserisce il gruppo eme. Le catene laterali si dispongono all’esterno delle α-eliche, mentre gli aa idrofilici si dispongono tutti all’esterno della proteina. Gli aa idrofobici sono tutti rivolti verso l’interno.

Emoglobina

L’emoglobina Hb ha una struttura quaternaria, è fatta da più subunità, in particolare è un tetramero che nell’adulto più importante si chiama HbA, fatta da due subunità α e due subunità β. Quattro catene polipeptidiche uguali a due a due, ciascuna dotata di un gruppo eme. Le subunità α sono di 141 aa, le subunità β sono leggermente più grandi e sono di 146 aa. Le subunità α e β hanno una sequenza amminoacidica un pochino diversa, ma alla fine la struttura tridimensionale è sovrapponibile alla struttura tridimensionale della mioglobina. Quindi ci sono 8 α-eliche che si dispongono in modo da formare una tasca all’interno della quale troviamo l’eme. Durante lo sviluppo del nostro organismo, vediamo cambiare la nostra emoglobina: ad esempio nel feto abbiamo l’HbF, l’emoglobina fetale, formata sempre da due subunità α, ma al posto delle β ha due subunità γ; nello stato embrionale troviamo delle subunità ε, e ancora prima delle subunità θ. A seconda dello stato di sviluppo dell’organismo è necessario avere emoglobine con caratteristiche funzionali differenti. L’emoglobina fetale lega molto meglio l’ossigeno rispetto all’emoglobina della madre.

Il gruppo eme

Il gruppo eme si chiama protoporfirina IX ed è costituito da quattro anelli pirrolici legati da ponti metilici, dove abbiamo un CH con doppio legame. L’anello pirrolico è caratterizzato dalla presenza di un azoto al vertice. Questo azoto ha la possibilità di fare tre legami, ma ha il suo doppietto elettronico e può fare dei legami chiamati legami di coordinazione, quindi ogni azoto ha un legame di coordinazione con un atomo di ferro che si trova all’interno dell’anello.

Il ferro deve essere Fe²⁺, quindi stato di ossidazione 2+ (ridotto), oltre a riuscire a fare i quattro legami di coordinazione con gli azoti, può fare altri due legami, che sono perpendicolari ai legami tra il ferro e l’azoto. Gli altri due legami sono con l’azoto della catena laterale dell’istidina F8 o prossimale della globina, e l’altro con l’ossigeno. Esistono due istidine, l’istidina prossimale si lega al ferro e l’istidina distale stabilizza il legame dell’ossigeno con il ferro. Se il ferro diventa da Fe²⁺ a Fe³⁺, perde la possibilità di fare sei legami e gliene rimangono solo cinque. Il ferro ossidato non è in grado di legare l’ossigeno.

Gli anelli pirrolici hanno dei sostituenti, delle molecole legate, abbiamo due gruppi vinilici, due gruppi propionici e quattro gruppi metilici. La funzione di questi gruppi è quella di ancorare bene l’eme all’interno della tasca. Il ferro interagisce con la catena laterale dell’istidina nella α-elica F e questo già permette di legare l’eme alla proteina, ma l’eme viene stabilizzato perché le catene laterali viniliche e metiliche sono idrofobiche e interagiscono con gli aa idrofobici che rivestono la tasca. I gruppi propionici sono carichi negativamente, i gruppi carbossilici li vediamo spuntare fuori. Un altro aa importante è l’istidina E7 o distale, la cui funzione è quella di stabilizzare l’ossigeno quando si lega al ferro.

Processo di ossigenazione e deossigenazione

HbFe²⁺ deossiHb, è l’emoglobina pronta a legare l’ossigeno. Quando lega ossigeno diventa OssiHb (HbFe²⁺O₂) in un processo reversibile che si chiama ossigenazione/deossigenazione: Hb arriva ai polmoni, si ossigena, si forma HbFe²⁺O₂. Quando arriva a livello dei tessuti si deossigena e si forma HbFe²⁺. Qualche volta questo processo, soprattutto di deossigenazione, non funziona tanto bene e ogni tanto l’ossigeno, invece che staccarsi come ossigeno molecolare, si porta via un elettrone dal ferro che diventa ferro ossidato Fe³⁺ e l’emoglobina diventa meta-emoglobina. L’ossigeno è diventato un radicale, una specie reattiva dell’ossigeno che si chiama anione superossido. Questo è il processo di ossidazione dell’emoglobina.

L’ossidazione della meta-emoglobina è una cosa che succede spontaneamente, in ciascuno dei nostri eritrociti ci sono milioni di molecole di emoglobina che in ogni istante diventano metaemoglobina. Non è un problema perché abbiamo un enzima che utilizza il NADH (ridotto) che è un donatore di elettroni, per ridare l’elettrone all’emoglobina. Quindi la meta-emoglobina grazie alla meta-emoglobina reduttasi viene riportata a emoglobina attiva, a deossiHb.

Possiamo distinguere quando è presente deossiHb, ossiHb e metaHb: l’ossiHb ha un colore rosso acceso; la deossiHb ha un rosso più scuro; la metaHb ha un colore marrone. Il sangue diventa marrone perché l’emoglobina perde la sua struttura, il ferro dell’eme si ritrova nell’acqua dell’ambiente e si ossida, quindi il ferro ossidato ha un colore diverso dal ferro ridotto. Queste differenze di colore fra la ossiHb e la deossiHb, quindi ferro che lega ossigeno e quello che non lo lega, è ciò che permetterà di distinguere se è sangue arterioso o venoso.

Un’altra caratteristica che ha il ferro dell’eme è che reagisce con altissima affinità, maggiore che con l’ossigeno, con il CO (monossido di carbonio), formando la carbossiHb. L’affinità è così elevata che l’ossigeno non riesce a scalzare il CO, motivo per cui il CO è così pericoloso, rende l’emoglobina funzionalmente inattiva, intossicazione da calderina difettosa. L’emoglobina diventa di un colore rosso ciliegia, si vede bene nelle mucose dei pazienti affetti da intossicazione da CO, il colore delle mucose diventa di un rosso acceso.

Un’altra molecola che si può legare è il cianuro (CN) che preferisce legarsi al Fe³⁺, e va ad interferire soprattutto con i citocromi e il trasporto degli elettroni, intossicazione da cianuro.

Emoglobina glicata (HbA1C)

Nell’adulto abbiamo HbA_1C (α₂β₂) al 90%, un secondo tipo che si chiama HbA₂ (α₂δ₂) che in percentuale è bassa, e ci rimane meno del 2% di HbF (α₂γ₂) che portiamo dietro come retaggio di quando eravamo feti. Queste percentuali possono cambiare nella talassemia-β dove l’HbF può raggiungere il 25%.

Nel sangue esiste anche una forma particolare di emoglobina A che si chiama HbA_1C che è l’emoglobina glicata, che ha legato il glucosio. Il glucosio libero nel sangue si può legare covalentemente all’emoglobina: il gruppo aldeidico del glucosio reagisce con i gruppi amminici della Hb. Se la concentrazione di glucosio nel sangue è molto elevata (es. diabete non trattato adeguatamente) la quantità di emoglobina glicata aumenta in modo notevole (oltre il 6%). La misura dell’emoglobina glicata viene usata in clinica per monitorare la risposta a lungo termine dei diabetici ai trattamenti ipoglicemizzanti. Gli eritrociti (e quindi l’Hb contenuta) permangono in circolo per circa 120 giorni, quindi l’HbA_1C riflette l’andamento della glicemia negli ultime 8-12 settimane. Se la concentrazione di glucosio è normale la HbA_1C dev’essere al di sotto del 5% circa.

Tipi di emoglobine

Tipi di emoglobine cambiano a seconda dello stato dello sviluppo. Inizialmente abbiamo al posto delle catene β delle catene ε, e piano piano durante il passaggio dallo stato embrionale allo stato fetale, gli eritrociti vengono prodotti da fegato e milza e compare la catena γ; progressivamente verso la fine della gestazione diminuisce la produzione di catene γ e parte la produzione delle catene β e δ, per avere a pochi mesi di vita la situazione dell’adulto, a quel punto la eritropoiesi avviene a livello del midollo osseo. I geni che codificano per le catene β, δ, γ, e ε si trovano su un unico locus del cromosoma 11 che si chiama locus delle β-globine. Hanno la parte proteica, la globina, con una sequenza amminoacidica molto simile. Derivano da una serie di duplicazioni geniche.

Struttura dell’eme e i suoi rapporti con la parte globinica

Se guardiamo l’eme di lato vediamo che tutti gli atomi dei vari anelli si trovano sullo stesso piano, tutti gli atomi di C e N che troviamo nella struttura dell’eme sono perfettamente complanari. Anche Fe vorrebbe stare sullo stesso piano, ma quando non lega l’ossigeno, è troppo grosso e non si incastra bene tra gli azoti. Non riuscendo ad inserirsi bene, distorce leggermente la struttura (ricordiamo che è legato all’istidina prossimale della catena polipeptidica). Nel momento in cui Fe lega l’ossigeno, avviene un riarrangiamento elettronico della struttura elettronica del ferro che diventa un pochino più piccolo.