Proteine respiratorie: emoglobina e mioglobina

Proteine respiratorie: mioglobina ed emoglobina

La funzione delle proteine

La comprensione della struttura tridimensionale di una proteina è essenziale per comprendere la sua funzione, poiché le proteine sono molecole dinamiche il cui comportamento è influenzato da variazioni conformazionali. Queste variazioni possono essere limitate o estese, influenzando le funzioni fisiologiche delle proteine.

Molte proteine svolgono funzioni che richiedono il legame reversibile con altre molecole, chiamate ligandi. Un ligando si lega reversibilmente a una proteina in un sito di legame complementare in termini di dimensioni, forma, carica e caratteristiche idrofiliche o idrofobiche. Questa interazione è specifica e consente all'organismo di rispondere rapidamente e reversibilmente a cambiamenti ambientali e metabolici.

Le proteine sono flessibili, e le modifiche conformazionali riflettono i piccoli movimenti dei residui amminoacidici nella proteina. Il legame tra proteina e ligando è spesso accompagnato da una modificazione conformazionale della proteina, rendendo il sito di legame più complementare al ligando e trattenendolo più saldamente. Questo adattamento tra proteina e ligando è chiamato adattamento indotto.

Inoltre, le interazioni tra proteine e ligandi possono essere regolate attraverso il legame di ligandi specifici, causando alterazioni strutturali nella proteina che possono modificare il legame del primo ligando. In questo modo, le proteine possono adattarsi alle condizioni ambientali e svolgere funzioni specifiche nell'organismo.

Mioglobina ed emoglobina

Le proteine respiratorie mioglobina ed emoglobina sono classificate come proteine coniugate. Queste proteine sono costituite da una parte proteica chiamata globina e da una porzione non proteica chiamata gruppo prostetico (EME). La porzione proteica senza il gruppo prostetico è chiamata apoproteina, mentre la forma completa con il gruppo prostetico è chiamata oloproteina.

Le proteine legano l'ossigeno

L'ossigeno, essendo poco solubile in acqua, non può essere trasportato in quantità sufficienti ai tessuti se è solo disciolto nel plasma sanguigno. Le catene laterali degli amminoacidi non sono idonee a legare reversibilmente l’ossigeno; quindi, questo ruolo è svolto da alcuni metalli di transizione, come ferro e rame.

Il ferro, spesso legato a una proteina sotto forma di eme, può legare reversibilmente l'ossigeno nello stato ferroso (Fe²⁺), ma non nello stato ferrico (Fe³⁺). L'eme, costituito da una protoporfirina IX e un atomo di ferro, ha sei legami di coordinazione. L'atomo di ferro lega reversibilmente l'ossigeno nello stato ferroso ma non nello stato ferrico. Questa reattività è cruciale per il trasporto dell'ossigeno in alcune proteine, come l'emoglobina.

Il ferro libero può generare specie reattive dell'ossigeno, ma quando è legato a una proteina, come nell'eme, è meno reattivo. Il gruppo eme è coinvolto nella conversione irreversibile di Fe²⁺ a Fe³⁺ quando è libero, ma questa reazione non avviene quando è inserito in una proteina, poiché l'accessibilità ai siti di coordinazione è limitata.

Nelle globine, uno dei due legami di coordinazione dell'eme è occupato da un atomo di azoto di un residuo His prossimale, mentre l'altro legame è il sito a cui si lega l'ossigeno. La legatura dell'ossigeno modifica le proprietà elettroniche del ferro, spiegando la differenza di colore tra sangue venoso e sangue ossigenato.

Alcune molecole, come monossido di carbonio e ossido di azoto, possono coordinarsi al ferro dell'eme con affinità superiore a quella dell'ossigeno. Quando una molecola come il monossido di carbonio si lega all'eme, impedisce la legatura dell'ossigeno, rendendolo tossico per gli organismi aerobici.

Globine

Le proteine appartenenti a una classe specializzata svolgono funzioni chiave nel trasporto, immagazzinamento e rilevamento di ossigeno. Questa categoria comprende:

• Mioglobina: Proteina monomerica che facilita la diffusione dell'ossigeno nei tessuti muscolari, contribuendo al rifornimento locale di ossigeno.
• Emoglobina: Proteina tetramerica responsabile del trasporto sistemico dell'ossigeno nel circolo sanguigno. Aumenta significativamente la solubilità dell'ossigeno nel plasma.
• Neuroglobina: Proteina monomerica espressa nei neuroni, svolge un ruolo protettivo contro l'ipossia e l'ischemia, contribuendo a preservare il cervello da condizioni di bassa ossigenazione e scarsa irrorazione sanguigna.
• Citoglobina: Proteina monomerica che si trova in elevate concentrazioni sulle pareti dei vasi sanguigni e regola i livelli di ossido di azoto.

L'emoglobina e la mioglobina sono proteine coniugate, caratterizzate dalla presenza di una parte proteica e una non proteica. Entrambe legano reversibilmente l'ossigeno, con la mioglobina responsabile del rifornimento locale di ossigeno nei tessuti muscolari, mentre l'emoglobina trasporta sistemicamente l'ossigeno nel sangue, aumentando significativamente la sua solubilità nel plasma.

Mioglobina

La mioglobina è una proteina composta da un singolo polipeptide di 153 residui amminoacidici, con una molecola di eme come gruppo prostetico. La sua struttura primaria, secondaria e terziaria è caratterizzata da una catena polipeptidica con otto segmenti a α-elica e alcuni ripiegamenti β. Le α-elica, principalmente destrorsi, formano una struttura compatta. I ripiegamenti che connettono le α-eliche sono indicati con AB, CD, EF, ecc.

La mioglobina contiene una tasca idrofobica in cui si trova l'eme, il sito di legame per l'ossigeno. L'eme è costituito da un anello tetrapirrolico con un atomo di ferro al centro. La mioglobina può esistere in forma ossigenata, deossigenata e come metaemoglobina, a seconda dello stato di ossidazione del ferro.

Il ferro nell'eme ha sei legami di coordinazione, di cui quattro con azoto, uno con istidina prossimale e uno con l'ossigeno. La mioglobina agisce come riserva di ossigeno nelle cellule muscolari, rilasciandolo in risposta a variazioni nella pressione parziale di ossigeno. La sua funzione principale si esplica nei mitocondri quando la pressione parziale di ossigeno diminuisce, come durante l'attività muscolare.

La mioglobina presenta una densa regione idrofobica al suo interno, mentre i gruppi R polari si trovano sulla superficie esterna, idratati. I residui di prolina sono localizzati nei ripiegamenti della catena polipeptidica. La struttura della mioglobina è stabilizzata da interazioni deboli, come quelle idrofobiche e le forze di Van der Waals a breve raggio.