Concetti Chiave
- Il ferro, in forma di ione ferroso (Fe2+), gioca un ruolo cruciale nella struttura del gruppo eme, stabilizzata da interazioni con le catene laterali degli amminoacidi.
- Il legame dell'ossigeno al gruppo eme provoca un riposizionamento del piano dell'anello tetrapirrolico, influenzando la stabilità dell'ossigeno tramite l'istidina distale.
- Solo il ferro ferroso può legare l'ossigeno in modo reversibile; la formazione di ferro ferrico porta alla metaemoglobina, che rappresenta circa l'1,7% dell'emoglobina totale.
- L'intossicazione da monossido di carbonio è pericolosa poiché il CO si lega al gruppo eme con un'affinità 250.000 volte superiore rispetto all'ossigeno, compromettendo il trasporto di ossigeno.
- La differenza strutturale tra emoglobina e mioglobina influenza la loro funzione; l'emoglobina è una proteina allosterica, mentre la mioglobina ha una struttura terziaria con un'unica catena polipeptidica.
Struttura e funzione del ferro
Il ferro è allo stato 2+, quindi ione ferroso. Il numero atomico del ferro è 26, allo stato ferroso ha perso 2 elettroni, lasciando 6 elettroni nell'orbitale 3d, con un po' di energia si riarrangiano formando 6 orbitali ibridi d2sp3 e tre orbitali 3d pieni. Non solo grazie alle istidine prossimali e distali, ma grazie anche a circa 80 interazioni non covalenti tra le catene laterali degli amminoacidi circostanti e gli atomi di carbonio dell'anello tetrapirrolico, nel complesso questa struttura che sorregge il gruppo eme si chiama tasca idrofobica. Anche se lo vediamo fermo nell'immagine, il gruppo eme esegue, ogni nanosecondo, dei piccoli movimenti molecolari formando delle cavità transitorie che permettono all'ossigeno di entrare e uscire nella proteina e legarsi. Tra le varie specie le sequenze amminoacidiche delle catene globiniche sono molto variabili, ma restano costanti le istidine prossimali e distali, il che indica quanto siano importanti per la stabilizzazione di questa struttura.
Legame dell'ossigeno e ruolo dell'istidina
Il piano dell'anello tetrapirrolico del gruppo eme non è perpendicolare rispetto al legame con l'istidina, ma è inclinato, tutto questo se non è legato l'ossigeno, mentre quando si lega all'ossigeno diventa perfettamente perpendicolare.
Questo riposizionamento influenza il rapporto dell'ossigeno con l'altro residuo di istidina, ovvero l'istidina distale (E7), infatti quest'ultima contribuirà a formare un ponte idrogeno con l'ossigeno per stabilizzarlo.
Metaemoglobina e sistemi enzimatici
Solo il ferro ferroso può legare reversibilmente l'ossigeno, il ferro ferrico no. Quest'ultimo si forma quando il gruppo eme non è legato alla proteina, quindi si trova in soluzione, e lega l'ossigeno, in questo caso il ferro ferroso si ossida a ferro ferrico. Tutto ciò avviene molto più difficilmente quando il gruppo eme è legato alla proteina perché i legami di coordinazione rendono più difficile la perdita dell’elettrone. Questo tipo di emoglobina prende il nome di metaemoglobina e fisiologicamente circa l'1,7% dell'emoglobina totale è in questa forma. Un quantitativo maggiore è sintomo di metaemoglobinemia. Esistono sistemi enzimatici per aggiustare il ferro ferrico a ferroso i quali coinvolgono gli enzimi: NADPH, metaemoglobina reduttasi, superossido dismutasi e glutatione reduttasi.
Intossicazione da monossido di carbonio
Esiste l'intossicazione da monossido di carbonio, questo perché il gruppo eme è in grado di legare anche esso, impedendo il trasporto di ossigeno. Separando il gruppo eme dalla proteina, il legame tra esso e CO è 250K volte più potente di quello con l'ossigeno, legato alla proteina l'affinità si abbassa a 250 volte quella dell'ossigeno. Le due proteine ricordiamo che hanno una struttura diversa che determina la diversa funzione. L'emoglobina ha una struttura quaternaria e fa sì che sia una proteina allosterica, ovvero può subire cambiamenti conformazionali per mezzo di un ligando, detto effettore allosterico, in questo caso l'ossigeno, che ne cambia anche la funzione. Lo si può notare anche paragonando le curve di legame dell'ossigeno di mioglobina ed emoglobina. La mioglobina ha un'unica catena polipeptidica con 6 una struttura terziaria. Sull'asse delle ordinate si riporta la saturazione relativa, mentre sull'asse delle ascisse indichiamo la pressione parziale dell'ossigeno.
Domande da interrogazione
- Qual è la struttura fondamentale del ferro e il suo stato di ossidazione?
- Come influisce il legame dell'ossigeno sulla conformazione del gruppo eme?
- Qual è la differenza tra ferro ferroso e ferro ferrico in relazione al legame dell'ossigeno?
- Qual è il rischio associato all'intossicazione da monossido di carbonio?
- In che modo la struttura dell'emoglobina differisce da quella della mioglobina?
Il ferro è presente nello stato 2+, cioè come ione ferroso, con numero atomico 26. Ha perso 2 elettroni, lasciando 6 elettroni nell'orbitale 3d, che si riarrangiano formando orbitali ibridi d2sp3.
Quando l'ossigeno si lega al gruppo eme, il piano dell'anello tetrapirrolico diventa perpendicolare al legame con l'istidina, influenzando il rapporto con l'istidina distale che stabilizza l'ossigeno tramite un ponte idrogeno.
Solo il ferro ferroso può legare reversibilmente l'ossigeno, mentre il ferro ferrico, che si forma quando il gruppo eme non è legato alla proteina, non può farlo. Circa l'1,7% dell'emoglobina totale è in forma di metaemoglobina, che è ferro ferrico.
Il monossido di carbonio si lega al gruppo eme con un'affinità 250.000 volte superiore rispetto all'ossigeno, impedendo il trasporto di ossigeno e causando intossicazione.
L'emoglobina ha una struttura quaternaria e funziona come una proteina allosterica, mentre la mioglobina ha una struttura terziaria con un'unica catena polipeptidica, influenzando le curve di legame dell'ossigeno.
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