Mioglobina ed Emoglobina

MIOGLOBINA

ED

EMOGLOBINA

EMOPROTEINE

Le emoproteine sono proteine molto importanti, coniugate con

una o più unità di eme (ferro-porfirina); questo gruppo prostetico

contiene un nucleo centrale metallico (ione ferroso, Fe ) chelato

2+

da un tetrapirrolo ciclico (porfirina).

Le funzioni delle emoproteine possono essere diverse a

seconda del tipo:

trasporto di O ;

• 2

riserva di O ;

• 2

• trasporto elettronico tramite reazioni redox;

• degradazione di radicali liberi e xenobiotici.

Fra i numerosi esempi di emoproteine umane e animali

ricordiamo:

MIOGLOBINA ED EMOGLOBINA

Nell’emoglobina e nella mioglobina il nucleo metallico

dell’eme è sempre uno ione ferroso. L’ossidazione di Fe 2+

compromette la funzione delle due emoproteine.

Nei citocromi, invece, il nucleo centrale dell’eme può

alternativamente ossidarsi (ione ferrico, Fe ) e ridursi (ione

3+

ferroso, Fe ), permettendo il trasporto di elettroni da una

2+

molecola all’altra. MIOGLOBINA

La mioglobina è una piccola proteina compatta intracellulare

costituita da una singola catena polipeptidica (17 KDa), di forma

approssimativamente sferica.

La mioglobina funziona come carrier di ossigeno tra il sangue

extracellulare e il mitocondrio.

Questa molecola è presente nel tessuto muscolare striato dove

svolge una funzione importante: immagazzina l’ossigeno che, in

condizioni di scarsa ossigenazione (es. durante lo sforzo fisico),

MIOGLOBINA

La maggior parte dei 153 residui della

mioglobina fanno parte di 8 segmenti ad α-

elica (indicati con lettere da A ad H), che si

organizzano formando una proteina

globulare. La mioglobina contiene un unico

gruppo eme. Questo gruppo è saldamente

associato alla proteina in una tasca idrofobica

posta tra le eliche E ed F. Il sistema ad anello eterociclico

dell’eme è un derivato porfirinico

contenente 4 gruppi pirrolici

(indicati con le lettere da A a D)

uniti da ponti metinici.

MIOGLOBINA

L’atomo di ferro (Fe ) al centro del gruppo eme è coordinato a

2+

4 atomi di azoto della porfirina e ad un quinto atomo di azoto

della catena laterale della istidina prossimale, His-F8 (His-93). Il

sesto legame di coordinazione serve per legare l’ossigeno. L’His-

E7 (His-64) forma un legame idrogeno con l’ossigeno.

La posizione

dell’His-93 nella

mioglobina è sempre

conservata.

MIOGLOBINA

L’eme viene mantenuto nella

corretta posizione da

interazioni con due catene laterali

idrofobiche, Val-E11 e Phe-CD1,

poste ai lati della struttura.

Sembra che queste catene laterali

si spostino quando la proteina

“respira”, favorendo l’ingresso e

l’uscita di ossigeno.

Quando l’atomo di Fe di un

2+

gruppo isolato entra in

contatto con l’ossigeno si

ossida irreversibilmente a Fe ,

3+

una forma ionica che non può

legare ossigeno.

La parte proteica della mioglobina

impedisce l’ossidazione dell’eme

e rende invece possibile un

MIOGLOBINA ED EMOGLOBINA

In alcune condizioni il Fe della mioglobina o dell’emoglobina

2+

può essere ossidato a Fe , formando rispettivamente

3+

metamioglobina e metaemoglobina; queste proteine

conferiscono il colore marrone scuro alla carne vecchia e al

sangue secco.

Oltre all’ossigeno, il gruppo eme presente nelle proteine può

legare anche piccole molecole come CO, NO ed H S. Questi

2

composti si legano all’eme con un’affinità molto superiore a

quella dell’ossigeno e ciò spiega la loro tossicità per gli organismi

viventi. Il CO, per es., ha un’affinità per l’emoglobina 200 volte

MIOGLOBINA

L’atomo di ferro è posizionato fuori dal piano dell’anello

tetrapirrolico della porfirina. Durante il legame con l’ossigeno, il

ferro si inserisce all’interno del piano della porfirina. Questo

determina un effetto di trazione sulla istidina prossimale (a cui il

ferro è legato) e dei residui ad esso legati determinando una

modificazione strutturale delle proteine.

MIOGLOBINA

La velocità con cui l’ossigeno diffonde dai capillari nei tessuti è

limitata dalla sua bassa solubilità nelle soluzioni acquose (circa 10 M nel

-4

sangue). La mioglobina aumenta la solubilità effettiva dell’ossigeno nel

muscolo, agendo come un serbatoio molecolare che accellera la

diffusione dell’ossigeno. La funzione di conservatore di ossigeno viene

svolta dalla mioglobina soltanto nei mammiferi acquatici come le foche e

le balene, nei cui muscoli la concentrazione di mioglobina è circa 10

volte superiore a quella dei mammiferi terrestri.

Il legame reversibile dell’ossigeno alla mioglobina (Mb) è descritto

dalla seguente reazione all’equilibrio:

La costante di dissociazione K della reazione è:

La dissociazione dell’ossigeno dalla mioglobina può essere

caratterizzata mediante la sua saturazione frazionale, Yo , che viene

2

definita come la frazione di siti di legame dell’ossigeno realmente

occupata dall’O :

2 MIOGLOBINA

Dato che l’ossigeno è un gas, è conveniente esprimere la sua

concentrazione nella forma di pressione parziale, pO :

2

Questa equazione descrive un’iperbole rettangolare:

MIOGLOBINA

Cinetica di legame dell’O per Mb :

2

a bassi valori di pO si lega poco O alla Mb;

• 2 2

all’aumentare della pO aumentano i siti occupati da O ;

• 2 2

a valori di pO elevati si ha la saturazione (tutti i siti sono

• 2

occupati);

• la pendenza della curva aumenta al diminuire di K;

quando K = pO → Yo = 0.5 (Mb è saturata al 50% da O );

• 2 2 2

• operativamente la costante di dissociazione K può essere

definita come p , ovvero la pressione di ossigeno a cui la

50

mioglobina è saturata al 50%;

la Mb ha una p molto bassa (circa 2.8 torr) e quindi un’alta

• 50

affinità per l’O ;

2

• la Mb deve essere in grado di catturare, nel citoplasma di

cellule metabolicamente molto attive, l’O proveniente dal

2

torrente circolatorio (pO circa 30 torr) ed essere in grado di

2

rilasciarlo ai mitocondri (pO < 4 torr);

2

alle pO fisiologiche nel sangue (100 torr nelle arterie e 30

• 2 EMOGLOBINA

L’emoglobina dei mammiferi è un tetramero con una struttura

quaternaria α β . Le subunità α e β sono strutturalmente ed

2 2

evoluzionisticamente correlate l’una all’altra e alla mioglobina.

Soltanto il 18% dei residui sono identici nella mioglobina e nelle

subunità α e β dell’emoglobina, ma i 3 polipeptidi hanno strutture

terziarie straordinariamente simili. I protomeri αβ dell’emoglobina

sono correlati simmetricamente da un doppio asse di rotazione.

Inoltre, le subunità strutturalmente simili α e β sono correlate

approssimativamente da un doppio asse di rotazione

(pseudosimmetria) perpendicolare al vero asse di simmetria.

EMOGLOBINA

Il legame all’ossigeno altera l’intera struttura del tetramero e

di conseguenza le strutture della deossiemoglobina e

dell’ossiemoglobina sono considerevolmente diverse. In

entrambe le forme le subunità α e β possiedono un gran numero

di contatti suddivisibili in due regioni: quelli presenti

nell’interfaccia α -β (e all’interfaccia equivalente α -β ) che

1 1 2 2

coinvolgono 35 residui, e quelli presenti nell’interfaccia α -β (e

1 2

all’equivalente α -β ) che coinvolgono 19 residui. Queste

2 1

associazioni sono prevalentemente idrofobiche, anche se sono

presenti legami idrogeno e coppie ioniche. Restringiment

o del

canale del

solvente

DEOSSIEMOGLOBINA OSSIEMOGLOBINA

EMOGLOBINA

Quando si lega l’ossigeno, i contatti nella regione α -β (e nella

1 2

regione α -β ) si spostano producendo una modificazione della

2 1

struttura quaternaria. L’ossigeno determina la rotazione di un

dimero αβ di circa 15° rispetto all’altro dimero, che porta a un

avvicinamento della subunità β restringendo il canale centrale

pieno di solvente dell’emoglobina.

EMOGLOBINA

I contatti α -α o β -β sono pochi e di carattere polare.

1 2 1 2

Queste subunità si guardano l’un l’altra attraverso un

canale pieno di solvente del diametro di circa 20 Å. Il

canale è coassiale con l’asse di simmetria della molecola.

EMOGLOBINA

L’emoglobina ha un valore di p di 26 torr, un valore circa 10

50

volte più grande di quello della mioglobina. Inoltre, l’emoglobina

non presenta una curva di legame dell’ossigeno con andamento

iperbolico. Il legame dell’ossigeno all’emoglobina è invece

descritto da una curva sigmoide (a forma di S). Questa proprietà

consente al sangue di trasportare molto più ossigeno ai tessuti,

soprattutto se paragonato ad una proteina equivalente con una

curva di saturazione iperbolica. Per esempio,

l’emoglobina è

praticamente saturata

da ossigeno alla

pressione di oss