Proteine

EFFETTO DI PERUTZ

Quando una molecola di emoglobina nella forma T (tesa) lega una molecola di ossigeno, si verifica

un evento strutturale fondamentale, descritto da Max Perutz, noto come effetto di Perutz. Questo

effetto spiega come il legame dell’ossigeno a un singolo gruppo eme favorisca la transizione

dell’intera molecola dalla forma T alla forma R.

Meccanismo molecolare

Nella forma T, il ferro (Fe²⁺) del gruppo eme si trova leggermente spostato verso l’istidina

prossimale, fuori dal piano dell’anello porfirinico, rendendo più difficile il legame con l’ossigeno.

Tuttavia, quando l’ossigeno riesce a legarsi, si innesca una serie di cambiamenti strutturali:

Riduzione del raggio atomico del ferro:

1. il ferro, legandosi all’ossigeno, completa i sei legami

di coordinazione e si riduce di raggio, diventando più piccolo.

Spostamento del ferro al centro della molecola:

2. il cambiamento dimensionale provoca una

trazione del ferro verso il lato dell’ossigeno, che lo fa entrare nel piano dell’anello eme.

L’anello porfirinico diventa planare.

3. L’ossigeno si lega perpendicolarmente al piano dell’anello.

4. Spostamento dell’istidina prossimale:

5. l’istidina prossimale (legata al ferro) viene trascinata

verso l’alto, tendendo anch’essa a disporsi perpendicolarmente al piano dell’eme.

Spostamento della valina:

6. il movimento dell’istidina provoca un impedimento sterico con una

valina vicina, che quindi si sposta.

Osservando il modello tridimensionale si nota che la valina, nella forma T, forma un legame a

idrogeno con una tirosina. Poiché il legame a idrogeno è direzionale, lo spostamento della valina

rompe l’allineamento dei nuclei e quindi il legame a idrogeno si spezza. La tirosina, non più

trattenuta, si muove a sua volta, rompendo altri legami.

reazione a cascata:

Tutto questo genera una

• La prima molecola di ossigeno che si lega rompe numerosi legami nella struttura T;

• La seconda molecola trova già parzialmente destabilizzata la struttura, quindi richiede meno

energia;

• E così via, fino a quando la maggior parte delle subunità si trova nella forma R.

Di conseguenza, il ΔG della reazione di legame si riduce progressivamente, rendendo il legame

dell’ossigeno sempre più facile: questo è alla base della cooperatività dell’emoglobina.

EFFETTO BOHR relazione tra il pH del sangue e l’affinità dell’emoglobina per

L’effetto Bohr descrive la

l’ossigeno. acidosi

In condizioni di (cioè quando il pH diminuisce), l’affinità dell’emoglobina per

curva di saturazione si sposta verso destra.

l’ossigeno si riduce, e la dell’ossigeno

Significato fisiologico

Quando il pH scende, di solito significa che nei tessuti si è

accumulata CO₂ (prodotto del metabolismo cellulare), la

quale genera acido carbonico e protoni (H⁺). In queste

condizioni, serve rilasciare più ossigeno ai tessuti, e dunque

ridurre l’affinità dell’emoglobina per O₂ è vantaggioso.

L’effetto Bohr si basa sull’equilibrio tra le due forme

conformazionali dell’emoglobina:

•

Forma T (tesa) → bassa affinità per O₂

•

Forma R (rilassata) → alta affinità per O₂

Nota - Il pH agisce modulando la protonazione di alcuni

residui di amminoacidi, in particolare l’istidina.

Ruolo dell’istidina

pKₐ ≈ 7, sia protonata che deprotonata.

L’istidina ha un quindi a pH fisiologico può trovarsi

• Quando il pH scende, l’istidina si protona più facilmente e può formare legami a idrogeno con

un residuo di aspartato, stabilizzando la forma T (desossiemoglobina). In questo modo, si riduce

→

l’affinità per l’ossigeno e si favorisce il rilascio ai tessuti Questa interazione spiega circa il

30% dell’effetto Bohr.

• Il restante 70% deriva da altri legami simili che coinvolgono altre istidine, ma anche residui

valina,

come la i cui gruppi amminici partecipano alla formazione di ponti salini e legami

idrogeno sensibili al pH.

EFFETTO ANIDRIDE CARBONICA (CO₂)

Un altro meccanismo regolatore dell’affinità dell’emoglobina per

l’ossigeno è l’effetto della CO₂, che agisce in due modi distinti

ma complementari.

Effetto indiretto tramite acidificazione

La CO₂, sciogliendosi nel plasma, reagisce con l’acqua.

⇌ ⇌

CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ + HCO₃⁻

Questa reazione, catalizzata dall’anidrasi carbonica, produce

ioni H⁺ che abbassano il pH, quindi agiscono allo stesso modo

dell’effetto Bohr, stabilizzando la forma T e favorendo il rilascio

di ossigeno.

Effetto diretto tramite legame covalente

CO₂ può legarsi direttamente ai gruppi amminici terminali delle catene globiniche,

Inoltre, la carbammati:

formando ⇌

R-NH₂ + CO₂ R-NH-COO⁻ + H⁺ →

Questo legame stabilizza ulteriormente la forma T dell’emoglobina I protoni (H⁺) liberati in

questa reazione potenziano ancora l’effetto Bohr, amplificando il rilascio di ossigeno.

Importanza fisiologica

• capillari tissutali,

Nei dove la concentrazione di CO₂ è elevata, l’effetto combinato di CO₂ e H⁺

sposta la curva di saturazione verso destra, permettendo all’emoglobina di cedere ossigeno ai

tessuti attivi.

• polmoni,

Nei invece, dove la CO₂ viene eliminata, il pH aumenta e l’equilibrio torna verso la

forma R, favorendo il legame dell’ossigeno.

EMOGLOBINA FETALE (HbF)

Durante la vita fetale, l’organismo non utilizza la classica emoglobina adulta (HbA), ma una

variante chiamata emoglobina fetale (HbF).

• Emoglobina adulta (HbA): 2 catene α + 2 catene β

• Emoglobina fetale (HbF): 2 catene α + 2 catene γ

Le catene γ sono strutturalmente simili alle β, ma differiscono per alcuni amminoacidi, tra cui una

sostituzione cruciale per l’interazione con il 2,3-BPG.

maggiore affinità per l’ossigeno

L’emoglobina fetale ha una rispetto a quella materna. Questo è

fondamentale perché il feto deve estrarre ossigeno dal sangue materno attraverso la placenta,

dove la pressione parziale di O₂ è relativamente bassa.

Il maggiore legame di O₂ da parte di HbF deriva da una

minore interazione con il 2,3-BPG:

• Nelle catene β dell’HbA, nella cavità centrale è presente

istidina

un residuo di (carica positiva) che lega il 2,3-

BPG (carico negativo).

Nelle catene γ dell’HbF, questa istidina è sostituita da

• serina,

una che non può legare efficacemente il 2,3-

BPG.

Di conseguenza il 2,3-BPG si lega meno saldamente

all’HbF, che rimane più facilmente nella forma R e quindi

mostra una maggiore affinità per l’ossigeno.

Grazie a questa differenza l’emoglobina fetale riesce a “sottrarre” ossigeno all’emoglobina

materna, garantendo così un adeguato apporto di ossigeno ai tessuti fetali.

INTOSSICAZIONE DA MONOSSIDO DI CARBONIO (CO)

gas inodore, incolore e non irritante,

Il monossido di carbonio è un quindi difficile da

combustione

individuare. L’intossicazione da monossido di carbonio si verifica in caso di

incompleta di sostanze contenenti carbonio.

Sintomi e aspetto clinico aspecifici:

I primi sintomi di intossicazione sono cefalea, nausea, vomito e confusione mentale.

non presenta cianosi, colorito

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il paziente ma un

rosato. Ciò accade perché il ferro dell’emoglobina risulta comunque “saturato” (anche se dal CO,

e non dall’O₂).

Diagnosi e trattamento ricordarsi della possibilità di

La diagnosi è spesso clinica, e il passo fondamentale è

un’intossicazione da CO in presenza di sintomi compatibili e ambiente a rischio.

• uscire immediatamente dall’ambiente contaminato,

La prima misura da adottare è per

ridurre la concentrazione di CO a zero (principio di equilibrio).

• somministrazione di ossigeno al 100%,

In ospedale, il trattamento consiste nella che

favorisce il distacco del CO dall’emoglobina.

• camera iperbarica, carbossiemoglobina

Nei casi più gravi si ricorre alla dove l’emivita della

(HbCO) 240 minuti a circa 20 minuti.

si riduce da circa

Carbossiemoglobina e fisiologia

La carbossiemoglobina rappresenta la percentuale dei siti di legame dell’emoglobina occupati dal

CO. Tutti noi ne possediamo una minima quota fisiologica: l’esistenza dell’istidina distale

nell’emoglobina riduce infatti l’affinità del ferro per il CO, impedendo una letale saturazione

completa. Nei fumatori la percentuale di carbossiemoglobina è più elevata, motivo in più per cui il

fumo risulta dannoso.

Livelli di tossicità

• 20% di carbossiemoglobina

Sintomi di intossicazione: ≈

• 50% di carbossiemoglobina

Danni neurologici e rischio di morte: ≈

È importante notare che una saturazione del 50% di HbCO non equivale a perdere il 50%

dell’emoglobina, ma è molto peggio. Infatti, mentre nell’anemia il corpo può compensare con un

aumento della gittata cardiaca e della frequenza respiratoria, nel caso dell’HbCO l’emoglobina

non rilascia ossigeno ai tessuti.

quattro siti di legame.

L’emoglobina ha Se il 50% di questi è occupato dal CO, significa che:

alcune molecole legano solo CO, altre legano solo O₂, altre ancora legano entrambi in proporzioni

variabili.

A livello dei capillari tissutali:

• 4 CO

Una molecola che lega non può rilasciare ossigeno.

• 3 CO e 1 O₂

Una molecola che lega non cede l’ossigeno, perché il CO mantiene l’emoglobina

nella forma R (rilassata), con alta affinità per l’ossigeno.

Di conseguenza, anche un solo CO legato può “bloccare” la molecola, impedendo il rilascio

dell’O₂ ai tessuti.

A 20 mmHg di pressione parziale di ossigeno, l’emoglobina satura di CO non rilascia ossigeno, e

lo farebbe solo a valori estremamente bassi (≈ 0,1 mmHg). Pertanto, una concentrazione del 50%

solo il 7% di emoglobina disponibile,

di carbossiemoglobina equivale funzionalmente ad avere

una condizione paragonabile a un’emorragia del 93%.

Differenze strutturali tra CO e O₂ e affinità di legame circa 200 volte superiore

Il monossido di carbonio (CO) presenta un’affinità per l’emoglobina

rispetto a quella dell’ossigeno (O₂). Questa marca