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Amminoacidi e proteine

Rappresentazione grafica della struttura di aminoacidi e proteine correlata ad un'ottima sintesi che spiega la struttura primaria e le superiori delle proteine stesse, i principali amminoacidi nonché il Folding delle proteine assieme alla loro struttura nativa.

Esame di Chimica biologica docente Prof. A. Aliverti

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-elica -foglietto,

Una proteina difficilmente si trova tutta in forma di o di più facilmente tali

strutture sono presenti entrambe ed intervallate da tratti di catena apparentemente disorganizzati, di

Quindi, per collegare α- ci sono le

lunghezza variabile. eliche e foglietti-β regioni loop (regioni ad

antiparalleli

ansa), tratti di catena coinvolti in ripiegamenti "a gomito". Per unire due filamenti

esistono i cosiddetti loop a forcina, quando i loop sono di dimensioni particolarmente ridotte si

parla semplicemente di ripiegamenti (turns), ad esempio, brevi curve di 3-5 residui che collegano

due filamenti β consecutivi, orientati in modo antiparallelo prendono il nome di β-turns. Le regioni

loop sono sulla superficie della proteina, mentre il core è costituito dagli altri due tipi di strutture.

Strutture supersecondarie

Quando alcune strutture secondarie si combinano danno origine alle cosiddette strutture

supersecondarie o motivi strutturali che ricorrono frequentemente in proteine anche molto

diverse tra loro per la loro struttura complessiva. Queste organizzazioni spaziali della proteina sono

-eliche, 

costituite da combinazioni differenti di foglietti e loop e sono ad un livello di

complessità compreso tra la struttura secondaria e quella terziaria.

22

I motivi strutturali più ricorrenti sono i seguenti: 

La chiave greca è detta così per la disposizione dei filamenti che è tipica delle antiche decorazioni

  -elica;

elleniche; è detto cappio ed è dato dall'associazione di due filamenti e di una il

barrel,

barile invece, è una struttura di forma cilindrica di catene distese beta. La

combinazione dei motivi strutturali semplici dà luogo a strutture complesse; il motivo strutturale

elica-loop-elica (Helix-Loop-Helix o HLH)è il motivo strutturale principale in grado di legare il

DNA. È composto da due α-eliche unite da una piccola sequenza di amminoacidi (vedi figura

2+

successiva); il secondo motivo strutturale motivo è specifico per il legame del calcio Ca , è

presente in molte proteine la cui funzione è regolata da calcio.

23

Più motivi strutturali possono poi combinarsi per formare delle strutture globulari chiamate

domini; il dominio rappresenta l'unità fondamentale della struttura terziaria delle proteine. Un

dominio è quindi una catena polipeptidica o una parte di essa che può formare una struttura

terziaria stabile ripiegandosi indipendentemente dal resto della molecola. In una proteina possiamo

trovare alcune decine di domini, ciascuno con funzioni differenti. I domini che danno alle proteine

un aspetto bilobato o multilobato; ecco come si rappresenta un dominio(nel cerchio tratteggiato

nella figura seguente). In definitiva: i motivi strutturali sono combinazioni regolari di strutture

secondarie, mentre i domini sono moduli della struttura terziaria.

sono in genere formati dall’aggregazione di diverse strutture secondarie ed hanno spesso

I domini

una funzione specifica come il riconoscimento sterico di una piccola molecola. Nella figura

seguente è rappresentata la Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, in cui sono presenti due

+

domini: il dominio in rosso lega l'enzima NAD ; Il dominio in verde lega la gliceraldeide.

24

I motivi strutturali sono molto numerosi per cui è impossibile mostrarli tutti nello specifico,

possiamo però suddividerli in tre grandi gruppi:

in -eliche;

1) Domini tali strutture il core è costituito esclusivamente da un esempio ne è la

struttura superavvolta detta coiled coil tipica delle proteine fibrose come il collagene e l'elastina.

in -foglietti; 

2) Domini queste strutture il core è costituito solo da un esempio è il barile (

barrel) ottenuto dalla disposizione testa-coda dei filamenti beta che formano una struttura cilindrica;

è presente nella proteina che lega il retinolo.

3) Domini misti- nei domini misti possiamo trovare tutti i tipi di strutture secondarie come il cappio

  -

o la struttura a botte TIM (TIM barrel), formata da otto filamenti intervallati da otto

eliche, tipica dell'enzima triosofosfato isomerasi.

c) Struttura terziaria

Per struttura terziaria di una proteina si intende la disposizione spaziale delle strutture secondarie

e dei domini. Tale tipo di struttura tiene conto delle interazioni a lungo raggio esistenti nella

sequenza amminoacidica.

La maggior parte delle proteine, dopo aver raggiunto la struttura secondaria, subisce un ulteriore

processo di torsione. Avvolgendosi ulteriormente su se stesse, tali proteine formano una specie di

matassa globulare, caratteristica della struttura terziaria, detta struttura nativa (conformazione

nativa) che presenta in genere una specifica funzione biologica. Per la loro configurazione

compatta le proteine in struttura terziaria vengono dette proteine globulari.

Il processo di ripiegamento (folding) dei filamenti secondari è reso possibile dalla formazione di

snodi lungo il filamento stesso. La struttura terziaria di una proteina è quella con il minor contenuto

energetico (energia potenziale), per cui in tale conformazione la molecola raggiunge la massima

stabilità possibile. Struttura terziaria

25

La stabilità della struttura terziaria è garantita da vari tipi di legame: 1) legami idrogeno; 2)

interazioni ioniche; 3) forze di van der Waals; 4) interazioni idrofobiche; 5) ponti disolfuro.

Legami presenti nella struttura terziaria di una proteina

Le interazioni idrofobiche sono interazioni che contribuiscono a diminuire i contatti con l'acqua

delle sostanze non polari. Esse si originano perché le molecole d'acqua preferiscono formare

interazioni più forti tra loro piuttosto che con molecole non polari. Di conseguenza, le regioni non

polari delle macromolecole biologiche tendono a sfuggire dall'ambiente acquoso, nascondendosi

all'interno della macromolecola stessa. In pratica gli amminoacidi idrofobici si dispongono

26

all'interno della molecola mentre gli amminoacidi idrofilici si espongono all'ambiente acquoso

esterno; ciò rende questo tipo di proteine solubili in H O.

2

Tra le cause alla base della formazione di snodi o gomiti nella struttura vi è la presenza

dell'amminoacido prolina (Pro). La prolina viene considerata un imminoacido nel senso che può

–C=N-).

generare immine per reazione (cioè composti con gruppo funzionale Essa al posto del

gruppo amminico primario -NH2, presenta il gruppo amminico secondario -NHR. Ecco la formula

della prolina ed il legame peptidico con la prolina::

Quando la prolina entra a far parte di una proteina il gruppo -NH perde il suo unico idrogeno nella

formazione del legame peptidico. In questo modo non si forma un gruppo peptidico CONH, ma

un gruppo CON. In tali condizioni non può dunque formarsi il legame idrogeno e la struttura

secondaria risulta quindi instabile in corrispondenza dei punti in cui si trova la prolina.

Le articolazioni che in tal modo si formano (ripiegamenti ed anse) consentono a tratti diversi del

filamento secondario di avvicinarsi reciprocamente interagendo attraverso i residui amminoacidici.

Le interazioni idrofile ed idrofobiche tra gli amminoacidi, e tra questi e l'acqua (in cui le proteine

normalmente si trovano) costringono il filamento proteico a contorcersi. La proteina si aggroviglia

fino a raggiungere una forma a globulo, in cui i residui amminoacidici polari si trovano alla

superficie (a contatto con l'acqua), mentre i residui amminoacidici apolari si introflettono all'interno

27

del globulo. Tale disposizione, diminuendo il rapporto superficie/volume e concentrando i gruppi

polari sulla superficie esterna, rende in genere solubile la proteina.

In alcuni casi, oltre a queste interazioni di natura essenzialmente elettrostatica, possono formarsi

legami covalenti (ponti disolfuro, S-S) fra due catene laterali di residui di cisteina che, sia pur

lontani nella sequenza amminoacidica, vengano a trovarsi in prossimità a causa dei ripiegamenti

della catena. Questi legami, essendo legami covalenti forti, danno un contributo notevole alla

stabilità della struttura terziaria. La struttura terziaria la ritroviamo in proteine globulari

(mioglobina) che, a differenza di quelle fibrose, sono avvolte in modo da assumere una

conformazione più o meno compatta nello spazio. Il riscaldamento può far perdere alle proteine

globulari la loro conformazione, spesso in maniera definitiva, privandole di conseguenza delle loro

proprietà caratteristiche: questo fenomeno è detto denaturazione delle proteine.

d) Struttura quaternaria

Per buona parte delle proteine, la struttura terziaria rappresenta l'ultimo livello di organizzazione

strutturale. Molte altre proteine (ad esempio, un gran numero di enzimi), nella loro forma attiva

sono invece costituite dall'associazione di due o più unità di struttura terziaria (dette monomeri

o sub-unità), uguali o diverse. Si parla in tal caso di struttura quaternaria, per riferirsi

all'organizzazione multimerica della proteina. La massa molare di queste proteine è elevata, in

genere MM> 50 kDa.

Nella struttura quaternaria, le sub-unità sono tenute insieme da interazioni generalmente non

covalenti, spesso di natura idrofobica; ogni sub-unità componente ha una specifica struttura

terziaria.

Raramente, più catene peptidiche sono unite da legami covalenti, come accade ad esempio nelle

immunoglobuline (una classe di anticorpi), in cui le catene leggere e pesanti sono tenute insieme

da ponti disolfuro.

Altrettanto insolito è il coinvolgimento diretto di legami a ponte di idrogeno nell'associazione di più

sub-unità. Nella struttura quaternaria infatti, le sub-unità tendono ad affiancarsi in modo da

28

contrapporre l'una all'altra le loro porzioni idrofobiche, rivolgendo verso l'esterno le regioni

polari, idrofile.

La struttura quaternaria si ritrova nelle proteine che svolgono attività biologiche molto

l’emoglobina

specializzate, come che si presenta come un aggregato di sub-unità diverse, o

l’insulina che è un aggregato di sub-unità uguali.

Emoglobina

L' emoglobina è un esempio classico di una proteina a struttura quaternaria. Essa è un tetramero

costituito dall'associazione di due catene α (141 amminoacidi) e due catene β (146 amminoacidi),

ciascuna delle quali lega un gruppo eme contenente ferro (vedi figura). Si osservi che la

)

designazione delle catene (e non ha nulla a che vedere con gli omonimi elementi di struttura

secondaria.

4-Il folding delle proteine. Chaperoni molecolari

Quando una proteina viene generata sui ribosomi (organuli citoplasmatici presenti in tutte le

cellule), la struttura primaria possiede già le informazioni necessarie per generare le successive

strutture (secondaria, terziaria e a volte quaternaria). Il processo attraverso il quale la catena di

amminoacidi acquista la struttura tridimensionale nativa è detto folding o ripiegamento. la

dinamica del folding procede naturalmente secondo alcune fasi progressive. Le strutture secondarie

)

(-eliche e foglietti si formano rapidamente a causa delle interazioni a breve distanza, a questo

punto la struttura terziaria non è ancora consolidata (non si è raggiunta ancora la conformazione

nativa) e la molecola si trova nel cosiddetto stato globulare collassato (stato di globo fuso). Poi

intervengono le interazioni intercatena a lungo raggio e le interazioni con il solvente, cosicché

29

le regioni loop cominciano a ripiegarsi spontaneamente muovendo le altre strutture secondarie.

Al termine della fase di ripiegamento, gli amminoacidi polari si troveranno sulla superficie della

proteina ed esposti all'ambiente acquoso circostante, mentre gli amminoacidi non polari tenderanno

a rimanere sepolti all'interno della molecola (si ha cioè il già citato effetto idrofobico). il folding è

un processo reversibile ed è possibile studiarlo in vitro facendo denaturare la proteina usando agenti

chimico-fisici (temperatura, pH, sostanze chimiche), cosicché si induce lo srotolamento della

proteina e poi la si può osservare mentre si ripiega nuovamente in un ambiente favorevole. la

denaturazione corrisponde difatti ad un unfolding (srotolamento) della proteina che le fa

perdere la propria funzionalità. Anche se il folding è un processo spontaneo, può sempre

accadere che, in determinate condizioni ambientali, le proteine si ripieghino in modo non corretto,

fortunatamente, esistono delle grandi proteine con MM di decine di KDa dette chaperoni

molecolari che aiutano le proteine a ripiegarsi correttamente. I chaperoni hanno la a forma di

piccole capsule, e forniscono un ambiente sicuro per le proteine in cui ripiegarsi correttamente,

lontano da cattive influenze esterne. Gli chaperoni nascondono le regioni idrofobiche della

proteina ancora esposte per evitare che interagiscano dando luogo a fenomeni di aggregazione o di

precipitazione. Un'elevata presenza di chaperoni può essere indotta mediante repentini innalzamenti

della temperatura (+T). Esistono chaperoni di piccole dimensioni, 200 kDa che sono indicati

normalmente come chaperoni, ma ci sono anche chaperoni di grandi dimensioni, 8000 kDa,

che sono comunemente indicati come chaperonine.

Un esempio di tali proteine è la chaperonina del batterio Escherichia coli, che presenta due

regioni distinte chiamate GroEL e GroES (vedi figura sotto)

GroEL è formato da 14 sub-unità che si associano in anelli sovrapposti formando una specie

di botte aperta alle due estremità; invece GroES costituisce il tappo delle aperture della botte a

cui si lega sfruttando l'ATP (adenosina trifosfato, composto ad alta energia). Le 14 sub-unità si

30

riuniscono in maniera tale da formare due gruppi, di 7 sub-unità ciascuno. Questi due gruppi

sono sovrapposti e formano due alloggiamenti uno superiore ed uno inferiore.

Quello che accade in linea generale è che GroES (il tappo) va a chiudere una delle due aperture,

mentre l'altra apertura resta aperta all'ambiente cellulare perché l'altra metà del barile perde

affinità per il secondo GroES. Quindi la proteina da ripiegare entra nel barile che viene chiuso dal

proprio tappo; la superficie interna del barile stesso consente il folding della proteina che è rimasta

imprigionata al suo interno. Infine GroES viene rilasciato aprendo il barile e la molecola

ripiegata in conformazione nativa viene liberata nell'ambiente cellulare. (vedi schema

sottostante). meccanismo d’azione del complesso GroEL/GroES, è paragonabile a

Per essere più specifici, il

quello di una gabbia che imprigiona la proteina non ancora ripiegata e che si apre liberando le

proteine solo a ripiegamento avvenuto correttamente.

Per questa ragione si dice che GroEL/GroES funga da gabbia, chiamata GABBIA DI ANFISEN.

In condizioni di riposo la superficie della cavità interna di tali alloggiamenti espone verso il centro

del canale dei residui amminoacidici idrofobici (quelli che nella figura sottostante sono

rappresentati in blu elettrico). 31

La proteina non ripiegata e che pertanto presenta i suoi amminoacidi idrofobici non ancora racchiusi

all’interno della sua struttura, potrà allora interagire con gli amminoacidi idrofobici

dell’alloggiamento superiore di GroEL.

Una volta che il polipeptide entra nella cavità superiore, intervengono 7 molecole di ATP che si

costituenti l’alloggiamento

legano in prossimità di ciascuna delle 7 sub-unità superiore.

Assieme all’ATP, entra in gioco anche GroES che si dispone al di sopra dell’alloggiamento in cui è

contenuta la proteina, come fosse un tappo: la proteina a questo punto è proprio ingabbiata.

32 43-

L’idrolisi dell’ATP a ADP ─PO

(ATP + H OADP + Pi con Pi = = ortofosfato) da parte di

2

ciascuna delle 7 sub unità fa sì che in esse si verifichi una modificazione conformazionale tale che,

le sub-unità non esporranno più, verso il centro della cavità, i loro amminoacidi idrofobici, bensì i

loro amminoacidi idrofilici (come si vede dalla figura, infatti, quei cerchietti blu elettrico che

rappresentavano i domini idrofobici nella figura precedente ora non ci sono più e sono rimasti

soltanto nella cavità inferiore). In virtù di tale modificazione conformazionale, la proteina non

ancora ripiegata non trovando più gli amminoacidi idrofobici con cui interagire, si ripiegherà

su se stessa, in modo che i suoi amminoacidi idrofilici vengano a trovarsi all’esterno, mentre

quelli idrofobici si riuniscano a formare il nucleo idrofobico interno della proteina, proprio

come deve essere in una corretta struttura tridimensionale proteica.

A questo punto intervengono altre 7 molecole di ATP che si legano, stavolta, in prossimità dei siti

l’alloggiamento

delle 7 sub-unità che formano inferiore; in questo modo saranno allontanati sia

sia l’ADP (derivante dall’idrolisi dell’ATP

GroES (aprendo la gabbia) che si era precedentemente

legato alle sub unità superiori). Solo adesso tali sub-unità esporranno nuovamente verso la cavità

dell’alloggiamento,

interna gli amminoacidi idrofobici (come si vede dalla figura in cui i cerchietti

blu sono tornati).

La proteina correttamente ripiegata può così uscire dalla trappola in cui era imprigionata, infatti,

essa non può più interagire con la superficie della cavità che è tornata idrofobica

33

– quest’intervallo è,

Il ciclo: LEGAME IDROLISI - RILASCIO del polipeptide dura 15 secondi,

infatti, sufficiente per il corretto ripiegamento di svariate proteine.

5-Denaturazione delle proteine

La denaturazione non altera la composizione e la sequenza di amminoacidi ma modifica la

struttura secondaria, terziaria e quaternaria della proteina, senza rompere i legami peptidici che

tengono unita la catena di amminoacidi. Si ha in tal caso una perdita della conformazione nativa,

un unfolding (srotolamento) che dipende nella maggior parte dei casi dalla rottura dei ponti

disolfuro che tengono unite le varie parti della proteina. La denaturazione può avvenire grazie

all'utilizzo di agenti chimici come acidi o alcoli o di agenti fisici come aumento o diminuzione di

T, agitazione meccanica, luce ultravioletta o ultrasuoni. L'aggiunta di un acido fa aumentare il

+

numero delle cariche positive (+H ) sulla molecola proteica, l'aggiunta di una base fa aumentare

-

invece il numero delle cariche negative (+OH ). In entrambi i casi le cariche generate si respingono

e fanno srotolare la molecola denaturandola. Ad es. se ad una soluzione proteica si aggiunge un

+ -

acido, la concentrazione degli ioni H aumenta e i gruppi RCOO diventano gruppi RCOOH, per cui

la carica sulla proteina diventa meno negativa. L'eccesso di cariche positive (+) presenti crea fra le

stesse una forte repulsione elettrostatica con il risultato che le cariche si dispongono il più lontano

-

possibile e la proteina si srotola. Se si aggiunge una base aumenta la concentrazione di ioni OH e i

3+

gruppi R-NH diventano R-NH per cui la carica globale sulla proteina è meno positiva, pertanto si

2

ha un eccesso di cariche negative (-) che si respingono e srotolano la struttura.

34

Il calore Q agisce in particolare sulle proteine alimentari e le denatura rendendole

maggiormente digeribili; la maggior parte di esse viene denaturata se la T > 60°C per un

tempo prolungato. L'albume dell'uovo, ad esempio, è costituito per il 90% da acqua e per il 10%

da proteine (ovoalbumina) ed è solubile in H O: se viene cotto l'albume si addensa, diventa di

2

colore bianco e non è più solubile. Quando la proteina denaturandosi forma nuovi legami covalenti

inter ed intramolecolari il processo di denaturazione è irreversibile e si dice coagulazione. Invece,

se l'albume viene "montato a neve" per agitazione meccanica genera una schiuma leggera e

consistente. Questo accade perché le proteine si srotolano e si dispongono all'interfaccia liquido-

aria, intrappolando l'aria. 35

6-Emoglobina e mioglobina

La prima proteina di cui è stata descritta la struttura quaternaria fu l'emoglobina, scoperta dal

biologo e cristallografo austriaco Max Perutz nel 1968. L'emoglobina viene indicata solitamente

con il simbolo Hb ed è una importante proteina globulare, solubile e di colore rosso; ha una

struttura quaternaria tetramerica cioè costituita da 4 subunità dette globine. Nella struttura

sono presenti 4 catene di amminoacidi:

costituite

-due catene dette da 141 amminoacidi ciascuna

costituite

-due catene dette da 146 amminoacidi ciascuna

Il tutto è stabilizzato da interazioni idrofobiche e da legami idrogeno.

Ogni globina è una proteina coniugata e possiede un gruppo prostetico (parte della molecola di

una proteina coniugata non derivata da amminoacidi, cioè la parte non proteica della molecola) che

in tal caso è il gruppo eme che è in grado di legare l' O gas indispensabile per la

2

sopravvivenza delle cellule e quindi dell'intero organismo. l'emoglobina è inserita nei globuli

rossi e la sua funzione è quella di trasportare l' O nel sangue da distretti in cui la pressione

2

36

parziale p è alta (polmoni o le branchie nel caso di pesci) a zone periferiche (i tessuti) del

o2

corpo in cui la pressione parziale p è più bassa. Quando l'emoglobina si lega con O si parla di

o2 2

ossiemoglobina, quando non è legata con l'ossigeno si parla invece di deossiemoglobina.

Quindi, l'emoglobina trasporta l' O dai polmoni ai tessuti e quando fa il percorso a ritroso

2

(dai tessuti ai polmoni) preleva dalle cellule la CO e la rilascia ai polmoni dai quali questa

2

molecola viene espulsa. Ecco cosa avviene:

+ +

HbH + O HbO + H nei polmoni

2 2

emoglobina + O ossiemoglobina + protone

2

HbO + CO HbCO + O nei tessuti

2 2 2 2

ossiemoglobina + anidride carbonica carbossiemoglobina + ossigeno

-eliche,

La subunità globina è costituita da un fascio di 8 formate da 7 fino a 28

amminoacidi, unite da regioni loop; esse si dispongono a formare una tasca idrofobica (tasca

formata dal ripiegamento di ciascuna catena polipeptidica) in cui viene accolto e legato il gruppo

eme.

Il gruppo eme (è un gruppo prostetico) è un complesso coordinato che risulta formato da una

2+

molecola di protoporfirina (protoporfirina IX) e lo ione Fe . La protoporfirina presenta una

struttura planare costituita da quattro anelli pirrolici (il pirrolo è un eterociclo pentatomico

contenente un atomo di azoto), uniti tra loro da ponti metinici (=CH-).

Precisamente, una protoporfirina è un tetrapirrolo costituito da:

 Due gruppi vinilici (-CH=CH )

2 -

 Due gruppi propionici (-CH -CH -COO )

2 2

 Quattro gruppi metilici (-CH )

3 37

Ogni catena contiene dunque un gruppo prostetico chiamato eme formato da un anello porfirinico

2+

che lega al centro un atomo di ferro sotto forma di ione Fe

anello porfirinico gruppo eme

2+

Lo ione Fe si trova al centro della struttura e può formare 6 legami di coordinazione: legame

tipico dei composti detti di coordinazione, composti chimici in cui un atomo (o ione) centrale,

forma dei legami con altre specie chimiche in numero superiore al suo numero di ossidazione. Ci

possono essere sei molecole attorno al ferro che mettono in condivisione gli elettroni di legame. Per

formare un composto di coordinazione, ci vogliono due orbitali con orientamento corretto: uno in

grado di "acquistare"elettroni e l’altro in grado di donarli. Quattro di questi legami di coordinazione

2+

il Fe li forma con gli atomi di azoto N degli anelli pirrolici, poi un quinto legame di coordinazione

viene formato con un residuo di istidina (istidina prossimale), detta anche His F8, perché è

nell'ottava posizione dell'elica F), in tal modo il gruppo eme viene ancorato saldamente alla

2+

proteina. Il sesto legame di coordinazione del Fe è quello che lega la molecola di O . Al legame

2

della molecola di O contribuisce anche una istidina (His E7 perché è nella settima posizione

2

dell'elica E) o istidina distale, mediante un ponte idrogeno.

38

Gruppo eme

39

propanoile

metile

vinile 2+

Il Ferro che coordina l'ossigeno resta allo stato ridotto di ione ferroso Fe cioè non viene ossidato

in senso chimico, ma semplicemente ossigenato; ciò è fondamentale perché il ferro in soluzione

3+

tende a passare allo stato ferrico (Fe ) e in questo stato non è in grado di legare l'ossigeno.

2+

Il Fe è stabilizzato allo stato ferroso dall'azione chelante (o sequestrante) dei quattro atomi di

azoto del tetrapirrolo, ma importante per stabilizzarlo è anche il legame del catione con l' istidina

prossimale. Inoltre, a legare l'O contribuisce l'istidina E7 che stabilizza la molecola di ossigeno

2 2+

nella sua posizione tramite un legame idrogeno. Il Fe non è di per sé capace di legare

3+

reversibilmente l'O , invece può autoossidarsi irreversibilmente nella forma Fe producendo un

2

intermedio costituito da una molecola di O che fa da ponte tra 2 gruppi eme. Questa reazione può

2

essere inibita grazie a gruppi che impediscano stericamente l'avvicinamento faccia a faccia di due

gruppi eme. La parte globinica della molecola previene tale autoossidazione circondando

completamente il Fe legato all'ossigeno (ossieme) come un panino circonda la carne in un

Fe è protetto dalla gabbia globinica, che esclude l’acqua e solo un

hamburgher. Quindi, il elettrone

40

trasferito all’O:

e- viene il legame dell'ossigeno al ferro dell'eme è accompagnato dal parziale

2+

trasferimento di un elettrone (e-) dallo ione ferroso Fe all'ossigeno. La struttura che si forma può

2+

essere descritta come una combinazione di due strutture di risonanza, una con il Fe e

3+ 2-

l'ossigeno molecolare e l'altra con il Fe e lo ione superossido O (vedi figura successiva):

Quando si lega l’ossigeno, le proprietà elettroniche del ferro si modificano; ciò spiega il diverso

colore che ha il sangue venoso povero di ossigeno (rosso scuro) rispetto al sangue arterioso ricco

di ossigeno (rosso brillante). nell’emoglobina e nei citocromi (proteine che

Oltre che nella mioglobina, il gruppo eme è presente

trasportano elettroni nella catena respiratoria), nella clorofilla e nella vitamina B12. In queste due

ultime molecole il Fe è tuttavia sostituito rispettivamente da Mg e Co.

Siccome i gruppi eme sono 4 nell'emoglobina, essa può legare fino a 4 molecole di O , tuttavia

2

l'emoglobina riesce a modulare la propria affinità per l'ossigeno in base alla pressione parziale del

gas stesso. L'emoglobina difatti è una proteina allosterica, in pratica quando una molecola di O si

2

lega ad una delle 4 globine, induce una variazione di conformazione nelle subunità vicine (nelle

globine adiacenti) che accrescono la loro affinità per l'O ; l' emoglobina ha 4 subunità: quando la

2

molecola di ossigeno si lega alla prima subunità questo legame determina delle modificazioni

conformazionali che si trasmettono alle subunità vicine, questo va a favorire il legame della seconda

all’eme di un’altra subunità

molecola di ossigeno e questo, a sua volta, facilita il legame di una

senza O

terza molecola di ossigeno e quindi della quarta. In pratica, l’emoglobina legato nei siti

2

attivi è poco affine per O , ma la sua affinità cresce quando si legano il primo e poi il secondo O .

2 2

Così è difficile legare la prima molecola di ossigeno giacché l'O raggiunge con difficoltà il gruppo

2

eme che è nascosto all'interno della globina, ma legare la seconda, la terza e la quarta molecola di

O diventa via via sempre più facile. Questo meccanismo prende il nome di cooperatività: più

2

subunità legano la molecola di O , più aumenta l'affinità per l'ossigeno degli altri siti di legame. In

2

altre parole l'affinità dell'intera proteina verso l'ossigeno cresce quando aumenta la presenza di

ossigeno. In tal modo l'emoglobina passa da una conformazione a bassa affinità per l'O detto stato

2

T (teso)-deossiemoglobina, frequente nei tessuti periferici dell'organismo, ad una conformazione

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Giac97

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in chimica
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Università: Milano - Unimi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Giac97 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica biologica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Aliverti Alessandro.

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