Biochimica - mioglobina ed emoglobina

Mioglobina ed emoglobina ligando

Le proteine hanno strutture tridimensionali e in base alla struttura tridimensionale è determinata la funzione della proteina stessa. Le proteine non sono statiche ma interagiscono con altre molecole, talvolta anche con altre proteine. Queste interazioni avvengono soprattutto a livello del sito di legame, ossia quella porzione di proteina che lega la molecola o l’altra proteina, che in questo caso verranno chiamati ligandi. Il ligando è quindi una molecola unita reversibilmente ad una proteina. Il sito di legame è complementare al ligando in forma, dimensione, carica e carattere idrofobico. È altamente specifica, la proteina può discriminare quindi tra migliaia di molecole diverse e legarne solo una o poche.

Le interazioni molecolari specifiche sono cruciali per il mantenimento di un elevato grado di ordine all’interno dei sistemi viventi. Le proteine sono flessibili, le modificazioni conformazionali possono essere impercettibili e spesso sono dovute a un riflesso delle vibrazioni molecolari. Questi piccoli cambiamenti conformazionali fanno sì che si dica che la proteina “respiri”.

Enzimi

Tra i vari tipi di proteine esistono gli enzimi. Gli enzimi sono specifiche proteine che catalizzano una reazione in quanto legano e trasformano altri tipi di molecole. Le molecole oggetto di questo cambiamento sono chiamate substrati mentre il sito al quale si legano questi substrati è chiamato sito catalitico o sito attivo.

Proteine che legano reversibilmente l’ossigeno

La mioglobina e l’emoglobina sono le prime due proteine di cui è stata scoperta la struttura tridimensionale e sono state le prime nelle quali è stato scoperto il legame reversibile con un ligando.

L’ossigeno è poco solubile in acqua, quindi negli organismi multicellulari per poter arrivare nei tessuti che ne necessitano deve essere trasportato. Nelle catene laterali degli amminoacidi che compongono le proteine non c’è possibilità di legare reversibilmente l’ossigeno, cosa che invece sono in grado di fare alcuni metalli di trasporto, come ad esempio il Fe, anche se il Fe non si può trovare in forma libera negli organismi in quanto sono metalli molto reattivi e possono causare la formazione di specie reattive dell’ossigeno come ad esempio i radicali ossidrilici che causano danni a DNA e macromolecole.

Il Fe quindi viene sequestrato da altre molecole per renderlo meno reattivo, è quindi incorporato nel gruppo prostetico di una proteina e viene chiamato eme.

Il gruppo eme

L’eme è costituito da una struttura ad anello complessa chiamata protoporfirina. Al centro del gruppo eme è posizionato un atomo di Fe in stato di ossidazione 2+ ossia in stato di Ferro Ferroso (Fe²⁺), questo è necessario in quanto solo il Fe²⁺ è capace di legare l’ossigeno (Fe³⁺ non lo lega). L’atomo di Ferro Ferroso è impegnato in 6 legami, 4 dei quali sono con l’azoto (N) che funge da donatore di elettroni ed impediscono l’ossidazione del Fe²⁺ in Fe³⁺. Questi 4 atomi di azoto sono disposti ad anello a formare l’anello porfirinico, gli altri due invece sono perpendicolari al piano della porfirina.

  N   N
   \ /
    Fe2+
   / \
  N   N

Quando l’eme non è legato a nessuna proteina i due siti di coordinazione sono liberi e possono reagire irreversibilmente ossidando il Ferro da ferroso a ferrico (quindi da Fe²⁺ a Fe³⁺), quando invece è legato a proteine questa ossidazione non avviene in quanto il gruppo eme sarà immerso profondamente all’interno della proteina. Il gruppo eme si lega alla proteina grazie proprio ad uno dei due legami di coordinazione e precisamente si legherà all’His, mentre l’altro legame di coordinazione sarà deputato al legame con l’ossigeno. Quando il gruppo eme si lega all’ossigeno si hanno cambiamenti conformazionali nella struttura del ferro, il che spiega anche il cambiamento di colorazione tra sangue arterioso e sangue venoso. Alcune piccole molecole hanno affinità anche maggiori dell’ossigeno per il ferro del gruppo eme, ne sono un esempio il monossido di carbonio e l’ossido di azoto, ecco perché sono così tossici.

La mioglobina

La mioglobina fa parte della famiglia di proteine chiamate globine ed ha un legame con il gruppo eme al residuo His93. La mioglobina è una proteina che lega l’ossigeno e si trova soprattutto nei muscoli dei mammiferi marini in quanto può fungere da ottima riserva di ossigeno.

Interazioni proteina ligando

In genere le interazioni tra le proteine e i ligandi sono strettamente regolate ed in equilibrio tra loro.