Cromoproteine trasportatrici di ossigeno

Cromoproteine trasportatrici di ossigeno

Eme

• Costituisce il sito di legame con l’ossigeno molecolare
• È una ferroprotoporfirina, un chelato dello ione ferroso con la protoporfirina IX e infatti viene denominato protoeme
• Dotata di una carica netta positiva (quindi è un catione)
• Le porfirine sono derivate della porfina e per sostituzione degli 8 H angolari con gruppi sostituenti vari si ottengono le protoporfirine
• I gruppi sostituenti sono: 4 metili, 2 vinili e 2 propanoili, sistemati in 15 modi differenti

Mioglobina

Struttura

• Cromoproteina globulare costituita dalla globina legata non covalentemente con un eme
• Costituita da una catena polipeptidica di 153 amminoacidi contenente 8 segmenti α-elicizzati indicati con le lettere da A a H
• Nonostante sia priva di residui di cisteina (e quindi non ha legami disolfuro) è estremamente compatta
• È stabilizzata da numerose interazioni idrofobiche fra i residui degli amminoacidi apolari all’interno della molecola
• All’esterno sono esposti i residui degli amminoacidi polari che reagiscono con l’acqua prevenendo l’associazione con un’altra mioglobina
• Di conseguenza è solubile in acqua pur essendone impermeabile
• All’interno il ferro dell’eme è legato ad un residuo interno di istidina chiamata istidina prossimale
• Il legame dell’ossigeno al ferro dell’eme è accompagnato dal parziale trasferimento di un elettrone dallo ione ferroso all’ossigeno
• Per evitare danni causato dallo ione superossido nella tasca idrofobica in cui è alloggiato l’eme è presente un altro residuo di istidina, chiamata istidina distale che forma un legame H con l’ossigeno
• È un monomero che espone in superficie residui (polari) capaci di interagire con l’acqua e di prevenire, mediante repulsione di carica elettrica, l’associazione con altre molecole di mioglobina

Funzioni

• La funzione della globina è quella di creare intorno all’eme un ambiente idrofobico tale da preservare il ferro nello stato ridotto e quindi rendere duraturo anche se reversibile il legame con l’ossigeno
• La mioglobina è contenuta nelle fibre rosse del muscolo scheletrico e in concentrazioni più elevate in quelle del miocardio
• La sua funzione è quella di trasferire l’ossigeno portato al muscolo dall’emoglobina alla citocromo ossidasi mitocondriale (funzione che prevale in condizioni di normale ossigenazione)
• Per questo ha affinità per l’ossigeno superiore a quella dell’emoglobina ma inferiore a quella della citocromo ossidasi
• Allo stesso tempo la mioglobina costituisce un deposito nelle fibrocellule muscolari (funzione che prevale in debito di ossigeno)

Emoglobina

Trasporto dell'ossigeno

• Il trasporto dell’ossigeno da parte di specifiche molecole vettrici è necessario per la bassa solubilità dell’ossigeno in acqua
• L’emoglobina, contenuta nei globuli rossi del sangue, trasporta l’ossigeno dell’aria dai polmoni ai tessuti
• Nell’adulto la sua concentrazione è di 15/100 ml di sangue
• Ogni 24 ore vengono rinnovati (distrutti e risintetizzati) 6,25g di emoglobina
• Emoglobina e mioglobina sono proteine coniugate costituite da una proteina specifica, la globina, e un gruppo prostetico, l’eme, che conferisce il caratteristico color rosso (donde la denominazione cromoproteine)

Struttura

• Proteina tetramerica costituita da 4 subunità, ciascuna composta da una porzione proteica (globina) e da un eme
• È costituita da 4 globine: 2 di tipo α (composte da 141 residui di amminoacidi) e 2 di tipo β (146 residui)
• Nell’adulto l’emoglobina, indicata come HbA, è rappresentabile con la formula α2β2
• L’associazione delle 4 subunità è tale che ogni subunità α è in stretto contatto con le due subunità β e viceversa
• Simile alla mioglobina poiché anch’essa costituita da 8 segmenti α-elicizzati (indicati con le lettere da A a H), ma diversa per i residui superficiali dato che essi sono predisposti a formare legami (idrogeno e apolari) con le altre tre subunità nell’ambito della struttura quaternaria
• Ciascuna delle quattro subunità dell’emoglobina è dotata di un eme che è sistemato in una tasca idrofobica nella quale contrae legami idrofobici all’interno ed eteropolari in superficie
• Richiede anch’essa la permanenza del ferro allo stato ridotto (Fe²⁺)
• Dei sei legami del ferro, sei riguardano gli N degli anelli pirrolici, gli altri due invece sono rivolti uno al residuo di istidina e l’altro lega l’O₂
• Se è legata all’ossigeno, l’emoglobina si chiama emoglobina ossigenata o ossiemoglobina, se rimane libera si chiama emoglobina deossigenata o desossiemoglobina

Funzioni

• Trasporto nel sangue dell’ossigeno molecolare dai polmoni ai tessuti
• Una molecola di emoglobina contiene 4 gruppi eme, ognuno capace di legare reversibilmente una molecola di O₂ secondo la reazione O₂ + 4 Hb ⇋ (HbO₂)₄
• La quantità di ossigeno che si combina con l’emoglobina dipende dalla pressione parziale di O₂
• Ad elevate tensioni di O₂, come nei polmoni, l’equilibrio è spostato verso destra
• A basse tensioni, come nei tessuti periferici, l’equilibrio è spostato verso sinistra
• La percentuale di saturazione di Hb in funzione della pressione parziale di O₂ è espressa graficamente dalla curva di dissociazione dell’emoglobina
• La curva dell’emoglobina è sigmoidale, ciò è dovuto all’interdipendenza funzionale dei suoi 4 gruppi eme
• Infatti, mentre il primo eme si combina lentamente con l’O₂, il secondo, per influenza del primo già ossigenato, si combina più velocemente e così via il terzo e il quarto in un effetto cooperativo tra i gruppi eme delle 4 subunità
• Tale atteggiamento è tipico delle strutture quaternarie ed è un tipico esempio di comportamento allosterico (condiviso da enzimi nei confronti del proprio ligando-substrato)

Importanza della curva di dissociazione

• Nell’aria che respiriamo, la cui pressione media è di 760 mmHg, l’ossigeno è un percentuale del 20% ed esplica dunque una pressione parziale (PO₂) di 150 mmHg
• Nell’aria polmonare la PO₂ si riduce per la saturazione con il vapore acqueo, la presenza di una maggior quantità di CO₂ e il mescolamento con l’aria alveolare (povera di ossigeno)
• Un ulteriore abbassamento della PO₂ si verifica dopo la diffusione nei capillari polmonari (90 mmHg)
• Dalla curva si deduce che a questa PO₂ tutta l’emoglobina è ossigenata
• Nei tessuti periferici in cui la PO₂ può abbassare a 15-20 mmHg l’emoglobina rilascia il 75% dell’O₂

Stati molecolari

• A livello molecolare queste proprietà sono state rilevate definendo due stati della molecola: Rilassato (R) in cui l’emoglobina presenta maggiore affinità per l’O₂ e Teso (T) in cui succede l’inverso