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L’EMOGLOBINA
L’emoglobina è un esempio di proteina a struttura
quaternaria. È definita dunque da più di una catena
polipeptidica che interagiscono dando luogo ad un
complesso supramolecolare. Nel caso dell’emoglobina
abbiamo a che fare con un tetramero, cioè una proteina
costituita da 4 differenti sub-unità. Le 4 sub-unità possono
essere classificate in catene e catene L’emoglobina è
α β.
dunque costituita da due catene α e da due catene β.
Queste due catene polipeptidiche hanno una sequenza
primaria in aminoacidi diversa, quindi devono essere
codificate da due geni differenti che vengono espressi per
generare queste due tipi di catene. Un qualsiasi processo di
denaturazione porterebbe alla disfunzionalità
dell’emoglobina. È importante dunque che l’emoglobina
abbia quella specifica struttura. Ogni sub-unità è
caratterizzata dal cosiddetto gruppo prostetico. Per
gruppo prostetico si intende una porzione non proteica(non
costituita da amminoacidi) necessaria alla funzione della
proteina. Nel caso dell’emoglobina il gruppo prostetico è il
2+
gruppo EME che contiene uno ione ferroso(Fe ). Il ferro
2+ 3+
può oscillare tra Fe e Fe , ione ferrico, risultato
dell’ossidazione dello ione ferroso. Il processo di
ossidazione deve essere quanto più minimizzato e quindi
inibito perché l’emoglobina è capace di legare ossigeno
solo quando il ferro si trovi allo stato di ossidazione 2+. Nel
caso in qui avvenga un processo di ossidazione,
l’emoglobina non sarà più capace di legare a sé ossigeno e
si parlerà poi di meta-emoglobina. La meta-emoglobina
BIOCHIMICA – LEZIONE 3 – 19-05-2016
aumenta in seguito ad un estremo sforzo fisico di tipo
aerobico. Questa reazione non è però irreversibile e quindi
l’organismo ha la capacità di ripristinare i livelli di
emoglobina fisiologici.
L’emoglobina deve essere codificata da due geni
differenti(uno per l’α e uno per il β). Ma l’eritrocita non ha il
nucleo. In che modo allora riesce a fare la sintesi proteica?
Esiste la cosiddetta eritropoiesi, ovvero la produzione di
globuli rossi a partire da antecessori cellulari ancora non
differenziati, ovvero da cellule che hanno la capacità di
produrre l’intero corredo proteico che poi caratterizza
l’eritrocita che perde il proprio nucleo e i vari organelli in
seguito ad una trasformazione vera e propria.
In che modo la proteina inibisce il processo di ossidazione?
La globularità delle proteine è un meccanismo che la
proteina utilizza per inibire l’ossidazione del ferro nel gruppo
eme. Infatti il ferro e il gruppo eme sono disposti all’interno
di zona idrofobiche della proteina che hanno lo scopo di
proteggere il ferro da qualsiasi processo ossidativo.
MIOGLOBINA
La mioglobina è una proteina completamente differente
dall’emoglobina.
- Innanzitutto è caratterizzata da un massimo livello
strutturale terziario.
- Etimologicamente si può evincere che la sua
localizzazione sia a livello muscolare.
- Anche la mioglobina, così come l’emoglobina, contiene
un gruppo prostetico che è sempre l’eme.
- La differenza più importante è che l’emoglobina può
servire da trasportatore di ossigeno, mentre la
mioglobina non può essere considerato un trasportatore
di O perché presenta un’affinità per l’ossigeno
2
maggiore rispetto all’emoglobina.
BIOCHIMICA – LEZIONE 3 – 19-05-2016
Discutiamo la curva di saturazione di emoglobina e
mioglobina.
- In ascissa abbiamo la pressione parziale di ossigeno
(P ). Per pressione parziale di ossigeno si intende la
o2
pressione riconducibile solo all’ossigeno. Un aumento
della pressione parziale dell’ossigeno può essere
associato all’aumento della concentrazione
dell’ossigeno nell’organismo. È dunque un modo per
quantificare l’ossigeno all’interno dell’organismo. PV =
nRT
- In ordinata abbiamo la percentuale di saturazione, cioè il
numero di siti prostetici(EME) occupati dall’ossigeno. Il
suo valore massimo sarà poi 100.
Avendo 8 molecole di mioglobina ci saranno 8 gruppi EME,
dato che ogni molecola ne contiene 1.
Avendo 2 molecole di emoglobina si avranno ancora 8
gruppi EME.
Il 100% corrisponderà al riempimento dei gruppi EME in
entrambe le molecole.
Considerando la mioglobina osserviamo un andamento
iperbolico che arriva al 100%.
La percentuale di saturazione dell’emoglobina invece ha un
andamento sigmoidale che arriva al 100%.
Osserviamo dunque che aumentando la quantità di
ossigeno nel sangue, entrambe le proteine tendono a
legare ossigeno fino ad arrivare ad una completa
saturazione. Notiamo che la mioglobina arriva al 50% di
saturazione per un valore di P minore rispetto a quella
O2
richiesta dall’emoglobina. Questo significa che la
mioglobina è più affine all’ossigeno anche a quantità ridotte
di ossigeno rispetto all’emoglobina. Questo vuol dire anche
che l’emoglobina tenderà a rilasciare ossigeno mentre la
mioglobina no.
BIOCHIMICA – LEZIONE 3 – 19-05-2016
Provando a fare il procedimento inverso infatti notiamo che
nel caso della mioglobina il rilascio di ossigeno avviene solo
per valori molto bassi di pressione parziale, mentre nel caso
dell’emoglobina, il rilascio di ossigeno avviene anche per
valori elevati di ossigeno.
La mioglobina infatti ha il ruolo di aumentare la
concentrazione di ossigeno a livello muscolare, ovvero la
solubilità dell’ossigeno nel miocita. L’ossigeno viene
utilizzato quando abbiamo una notevole carenza di
ossigeno, in modo da permettere la degradazione dei
nutrienti e produrre energia che serve alla contrazione
muscolare.
Analizzando l’andamento della percentuale di saturazione,
nell’andamento iperbolico(mioglobina) la tangente(ovvero la
pendenza della curva) ad un punto è pressochè uguale,
mentre nel caso della sigmoide(emoglobina) la tangente
cambia repentinamente. Questo si traduce in una diversa
affinità per le due molecole nei confronti dell’ossigeno. Nella
mioglobina è costante, mentre per l’emoglobina va via via
aumentando. Questo ci dice che l’emoglobina, man mano
che lega ossigeno diventa sempre più facilmente affine.
Questo è un esempio del fenomeno di allosterismo.
L’allosterismo è un meccanismo mediante il quale il
legame di una molecola con un'altra(effettore) ne altera la
funzione. In questo caso l’effettore allosterico è l’ossigeno,
che si rivela un effettore allosterico positivo poiché ne
esalta la funzione.
L’ossigeno è un effettore positivo perché legandosi al
gruppo eme ne determina lo shift della struttura da una
forma tesa ad una rilassata,cioè espone maggiormente gli
altri gruppo eme all’ossigeno(maggiore affinità).
Esistono però degli effettori allosterici negativi
dell’emoglobina, ovvero molecole che legandosi
all’emoglobina inibiscono la funzione dell’emoglobina
stessa, cioè tenderanno a far rilasciare l’ossigeno
all’emoglobina, abbassando il livello di affinità per
+
l’ossigeno. Anidride carbonica, H , 2-3 difosfo glicerato.
BIOCHIMICA – LEZIONE 3 – 19-05-2016
L’ossigeno è molto importante in una fase della
respirazione(fisiologica) che è quella polmonare. A livello
polmonare ci sono elevate concentrazioni di ossigeno e
queste condizioni aumentano l’affinità dell’emoglobina.
Quando attraverso le arterie si arriva a livello periferico la
pressione parziale di ossigeno tende a diminuire e quindi
l’emoglobina tende a rilasciare l’ossigeno poiché la sua
affinità diminuisce. Perché rilascia ossigeno? A livello
periferico entrano in azione degli effettori allosterici negativi:
una piccola frazione di CO che viene subito convertita in
2
acido carbonico e quindi in anione carbonato da un enzima
che si chiama anidrasi carbonica. Quindi se l’emoglobina si
trova in presenza di CO tende a cambiare la propria
2
struttura cedendo ossigeno. L’effettore allosterico più
+ +
importante per l’emoglobina è lo ione H . Lo ione H è
rilasciato grazie al catabolismo ossidativo dei nutrienti,
quindi possiamo immaginare che a livello periferico ci sia
una maggiore concentrazione di ioni H+ nei tessuti che
stanno facendo catabolismo rispetto a quella che c’è a
+
livello polmonare. In che modo gli ioni H inibiscono l’affinità
dell’ossigeno? Possiamo parlare del cosiddetto effetto
Bohr.
A livello polmonare l’emoglobina lega l’ossigeno(affinità
massima), attraverso le arterie l’emoglobina viene inviata ai
tessuti dove si è avuta la degradazione dei nutrienti che ha
+ +
generato elevate concentrazioni di ioni H . Gli ioni H
possono legarsi all’emoglobina generando il rilascio
+
dell’ossigeno nei tessuti. Gli ioni H si legheranno a livello
delle catene laterali degli aminoacidi basici o acidi.
+
Gli ioni H derivano dal catabolismo ossidativo, in
particolare dall’anidride carbonica che con acqua genera
acido carbonico e che a sua volta in acqua può dissociarsi
+
generando ioni H O e ione bicarbonato. Queste sono tutte
3
reazioni all’equilibrio. L’emoglobina protonata viene
mandata nuovamente attraverso il sangue venoso ai
polmoni, qui si ha un nuovo aumento della pressione
parziale dell’ossigeno e questo induce l’espulsione degli ioni
BIOCHIMICA – LEZIONE 3 – 19-05-2016
+
H dall’emoglobina che reagisce con l’anione bicarbonato,
presente a livello polmonare, che è in equilibrio con l’acido
carbonico, a sua volta in equilibrio con CO + H O. A livello
2 2
polmonare dunque rigeneriamo anidride carbonica in forma
gassosa che viene espulsa con l’espirazione.
Altro effettore allosterico negativo è il 2-3 difosfo glicerato.
Il pH deve essere costante altrimenti si andrebbe in
condizioni di alcalosi o acidosi. In condizioni di acidosi(7,2)
l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno tenderà a diminuire
e pertanto nonostante sia presente l’ossigeno l’emoglobina
lega meno ossigeno di quanto ne possa legare i
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