Come l’Evoluzione di una Macromolecola garantisce la Regolazione della Funzione: l’Esempio dell’Emoglobina

Prof. Mauro Fasanomauro.fasano@uninsubria.it

Perché l’emoglobina?

• Proteina nota a tutti

• Tra le prime strutture determinate

• Conservazione strutturale in tutti gli organismi

• Principale esempio di correlazione struttura-funzione

• Principale esempio di regolazione allosterica

Struttura e funzione

• Struttura terziaria: il corretto “folding” garantisce la corretta funzione

• Mioglobina: legare ossigeno nel muscolo aumentandone la disponibilità

• Emoglobina: trasportare ossigeno, legandolo e rilasciandolo a seconda delle necessità

Mioglobina

Da un disegno di Irving Geis, 1983

Mioglobina

Mioglobina

Mioglobina

Prossimale

Distale

Equilibrio di legame dell’ossigeno alla Mioglobina

22

2

22

OK

O

MbOMb

MbOY

d

O

2

2

MbO

OMbKd

Equilibrio di legame dell’ossigeno alla Mioglobina

22

2

22

OK

O

MbOMb

MbOY

d

O

Legame dell’ossigeno all’eme• Il legame dell’ossigeno al FeII dell’eme determina

variazioni conformazionali della struttura terziaria che avvengono senza restrizioni

• La situazione sarebbe diversa in una struttura quaternaria!!

• La struttura quaternaria impedisce le variazioni conformazionali associate al legame dell’ossigeno

• In eccesso di ossigeno, la struttura quaternaria viene forzata a raggiungere un nuovo “stato conformazionale” ad elevata affinità per l’ossigeno

Due stati conformazionali• Forma T: deossigenata, bassa affinità per

l’ossigeno

• Forma R: ossigenata, alta affinità per l’ossigeno

Variazione dei contatti intercatena conseguenti all’ossigenazione

Equilibrio di legame dell’ossigeno all’Emoglobina

Grafico di Hill

hh

h

h

n

n

LK

L

KLP

P

KLP

PLP

PLY

K

L

Y

Y h

1

KLhY

Yloglog

1log

Log K

Log Y

1-Y

Grafico di Hill

Modelli termodinamici di cooperatività

Monod, Wyman, Changeux

Koshland

L’effetto Bohr

L’effetto Bohr

L’effetto allosterico

Il bisfosfoglicerato modifica la “soglia” necessaria a far avvenire la variazione conformazionale

Quante Emoglobine umane?!?

5’ 3’

1 2

Embrionale Fetale Pseudogene Adulta

0

100

200Myaduplicazione genica

Perché?

Cooperatività ed allosteria: non solo emoglobina

Cosa succede se:

• Una delle istidine prossimali è mutata in tirosina?

La coordinazione dell’ossigeno al posto dell’azoto cambia il valore del potenziale redox del ferro, stabilizzando lo stato +3 e rendendo la proteina incapace di legare l’ossigeno

Cosa succede se:• Il glutammato in posizione 6 delle catene β

è mutato in valina?

Anemia falciforme

Anemia falciforme

Per saperne di più

• Basics: qualunque testo di biochimica• I classici:

– M. Brunori, E. Antonini, “Hemoglobin and Myoglobin in Their Reactions with Ligands” (1971)

– R.E. Dickerson, I.E. Geis, “Hemoglobin: Structure, Function, Evolution, and Pathology” (1983)

• Allosteria: J.F. Swain, L.M. Gierasch, “The changing landscape of protein allostery”. Curr. Op. Struct. Biol. 16, 102-108 (2006).

• The Web