Emoglobina e MioglobinaEmoglobina e Mioglobina

Metabolismo aerobico

l’ossigeno ha una bassa solubilità (10-4M)

Proteina di trasportoemoglobina

Alcuni tessuti necessitano diriserve di ossigeno e di diffusione rapida

Proteina di immagazzinamento

nel tessuto muscolare mioglobina

Il sito di legame dell’ossigeno è l’eme: gruppo prostetico

Il sito di legame dell’ossigeno è l’eme: gruppo prostetico

Molecola altamente coniugata (anello porfirinico)responsabile del colore rosso

Il Fe2+ ha tendenza a coordinarsi con sei legandi (vertici di un ottaedro)

4 sono forniti dall’azoto all’anello2 sono forniti dall’ O2 (nella forma ossigenata) e da una His (prossimale)

Protoporfirina IX

MioglobinaMioglobina:

His prossimale F8

His distaleE7

Il Fe2+ non viene ossidatoa Fe3+ dall’O2 grazie all’ambiente idrofobicoproteico che circonda l’eme

Tasca idrofobica

His distale E7: legame a H con O2

protegge il Fe2+ dall’ossidazione (impedisce ingresso di protoni)metamioglobina: forma ossidata non in grado di legare O2

Perutz: “ l’evoluzione è un ottimo chimico”

153 AA, 75% α-elica8 segmenti

Il legame dell’ossigenonella mioglobina

Studi del legame dell’ossigeno alla Mioglobina

Legge di Henry : [O2]disciolto= kpO2

Le forme ossi e deossi hannospettri visibili diversi Si può determinare

sperimentalmentela quantità di mioglobinache lega O2 in funzione della [O2] o della pressione parziale di O2

Mioglobina Mb + O2 ⇔ MbO2[ ][ ][ ]

[ ][ ]

[ ][ ] [ ]

[ ][ ][ ] [ ][ ]

[ ][ ]

[ ][ ]

[ ]

[ ][ ]

[ ][ ]

[ ] [ ]22/12

2

2

2

2/12

2/12

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

OOO

O1O

O1

ossigenol' legano molecole delle metà quale alla ioneconcentrazO

O1O

O1O

OMbMbOMb

MbOMbMbO

occupati siti di frazione totalisiti

occupati siti

affinità o neassociazio di costante OMb

MbO

+==

+=

=

=

+=

+=

+=

+=

=

=

ϑϑ

ϑ

ϑ

ϑ

KK

K

KK

K

KK

K

θ

mmHgP504mm Hg

mioglobina mioglobina

Proteina di trasporto efficiente nel legame ma inefficiente nelrilascio

Proteina di trasporto efficiente nel rilascio ma inefficiente nellegame

Pressionenei tessuti Pressione

nei polmoni

pO2pO2

Proteina di trasporto efficientecurva a sigmoide: si realizzacon una transizione di stato

Proteina di trasporto O2 ideale: deve essere satura alla pressione dei polmoni emolto dissociata alla pressione dei tessuti

pO2

pO2

θ

L’emoglobinaemoglobina è una proteina multimerica α2β2

l’interazione cooperativa tra i siti di legame (4) dell’ O2 conferisce alla molecola le caratteristiche di efficienza nel trasporto

Tratti blu: residui identici nelle catene dell’HbTratti rosa: residui identici nelle catene dell’Hb e nella Mb (18%)Tratti viola: residui identici nelle catene dell’Hb e nella Mb in tutti i vertebrati

Nelle catene α manca l’elica D

Legame cooperativo: l’occupazione dei primi siti aumenta l’affinitàdei restanti

A.Hill [ ][ ][ ]

[ ][ ]

[ ][ ] [ ]

[ ][ ][ ] [ ][ ]

[ ][ ]

[ ][ ]

[ ]

[ ][ ]

[ ] [ ][ ]

[ ] 2/12/12/1

2/1

n

n

n

LL

-1

LLL

L1

5.0 L legano siti metà quale alla ioneconcentrazL

L1L

L1L

LEELE

)ELE(EL

occupati siti di frazione totalisiti

occupati siti

affinità o neassociazio di costante LE

EL

n

n

nn

n

n

n

n

n

n

n

n

n

K

KK

K

KK

nn

K

=+

==

==

+=

+=

+=

+=

=

=

ϑϑϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

E+nL⇔ELn

[ ][ ]

[ ] [ ] 2/122

2/12

2

OlogOlog-1

log

OO

-1

nn

n

n

−=

=

ϑϑ

ϑϑ

pendenza nH= coefficiente di Hill

0

1

2

-1

0-1 +1 +2 logpO2

Legame non cooperativolinea retta con pendenza 1

Il cambio di pendenza indica ilcomportamento cooperativo

nH=1 solo un sito 1< nH < n molecola cooperativa (emoglobina nH =3,6 n=4)nH = n molecola completamente cooperativa (tutti o nessuno!)

30 torr

0.3 torr

θ=0.5

θ=0.5

Legame cooperativo ed Legame cooperativo ed effetto allosterico nell’emoglobinaeffetto allosterico nell’emoglobina

Variazioni strutturali accompagnano il legame dell’ O2

Tali variazioni interessano principalmentela struttura quaternaria

T(tight)

R(relaxed)

• Le strutture terziarie delle subunità α e β sono simili a quelle della mioglobina• Nelle catene α non ci sono le eliche D• Prevalgono le interazioni α1 -β1 e α2 -β2

• Le interazioni α1 -β2 e α2 -β1 sono minori in numero• i contatti α1 - α2 e β1 -β2 sono pochi e polari

deossiHb : stato T ossiHb : stato R

O2, CO, CN-, NO legandipossibili

α1β1 e α2β2 si spostanocome unità rigide di 15°

variazioni nei contattiα1β2 e α2β1

Visione lateralerispetto alla precedente

α1β1 e α2β2 si spostanocome unità rigide

FG4(97) β2 His97C3(38) α1 Thr38 C6(41) α1 Thr41CD2(44) α1 Pro44

Effect of oxygen on heme iron

CNO

===

Plane of heme

DistalHis (E7)

Fe

ProximalHis (F8)

F7

F6

FG1

FG2FG3

NC

0

Effect of oxygen on heme iron

Fe

ProximalHis (F8)

F7

F6

FG1

FG2FG3

NC

Plane of heme

CNO

===

DistalHis (E7)

0

La modificazione strutturale parte dall’eme e viene trasmessaal resto della proteina

Nello stato T il Fe2+ èsituato fuori dal piano 0.6Å

Nel legame con O2 il Fe2+ rientra nel piano trascinando l’His prossimale, che si riarrangia e che a sua volta sposta l’elica F. La Val FG5 vienespinta a destra e in questo modo la variazione arriva all’angolo FG

Superficie del dimeroα1β2 sezionato per vedere i punti di contatto

Entrambi gli stati sono stabilizzati da legami a He ponti salini (non vi sono intermedi)

1

Variazioni complessive nell’interfaccia α1β2

O2Steps:

1. Si lega O2

2. L’His prossimale si sposta3.Trascina l’elica-F

4. Lo spostamento della Val FG5 trasmette le modifiche all’interfaccia FGβ2-Cα1

5. La rigidità α1β1,

e α2β2 fa sì che il cambio avvenga inentrambe le interfacce

His F8

Blu: ossi