Le proteine globulari: mioglobina ed emoglobina - Scuola1024

Le proteine globulari:
mioglobina ed emoglobina

Caratteristiche generali
Forma: sferoidale
Solubilità: acqua
Struttura: terziaria e, spesso, quaternaria
Classificazione: caratteristiche chimico chimico-fisiche fisiche

Classificazione
Protamine Protamine: basiche, a basso PM PM. Presenti nello sperma di
alcuni pesci, mantengono compattato il DNA nella testa degli
spermatozoi
Istoni Istoni: basiche, a basso PM (11 11-20 20kD), kD), associate al DNA nel
nucleo cellulare
Prolamine e gluteline gluteline: origine vegetale, ricche in prolina e
acido glutammico, ma povere in triptofano e lisina (scarso valore
biologico) biologico).
Albumine Albumine: acide, medio PM (50 50-60 60kD), kD), ricche in acido
glutammico, aspartico, lisina e leucina, ma povere in triptofano
Globuline Globuline: glicoproteine ad alto PM (circa 150 kD kD). Alcune
sono solubili in soluzioni saline (euglobine euglobine) altre in acqua
(pseudoglobine
pseudoglobine).

Proteine che legano O2 Proteina di trasporto emoglobina
Proteina di deposito mioglobina
• Legare l’ossigeno
Requisiti strutturali
•Proteine coniugate (globina, parte proteica ed eme,
gruppo prostetico)
•Cromoproteine
Requisiti funzionali
• Impedire che ossidi altre sostanze
• Cedere O 2 in particolari e ben definite condizioni

La globina
Proteina globulare compatta (141-
154aa), solubile ma impermeabile
Per il 75% conformazione ad elica
Forma: 7/8 segmenti elicoidali (
elica) destrogiri uniti da segmenti
con avvolgimento casuale
+ H3N
L’interno è costituito quasi esclusivamente da residui aa non
polari, con l’eccezione di 2 molecole di His.
L’esterno presenta residui aa polari in grado di legare molecole di
acqua
1
154
COO -
His93, F8 His64, E7

L’ eme
Il Fe Fe2+ forma 6 legami di coordinazione
coordinazione: 4 con
gli N dell’anello porfirinico (ne impediscono l’
ossidazione a Fe Fe3+ ), ), 2 sono perpendicolari al
piano della porfirina (legame con O2 e con N
di His prossimale) prossimale).
Costituito da una
complessa struttura
organica ad anello
(protoporfirina
protoporfirina IX) cui è
legato un atomo di Fe Fe2+ .
Anche altre piccole molecole, quali NO e CO, sono in grado di
coordinarsi con il Fe Fe2+ , per questo l’eme è sequestrato all’interno
della proteina proteina.

In presenza di O2, l’atomo di Fe Fe2+ dell’eme dell’eme
isolato è ossidato in maniera irreversibile a Fe Fe3+ ,
una forma che non è in grado di legare O2.
La componente proteica impedisce tale
ossidazione e rende possibile un legame
reversibile dell’O dell’O2 all’eme all’eme.
L’ossigenazione altera lo stato elettronico del complesso Fe Fe2+ -
eme, come indica la variazione di colore da rosso scarlatto
(sangue arterioso) a rosso cupo (sangue venoso) venoso).
In alcune situazioni il Fe Fe2+ si ossida ossida a Fe Fe3+ (metamioglobina
metamioglobina e
metaemoglobina)
metaemoglobina): a queste proteine si deve il colore scuro della
carne vecchia e del sangue secco secco.

Mioglobina ed emoglobina
1 catena polipetidica (154 154aa) aa) +1
eme)
Sede: miocardio,muscolo scheletrico
4 catene polipetidiche +
4eme) eme)
Sede: globulo rosso

MIOGLOBINA
Cromoproteina globulare (PM= 17.815Da).
Costituita da una proteina
(globina) legata all’eme.
Contenendo un’unica cisteina, è
stabilizzata da interazioni
idrofobiche fra aa apolari (val,
leu).
Sulla superficie sono esposti aa
polari (asp, lys) che prevengono
l’associazione tra mioglobine

MIOGLOBINA
Presente nelle fibre rosse del muscolo
scheletrico e cardiaco, ha la funzione di
legare reversibilmente O 2 mediante l’eme.
La porzione proteica crea un ambiente
idrofobico per preservare il Fe allo stato
ridotto e rendere più duraturo il suo legame
con l’eme.
Funzioni
Funzioni:
Agevolare la diffusione di O 2 nel muscolo
Trasferimento dell’O 2 trasportato dall’Hb alla citocromo ox.
Deposito di O 2 (neuroglobina)

Curva di legame dell’ossigeno alla mioglobina
pO2 di un
muscolo che
respira
attivamente
La mioglobina è per metà saturata dall’ossigeno (Yo 2 = 0,5) alla pressione parziale
di ossigeno (pO 2) di 2,8 torr. L’andamento iperbolico della curva di legame è
quello tipico del legame di una piccola molecola a una proteina.
Tratto da D. Voet, G. Voet e C.W. Pratt “Fondamenti di biochimica”

EMOGLOBINA
Proteina tetramerica (PM 64500 Da).
Costituita da 4 subunità uguali a
due a due, ciascuna costituita da
una porzione proteica (globina)
legata in modo NON covalente
all’eme all’eme.
Nell’adulto, è prevalente la forma
2 2. Le
elevata
mioglobina mioglobina.
subunità
omologia
presentano
con la
Presente negli eritrociti umani (circa 15 g/dl) g/dl); nelle 24 ore
vengono rinnovati 6,25 25 g di emoglobina emoglobina.

L’organizzazione dei geni delle globine
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI
DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A.
Copyright © 2006

Emoglobine
durante
l’ontogenesi
Oltre alla catena , sempre presente,
HbA HbA0 : β2 . HbA HbA2 : δ2 Hb F, fetale fetale: γ2. (Le
catene γ sono di due tipi tipi: Gγ e Aγ che
differiscono per un aminoacido in
posizione 136 136); altri tre tipi di emoglobina
sono inoltre presenti a livello embrionale
fino alla decima settimana settimana: l’ l’Hb Hb Gower I
(δ2ε2 ), l’ l’Hb Hb Portland (δ2δ2 ) e l’ l’Hb Hb Gower II
(α2ε2 ).
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Perchè diverse emoglobine emoglobine????? ?????
Perchè hanno una
diversa affinità per
l’ossigeno l’ossigeno!
Il feto ottiene l'O l'O2 per diffusione attraverso la placenta placenta. Questa
diffusione è aiutata dal fatto che l’ l’Hb Hb fetale ha un'affinità più alta per
l'O l'O2 di quanto lo abbia l’ l’Hb Hb materna materna.
L'emoglobina fetale è un tetramero che contiene due catene e due .
Le che rimpiazzano le forme hanno una bassa affinità per il
bisfosfoglicerato
bisfosfoglicerato.

Legame dell'O dell'O2 all'emoglobina
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli
Editore S.p.A. Copyright © 2006

Il legame cooperativo - I
L’emoglobina presenta 2 stati conformazionali: uno stato T (teso) nella
deossiemoglobina, e lo stato R (rilassato) nell’ossiemoglobina.
T
Fondamenti di biochimica. D. Voet, J. Voet & W. Pratt Ed. Zanichelli
R
I contatti tra le
subunità
passano da una
posizione
all’altra senza
forme
intermedie
stabili.

Il legame cooperativo II
L’emoglobina nello stato T ha una bassa affinità per l’ossigeno
poiché la lunghezza dei legami Fe – O 2 è di 0,1 Å superiore a
quella nello stato R.
Quando almeno una molecola di O 2 si lega ad una subunità αβ, lo
stiramento indotto dal legame con l’ossigeno, è sufficiente ad
indurre la transazione
di tutte le altre
subunità dallo stato T
allo stato R
indipendentemente dal
fatto che abbiano
legato l’ossigeno o che
ne siano prive.

La differenza di affinità per
l'O2 tra lo stato T e lo stato R
può essere compreso in termini
di cambiamenti della struttura
quaternaria che accompagnano
la conversione dalla
deossiemoglobina alla
ossiemoglobina
Si può distinguere la
conformazione ossi a causa
degli O2 in rosso che legano il
Fe in blu
Ma perché cambia la struttura?????

Poichè l’Hys è legata al Fe si
muoverà anch'essa causando
un contemporaneo
spostamento dell'elica in cui
si trova
Questo movimento altera la struttura di ogni subunità
Questo porta al cambiamento di conformazione dalla deossi alla
ossiemoglobina.

QUALI FATTORI MODIFICANO L’AFFINITA’
DELL’OSSIGENO PER L’ L’Hb Hb?
temperatura: più basse temperature (nei polmoni)
favoriscono il legame con l’O 2, mentre più alte (nei
tessuti) ne favoriscono la dissociazione
pCO 2 e pH (effetto Bohr)
2,3-bisfosfoglicerato (BPG)

EFFETTO BOHR - I
Se pCO 2 aumenta, aumenta la pO 2 richiesta per la
saturazione dell’Hb…. in altre parole, più CO 2 è
presente meno O 2 rimane legato all’Hb!
Ma poichè
CO CO2 + H H2O H2CO CO3 HCO -
3 + H +
L’effetto della CO 2 può essere attribuito alla
diminuzione del pH

EFFETTO BOHR BOHR- II
L’affinità dell’emoglobina per l’O 2 aumenta all’aumentare del pH. La linea
tratteggiata indica la pressione parziale di O 2 in un muscolo che sta
respirando attivamente.
Tratto da D. Voet, G. Voet e C.W. Pratt “Fondamenti di biochimica”

• Esistono 8 legami che stabilizzano lo stato T dell'Hb; uno di
questi è quello tra Istidina (His 146) e Aspartato (Asp 94).
L‘His ha il punto isolelettrico = 7.6 (vuol dire che possiede
carica netta nulla a pH 7.6 ) ed è molto sensibile alle
variazioni di pH.
Quindi a pH

2,3-bisfosfoglicerato
bisfosfoglicerato (BPG) (BPG): il regolatore
dell’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno - I
L’ L’Hb Hb nel globulo rosso lega l’O2 con affinità maggiore che
non l’ l’Hb Hb in soluzione.
Nel globulo rosso è presente BPG, un
intermedio della glicolisi, in
concentrazioni analoghe a quelle dell’ dell’Hb Hb.
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI
DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A.
Copyright © 2006

2,3-bisfosfoglicerato
bisfosfoglicerato (BPG) (BPG): il regolatore
dell’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno - II
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

2,3-bisfosfoglicerato: il regolatore dell’affinità
dell’emoglobina per l’ossigeno - III
Il BPG si lega nella cavità centrale dell’emoglobina deossigenata. Nello
stato R la cavità centrale è troppo stretta per contenere il BPG.
Nei tessuti (bassa pO2) per l’effetto Bohr l’O2 viene rilasciato e nel
contempo il BPG si lega impedendo un eventuale legame con l’O2. Nei
polmoni si verifica l’evento opposto.
In condizioni patologiche (ipossia, anemie) o fisiologiche (permanenza
ad alte quote) la concentrazione di BPG nel globulo rosso aumenta
facilitando il rilascio di O 2 ai tessuti.

In sintesi sintesi…… …….. ..
(tratto da: Fondamenti di biochimica. D. Voet, J. Voet e W. Pratt Ed. Zanichelli)

Le emoglobinopatie
Sindromi ereditarie, causate da difetti congeniti
dei geni globinici, in conseguenza dei quali si
verifica la sintesi di catene globiniche
strutturalmente anomale (difetto qualitativo).
La gravità della patologia è strettamente collegata
al sito in cui si verifica la mutazione.
Attualmente si conoscono circa 800 varianti,
molte delle quali clinicamente silenti e
prevalentemente puntiformi.
L’incidenza, in Italia, oscilla tra il 2 % nelle
regioni settentrionali ed il 20 % nelle regioni
meridionali ed insulari.

Anemia falciforme (sickle =
(sickle = falce falce) )
E’ causata da una mutazione Glu Val in posizione 6 della
catena
Tale valina idrofobica può inserirsi in una tasca della catena di
un’altra emoglobina e molecole di emoglobina adiacenti possono
dare una fibra elicoidale a bastoncino
Eritrociti falciformi Fuoriuscita di fibre di emoglobina
Tratto da Mathews-Van Holde-Ahern “Biochimica”

Anemia falciforme
La polimerizzazione dell’Hb porta ad un precipitato fibroso che
induce la deformazione a falce del globulo rosso.
I globuli rossi falciformi hanno
un’emivita più breve dei normali
(anemia) perché più facilmente
agglutinabili (piccole zone ischemiche)
ed emolizzabili.
E’ più diffusa nelle zone malariche
(meccanismo di difesa). Il parassita non
riesce a completare lo stadio
intracellulare di sviluppo perché il
globulo rosso ha vita più breve.

Le talassemie
In questo tipo di patologie si osserva un alterato rapporto
quantitativo fra le differenti catene globiniche.
L'-talassemia, che deriva da una riduzione della sintesi della
catena , presenta un modello ereditario più complesso,
poiché il controllo genico della sintesi della catena a coinvolge
due paia di geni strutturali. Gli eterozigoti che difettano di un
solo gene (-talassemia-2 [silente]) non hanno di solito alcun
segno clinico. Gli eterozigoti per le due coppie di geni o gli
omozigoti per una sola coppia (-talassemia-1 [tratto]) tendono
a manifestare un quadro clinico che somiglia a quello degli
individui eterozigoti per la -talassemia.

Le talassemie
In particolare, La -talassemia talassemia è caratterizzata da una riduzione della
sintesi delle catene . Viene trasmessa come carattere autosomico
dominante dominante; gli eterozigoti sono portatori e hanno un'anemia microcitica
lieve o moderata e, di solito, asintomatica (talassemia minor), mentre negli
omozigoti (talassemia major, anemia di Cooley Cooley) si hanno i sintomi
caratteristici
caratteristici:
anemia grave, notevole espansione dello spazio midollare e sovraccarico
di Fe, secondario alle trasfusioni e all'aumentato assorbimento. Si può
avere ittero, ulcere agli arti inferiori, colelitiasi, splenomegalia. Con il
sequestro splenico, il tempo di sopravvivenza dei GR trasfusi
diminuisce.
L'iperattività del midollo osseo causa un ispessimento delle ossa del
cranio e degli zigomi. e fratture patologiche delle ossa lunghe.
Riduzione dell'accrescimento e pubertà ritardata o assente. I depositi
di Fe nel miocardio possono provocare alterazione della funzione
cardiaca con insufficienza cardiaca. È tipica la siderosi epatica, con
conseguente insufficienza funzionale e cirrosi

Le
talassemie
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA,
Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Emoglobine minori

L’emoglobina glicata (HbA
(HbA1c 1c)
Il diabete mellito, una patologia che colpisce il 5% della
popolazione mondiale, è definita clinicamente come
un’assoluta o parziale deficienza di insulina che può
progredire ad iperglicemia.
All’aumentare della glicemia corrisponde un incremento
del fenomeno della glicazione dell’emoglobina.
Poiché l’emivita degli eritrociti è di 60 giorni, la
percentuale di emoglobina glicata può essere utilizzata
come indicatore dei livelli di glicemia nei 2 mesi
precedenti il prelievo e pertanto può essere un valido
parametro per il controllo di pazienti diabetici.

L’emoglobina glicata (HbA
(HbA1c 1c)
Questo processo, che
consiste nell’attacco
del glucosio alla valina
in posizione 1 della
catena beta, è un
processo non
enzimatico e dipende
SOLO dalla glicemia glicemia. .

Metaemoglobina o Ferriemoglobina
Il Fe 2+ presente nell’Hb è suscettibile di ossidazione da parte di
anioni superossido o altri agenti ossidanti.
La metaemoglobina è il prodotto di ossidazione dell’Hb in cui è
prevalente il Fe 3+ . Poiché in questa forma il Fe non può legare
l’O 2 questa Hb non partecipa al trasporto dell’ O 2
Il globulo rosso ha un efficiente sistema per riportare il Fe 3+ a
Fe 2+ : il sistema della NADH-cyt b5 metaemoglobina reduttasi
HbFe 3+ + cyt cyt bb 55 red
HbFe 2+ + cyt cyt bb 55 ox
Il cytb5 ox è rigenerato per azione della citocromo b5 reduttasi
cyt cyt bb 55 ox + NADH cyt cyt bb 55 red + NAD

Metaemoglobina o Ferriemoglobina
Livelli di metaemoglobina > 1.7 % dell’Hb totale portano ad una
patologia detta metaemoglobinemia, che può essere ereditaria
o acquisita (es. ingestione di farmaci quali antipirina o
fenacetina e tossici quali anilina).
La forma ereditaria, normalmente dovuta ad un’alterata attività
della metaemoglobina reduttasi (conversione del Fe 3+ della
metaemoglobina a Fe 2+ a spese di NADH(H + )), è trasmessa come
patologia autosomica recessiva.
Alcune Hb varianti sono causa di metaemoglobinopatia. Es.
l’HbM presenta una mutazione del residuo aa (Tyr) cui l’eme è
legato. Ne consegue un’alterata affinità per l’O2 e una sua
maggiore ossidabilità.

Effetto del monossido di carbonio: Carbossiemoglobina
Il CO si lega
saldamente, ma
reversibilmente al Fe,
inducendo la forma R.
Aumento dell’affinità
per l’O 2
Mancato rilascio di O 2
ai tessuti

Curiosità
L'emoglobina del coccodrillo
Il coccodrillo può rimanere sott’acqua per più di
un'ora e uccidere le prede per annegamento, ma
non ha le branchie.
Come fanno i tessuti a prendere l'O2 mentre
l'animale è immerso?
Mentre sono immersi, il metabolismo produce CO2
che viene convertito in ione bicarbonato che agisce
da effettore legandosi ai residui all'interfaccia 1 2
della deossiemoglobina, stabilizzandola
Di conseguenza anche a pressioni parziali di
ossigeno molto basse (come avviene dopo
un'immersione prolungata) viene ancora ceduto
ossigeno ai tessuti tessuti.
In poche parole, grazie allo ione bicarbonato, i muscoli nel coccodrillo
ricevono ossigeno "fino all'ultima goccia", cosa che invece non avviene
nelle sue prede che quindi muoiono per annegamento molto prima del
coccodrillo coccodrillo.
In questi animali il bifosfoglicerato non è effettore a causa delle
mutazioni nella sua sacca di legame.

Patologie correlate ad alterazioni dell’emoglobina
emoglobinopatie
talassemie