MIOGLOBINA (Mb) EMOGLOBINA (Hb) IL TRASPORTO DI O 2 EC O 2

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MIOGLOBINA (Mb) EMOGLOBINA (Hb) IL TRASPORTO DI O 2 EC O 2 Powered By Docstoc
					    MIOGLOBINA (Mb)
    EMOGLOBINA (Hb)
IL TRASPORTO DI O2 E CO2
                      EMOGLOBINA E MIOGLOBINA
 La mioglobina (Mb) e l’emoglobina (Hb) sono cromoproteine coniugate, costituite da
1 e 4 catene polipeptidiche, rispettivamente, e da un gruppo chimico di natura non proteica,
il gruppo prostetico ferroprotoeme, legato covalentemente a un atomo di N di un residuo
dell’AA istidina, definita prossimale. La parte proteica è chiamata apo-globina.
[Nella figura sono riportati modelli molecolari di Mb e Hb in cui le lettere maiuscole indicano segmenti di a-elica (8
segmenti per ciascun monomero, lettere dalla A alla H). Il ferroprotoeme è rappresentato in rosso nei vari siti attivi].




                                     Mb




                                                                       Hb
      Il ferroprotoeme
                         Il ferro Fe2+ forma: 1 legame dativo con
                         l’atomo di N di istidina prossimale F8,
                         4 legami dativi con 4 N dell’anello
                         complesso (porfirina) e 1 legame dativo
                         con O2, che viene legato così in modo
                         reversibile.

                         Il livello di ossidazione necessario a
                         questa funzione è Fe2+ in forma ridotta
                         (ione ferroso).
                         Lo ione Fe3+ (ferrico) in forma ossidata
istidina prossimale F8   non è funzionale, non può legare O2, ma
                         una molecola di H2O.

                         Quando deossigenato il ferroprotoeme è
                         di color rosso scuro, come nel sangue
                         venoso. In forma ossigenata è rosso
                         brillante come nel sangue arterioso.
                                MIOGLOBINA (Mb)

Mb è costituita da una catena
polipeptidica (153 AA) ad a-
elica e da un gruppo eme. Mb
ha quindi una struttura
terziaria.
Si trova nei muscoli, nei quali è
deputata a conservare l’O2 e a
facilitarne    la      diffusione
all’interno     delle      cellule
muscolari stesse.


La catena polipeptidica della Mb è costituita da 153 AA e presenta 8 segmenti con struttura
ad a-elica, ciascuno identificato con una lettera maiuscola dell’alfabeto (A-H).
                 EMOGLOBINA (Hb)
                                                  Hb ha 4 catene polipetiditiche ad
b2                                                a-elica e 4 gruppi eme. Hb
            b1                                    presenta quindi una struttura
                                                  quaternaria.
                                                  L’emoglobina adulta umana
                                                  (HbA) è costituita da 2 catene a e
                                                  2 catene b, ciascuna con struttura
                                                  simile a quella della mioglobina.
                                                  L’emoglobina fetale (HbF) è
                                                  costituita da 2 catene a e 2 catene
                                                  g.
                                                  Hb è contenuta negli eritrociti ed è
                                                  deputata al trasporto di O2 dai
                                                  polmoni ai tessuti, legandosi ad
a2                                                esso reversibilmente. Hb attua
       a1                                         anche trasporto reversibile di
                                                  anidride carbonica CO2.


     La sostituzione delle catene β (Hb adulta) con catene g (Hb fetale)
                      comporta differente funzionalità.
          Il ferroprotoeme e il legame reversibile con O2

                                                    In figura è riportato il modello molecolare del
                                                    ferroprotoeme nel sito attivo legato alla
                                                    istidina prossimale F8 (residuo AA numero 8
                                                    del segmento F).


                                      istidina      Si può inoltre notare che un residuo di istidina
                                      distale
      istidina                        E7
      prossimale                                    definita distale E7 (residuo AA numero 7 del
      F8
                                                    segmento E) affronta l’eme.


L'eme che si lega a Fe3+ è ossidato, a differenza di quello che ospita Fe2+ che è ossigenato.

Le forme ridotte di Mb e di Hb sono denominate ferromioglobina e ferroemoglobina, le forme
ossidate sono denominate ferrimioglobina e ferriemoglobina o meta-emoglobina (MetHb).

Le forme ossigenate sono MbO2 monomero, Hb(O2)4 tetramero. Nei globuli rossi ci sono enzimi
(reduttasi) che mantengono il livello di MetHb, che non lega O2, intorno a 0.4% della Hb totale.
             Protezione dell’eme da parte della globina


Le globine che circondano l'eme in Mb ed in Hb hanno funzioni di estrema importanza:

- impediscono al ferro dell’eme di ossidarsi da Fe2+ ferroso a Fe3+ ferrico;

- creano un sito attivo idrofobico, in cui si lega O2 che è lipofilo*;

- proteggono l’eme da ligandi indesiderabili (esempio CO, monossido di carbonio).
*la solubilità di O nel plasma è circa 10-4 M; grazie all'emoglobina c'è una concentrazione di O 10-2 M nel sangue,
                   2                                                                            2
pari alla sua pressione parziale nell'aria.
       BASI STRUTTURALI DELLA DIMINUITA AFFINITA’
               DELLA Mb E DELL’Hb PER IL CO
                                                                    Il monossido di carbonio (CO) si lega al
                                                                    ferroprotoeme, privato della globina, con
 A - Legame lineare               istidina distale E7               affinità 25.000 volte superiore rispetto a O2:
 del CO al ferro-                                                   il legame, molto forte, fra gli atomi Fe-C-O
 protoeme privato                                                   è lineare (figura A). O2 si lega all'eme
 della globina.                                                     privato della globina con legame angolato
                                                                    La presenza nella globina di una istidina
                                                                    distale E7, sia in Mb sia in Hb, favorisce il
                                                                    legame angolato di O2, costringendo anche
                                                                    il CO ad un legame angolato meno forte.
                                                                    Ciò abbassa l'affinità di Hb e Mb per CO,
                                                                    che rimane tuttavia superiore a quella per
                                                                    O2 di circa 200 volte. L'affinità, così
                                                                    diminuita, permette di tollerare la presenza
                                                                    di CO liberato dall’organismo nel processo
                              istidina prossimale F8                di demolizione del ferroprotoeme, che
                                                                    occupa non più dell'1% dei siti per O2 in Mb
                                                                    ed Hb.

B - Legame angolato del CO nella Mb e Hb (His distale impedisce la formazione di un legame lineare diminuendo
l’affinità per il CO); C - Legame angolato dell’O2 nella Mb e nell’Hb.
I derivati carbossi-mioglobina e carbossi-emoglobina presentano CO (non
CO2!!!) legato al ferroprotoeme.


Quando nell’aria è presente 0.2% di CO in 1 ora si ha perdita di coscienza e in
circa 4 ore si ha morte per asfissia (circa 2/3 di Hb sono legati a CO).
Il trasporto reversibile di O2 attuato da Mb ed Hb:
curve di saturazione percentuale

                                  I grafici rappresentano la curva di
                                  saturazione con O2 di Mb, curva
                                  iperbolica, e di Hb curva sigmoide:
                                  in ascissa è riportata la pressione parziale di
                                  O2 (pO2), espressa in torricelli (mmHg);
                                  in ordinata è riportata la saturazione Y, che
              *                   definisce la frazione di siti leganti
                                  l’ossigeno occupata da molecole di O2 e
                                  varia da zero (tutti i siti vuoti) a uno (tutti i
                                  siti occupati).
                                  Il parametro P50 esprime la pO2 a cui il
                                  50% dei siti è occupato (Y=0,5).


*La curva mostra un progressivo aumento dell’affinità di Hb per O .             2
Le due curve (nuovamente riportate) indicano che Mb e Hb sono saturabili da parte di O2.




                                        La curva di Mb è a sinistra di quella di Hb e
                                        ciò denota la sua maggiore affinità per O2 . La
                                        P50 di Mb è circa 1 torr, mentre quella di Hb è
                                        di circa 26 torr: la maggiore affinità di Mb è
                                        dimostrata dal fatto che si semi-satura a pO2
                                        molto inferiori rispetto a Hb.
                 *
                                        La grande affinità di Mb per O2 rende questa
                                        cromoproteina, presente nei muscoli, più che
                                        un trasportatore, un solubilizzatore di O2 e ne
                                        facilita la diffusione nel muscolo, costituendo
                                        così una riserva ideale.


*La curva mostra un progressivo aumento dell’affinità di Hb per O .   2
La forma sigmoide della curva di Hb è indice dell'affinità crescente che il gruppo eme
delle quattro sub-unità di ogni molecola sviluppano nel corso dell'ossigenazione: il primo
eme, scarsamente affine per O2, "comunica" agli altri il suo legame con O2 gli altri
"rispondono" con aumento progressivo di affinità: la quarta molecola di O2 si lega con
affinità 300 volte maggiore ad Hb.Vi è cooperatività fra le sub-unità nel legame reversibile
con O2, grazie alle interazioni eme-eme:

                                               effetto cooperativo fra le sub-unità


[Per comprendere il fenomeno è utile paragonare le 4 subunità a 4 francobolli uniti dalle dentellature: per staccare il
primo francobollo si dovranno rompere 2 dentellature, per staccare il secondo una dentellatura e, infine, rompendo
una sola dentellatura si libereranno 2 francobolli contemporaneamente]


                                                IMPORTANTE:

Nei tessuti periferici la pO2 è bassa, Hb(O2)4 si dissocia e O2 rilasciato passa dai capillari
attraverso gli spazi extracellulari e intracellulari fino ai mitocondri, dove viene utilizzato
per la fase finale della respirazione cellulare.
  Allosterismo (modificazione della struttura quaternaria)
E’ un fenomeno per cui le proteine con struttura quaternaria (emoglobina e moltissimi
enzimi) possono essere modificate nella disposizione spaziale delle sub-unità costituenti.

L’emoglobina è una proteina allosterica la cui struttura quaternaria viene modificata dal
legame di O2 alle 4 sub-unità: i 4 siti attivi cooperano positivamente, legando O2 con affinità
crescente e questo causa cambiamento progressivo di struttura quaternaria.

         L’effetto cooperativo del legame con O2 induce una modificazione della struttura
Il legame di Hb con O2 induce una modificazione strutturale. La proteina passa da
una forma tesa T, mantenuta da interazioni ioniche (ponti salini) fra catene laterali
di aminoacidi (es. Asp-His) presenti nelle sub-unità, a una forma rilassata R
(ponti salini spezzati). Il fenomeno avviene in direzione opposta quando l’emoglobina rilascia
l’ossigeno.

      Stato T(eso) di bassa affinità per l’O2           Stato R(ilassato) di alta affinità per l’O2




                                       Tratto da: A.L. Lehninger “Introduzione alla Biochimica”, ed. Zanichelli
Esiste la possibilità di regolazione del legame di O2 ad Hb da parte di piccole molecole e
ioni, presenti negli eritrociti, definiti effettori o modulatori allosterici: H+, CO2, acido 2,3
bis-fosfoglicerico (2,3 BPG) causano, legandosi con interazioni deboli in siti allosterici e
non nei siti attivi, diminuzione di affinità dell’emoglobina per l’ossigeno. Sono così
modulatori allosterici negativi.


L’aumento di concentrazione di questi effettori causa diminuzione di affinità di Hb
per O2 per cui agiscono come effettori negativi e stabilizzano la forma T.


Dai due modelli molecolari della diapositiva precedente (forme allosteriche) si può vedere
bene che in Hb deossigenata (T) è presente una cavità centrale che si restringe
consistentemente in Hb in forma R (ossigenata): tale cavità nella forma T ospita il 2,3
BPG, modulatore allosterico negativo.
Il 2,3-bisfosfoglicerato (2,3 BPG) diminuisce l’affinità di Hb per O2

                               Il 2,3 BPG(=) è una piccola molecola dotata di cariche
                               negative che consentono il legame a una serie di cariche
                               positive di catene laterali di AA situati sulle due catene b,
                               formando ponti salini e stabilizzando la forma T. Il sito
                               per il 2,3 BPG è presente solo nella forma tesa T. Alte
   2,3 -
  BPG                          pO2 causando la transizione in forma rilasciata R, fanno
                               scomparire il sito allosterico per l'effettore che così viene
                               liberato.
                               [In presenza di 2,3 BPG, la reazione di ossigenazione si può scrivere: Hb-
                               BPG + 4O2 = Hb(O2)4 + 2,3 BPG. L’aumento di concentrazione di 2,3
                               BPG sposta la reazione verso sinistra con diminuzione di affinità di Hb per
                               O2]

                               [La concentrazione di 2,3 BPG è modulata nell'organismo dipendentemente
                               da condizioni esterne o interne che causino diminuzione di pO2. Ad esempio,
                               salendo ad alta quota, la pO2 diminuisce e l'organismo risponde in vari modi:
                               aumento del numero di eritrociti e della quantità di emoglobina in essi
                               contenuta, vasodilatazione periferica per captare più O2 e aumento della
                               produzione di 2,3 BPG. La diminuita affinità di Hb per O2 (spostamento
                               della curva a destra), favorisce la dissociazione di O2 da Hb a pO2 più basse,
                               facendo in modo che Hb rilasci globalmente una quantità maggiore di O2,
                               con aumento di efficienza del trasporto di O2]

                               [Il sangue conservato con anticoagulanti per le trasfusioni con il tempo perde
                               l'originaria concentrazione di 2,3 BPG e l'affinità di Hb per O2 diventa molto
                               maggiore. C'è rischio, da parte delle persone trasfuse, di ricevere
                               un'emoglobina troppo affine per O2 e quindi poco efficiente: si pone rimedio
                               aggiungendo al sangue conservato sostanze che si trasformino in 2,3-BPG
                               prima di trasfonderlo]
Il fenomeno dell’allosterismo, importantissimo in enzimologia, richiede che la proteina in
esame presenti struttura quaternaria, cooperatività di azione fra le sub-unità componenti e
la possibilità che gli effettori o modulatori si leghino in siti allosterici, essendo in grado
di far cambiare conformazione spaziale.

Gli enzimi allosterici possono essere regolati nella loro attività catalitica sia da modulatori
negativi, come nel caso di Hb (che non è un enzima!), sia da modulatori positivi presenti
anche contemporaneamente sulla molecola enzimatica. Questo consente di modulare
finemente l’attività catalitica degli enzimi allosterici, fondamentali per la regolazione del
metabolismo cellulare. E’ evidente che la funzionalità di proteine con struttura quaternaria
è assai più complessa di quelle con sola struttura terziaria.
            Effetto del pH sull’affinità di Hb per O2
In aggiunta al trasporto di O2 dai polmoni ai tessuti, Hb trasporta anche due prodotti della
respirazione, H+ e CO2, dai tessuti ai polmoni ed ai reni, organi deputati alla loro
escrezione.

La reazione di idratazione è spontanea ma troppo lenta per i ritmi metabolici: l’enzima
eritrocitario anidrasi carbonica consente una velocità di reazione di 100 volte superiore
rispetto a quella spontanea e ciò evita l’accumulo della CO2 nel sangue sotto forma
gassosa, avendo l’enzima la capacità di catalizzare l’idratazione di 600.000 molecole di CO2 al
secondo.

La CO2 viene idratata secondo la reazione:

                        CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HCO3-
                 La reazione libera H+ causando diminuzione del pH.

                   Hb lega reversibilmente non solo quasi tutto l'O2,
                    ma anche parte di CO2 e H+ liberati dai tessuti.
                                              Il legame di Hb con O2 è fortemente influenzato
                                              dal pH e dalla pCO2.
                                              Nei tessuti, dove il pH è basso (aumentano gli
                                              H+) e la pCO2 è alta, l'affinità di Hb per O2
                                              diminuisce, O2 viene liberato e H+ e CO2 si
                                              legano ad Hb.
                                              Il contrario avviene nei capillari polmonari.
                                              L'effetto del pH sull'affinità di Hb per O2 è
                                              denominato effetto Bohr:
                                                         Hb(O2)4 + H+ = HbH+ + 4O2


Nei tessuti Hb(O2)4 perde affinità per O2, lo rilascia a causa delle basse pO2 e, essendo la forma
deossigenata più affine per H+, si comporta come un ottimo tampone intracellulare (azione di alcuni
residui di istidina). L'azione tampone si accompagna al trasporto dell'anidride carbonica.

Le curve di saturazione percentuale di Hb con O2 a vari pH, causate da varie pCO2, mostrano graduale
perdita di affinità di Hb per O2 con l'abbassarsi del pH. Queste reazioni avvengono in direzione
opposta nei tessuti e nei polmoni.
EMOGLOBINA FETALE (HbF)

            Il significato del 2,3 BPG appare chiaro se si
            confronta la curva di saturazione di Hb con O2
            in sangue materno e fetale.

            Il sangue fetale contiene un'emoglobina con
            struttura quaternaria a2g2 e fra le catene g non
            c'è un sito per il 2,3-BPG come fra le catene b
            di HbA; l'emoglobina fetale HbF quindi non
            lega 2,3 BPG e la curva di saturazione è a
            sinistra di quella della emoglobina materna,
            indicando maggiore affinità per O2.

            L'O2 rilasciato nella circolazione placentare da
            Hb materna a certe pressioni parziali, viene
            assunto da Hb fetale, più affine, e ciò soddisfa
            l'esigenza fisiologica di rifornimento di O2 al
            feto da parte della madre.
                           Effetto della temperatura


La reazione di ossigenazione è esotermica, cioè libera calore e quindi l’aumento di
temperatura favorisce la dissociazione di O2 sia da Mb sia da Hb.


Nei tessuti dove si ha produzione di calore derivante anche dalla contrazione muscolare,
l’aumento della T°C favorisce la reazione di deossigenazione.


La temperatura più bassa quale quella degli alveoli polmonari dove avvengono
evaporazione e ventilazione è favorevole alla ossigenazione.
PRINCIPALI SISTEMI TAMPONE DEL SANGUE

• tampone bicarbonato (H2CO3/HCO3-) riserva alcalina plasmatica)
• proteine plasmatiche
• emoglobina (eritrociti)
  pH sangue arterioso 7.40
  pH SANGUE VENOSO 7.37
  pH ERITROCITARIO 7.20

 Il controllo del pH nel sangue è fondamentale per salvaguardare il pH intracellulare
 che influenza: la conformazione delle proteine, l’attività degli enzimi, la forma
  chimica dei substrati e dei prodotti delle reazioni.


 Il tampone fosfato (H2PO4-/HPO4=) è il maggiore tampone intracellulare.

				
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posted:3/13/2012
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