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Pigmenti Respiratori Prof. Giorgio Sartor Scienze Ambientali – Università di Bologna a Ravenna.

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Presentazione sul tema: "Pigmenti Respiratori Prof. Giorgio Sartor Scienze Ambientali – Università di Bologna a Ravenna."— Transcript della presentazione:

1 Pigmenti Respiratori Prof. Giorgio Sartor Scienze Ambientali – Università di Bologna a Ravenna

2 gs 2004Pigmenti respiratori2 Solubilità dellossigeno La solubilità di un gas in un liquido obbedisce alla legge di Henry. P V = nRT P = (n/V) RT P = k (T) C

3 gs 2004Pigmenti respiratori3 Pesce ghiaccio Data la scarsa solubilità dellossigeno in acqua solo alcuni animali che vivono in acque molto fredde possono fare a meno dei pigmenti respiratori Il Pesce ghiaccio (Antartide) è privo di pigmenti respiratori.

4 gs 2004Pigmenti respiratori4 Solubilità dellossigeno I pigmenti respiratori si sono evoluti per aumentare la solubilità dellossigeno nell acqua (fluidi). [O 2 ] = 360 M (10°C) Il legame dellossigeno con i pigmenti respiratori dipende dalla pressione parziale dellossigeno (pO 2 ) PR + O 2 PR-O 2 Non saturato Saturato

5 gs 2004Pigmenti respiratori5 I pigmenti respiratori sono proteine contenenti metalli che legano in maniera più o meno reversibile lossigeno attraverso legami di coordinazione. Mioglobina (deposito) Emoglobina Clorocruorina –Eritrocruorina Emeritrina Emocianina trasporto

6 gs 2004Pigmenti respiratori6 ProteinaColore Metallo nella struttura Legame O 2 Localizzazione Mioglobina (Mb)RossoFe ++ -Eme1O 2 /1Fe ++ Muscoli Emoglobina (Hb)RossoFe ++ -Eme1O 2 /1Fe ++ Eritrociti Soluzione Clorocruorina Eritrocrorina (Ch) Verde-rossoFe ++ -Eme1O 2 /1Fe ++ Soluzione Emeritrina (Hr) Violetto- incolore Fe ++ -O- Fe ++ 1O 2 /2Fe ++ Eritrociti Soluzione Emocianina (Hc) Blù incolore 2Cu ++ 1O 2 /2Cu ++ Soluzione

7 gs 2004Pigmenti respiratori7 Colore Il colore varia con lo stato di ossigenazione del pigmento.

8 gs 2004Pigmenti respiratori8 Distribuzione

9 gs 2004Pigmenti respiratori9 Complessità ProteinaMonomeri Peso molecolare KD Mioglobina (Mb) 117 Emoglobina (Hb) (1 sub)-1000 Clorocruorina Eritrocruorina (Ch) 115 Emeritrina (Hr) 2-10 (circa) Emocianina (Hc)

10 gs 2004Pigmenti respiratori10 Capacità di trasporto dellO 2 SpecieProteinaml O 2 /100 ml liquido H 2 O (pO 2 =21.8 Kpa)-0.65 NematodiHb1.2-3 Anellidi Hb Ch Hr Molluschi Hc (Cefalopodi) (Altri) Artropodi Hb Hc CordatiHb(Anfibi) 6.3 – 32 (Mammiferi)

11 gs 2004Pigmenti respiratori11 Emoglobina e mioglobina Lemoglobina (Hb) di mammifero adulto è una proteina tetramerica ( 2 2 ) le subunità e sono strutturalmente correlate tra loro e con la mioglobina Sia lemoglobina che la mioglobina aumentano la solubiltà dellossigeno nei liquidi

12 gs 2004Pigmenti respiratori12 Emoglobina e trasporto dellossigeno

13 gs 2004Pigmenti respiratori13 Come Hb e Mb legano ossigeno Il legame tra la proteina e O 2 avviene tramite la sua coordinazione con uno ione Fe ++ legato alla proteina attraverso una profirina (protoporfirina IX).

14 gs 2004Pigmenti respiratori14 Gruppo eme

15 gs 2004Pigmenti respiratori15 Fe ++ e Fe +++ Lo ione Fe ++ lega, oltre lO 2, anche altre molecole o ioni (CO, NO, H 2 S, CN - ) Se il Ferro è nella forma ossidata Fe +++ coordina invece una molecola dacqua e NON lega O 2.

16 gs 2004Pigmenti respiratori16 Mioglobina e legame con lossigeno

17 gs 2004Pigmenti respiratori17 Mioglobina e legame con lossigeno Saturazione frazionale: –Si definisce la frazione di siti della molecola che hanno legato una molecola di ossigeno

18 gs 2004Pigmenti respiratori18 Mioglobina e legame con lossigeno Poiché lossigeno è un gas possiamo usare la pressione parziale per definirne la concentrazione:

19 gs 2004Pigmenti respiratori19 Mioglobina e legame con lossigeno La mioglobina non è un buon trasportatore di O 2 poiché lo lega con grande affinità e lo cede solo quando la pO 2 è molto bassa. pO 2 = 100 torr O 2 = 0.97 pO 2 = 20 torr O 2 = 0.88

20 gs 2004Pigmenti respiratori20 Emoglobina e legame con lossigeno Lemoglobina è una proteina multimerica (2, 4, 8…) e possiede più siti di legame con lossigeno. Consideriamo una Hb di mammifero (4 subunità)

21 gs 2004Pigmenti respiratori21 Emoglobina e legame con lossigeno La costante di dissociazione dipende dalle singole costanti cinetiche (k n e k n ). Per un generico enzima E con un generico substrato S.

22 gs 2004Pigmenti respiratori22 Emoglobina e legame con lossigeno La costante di dissociazione dipende dalle singole costanti cinetiche (k n e k n ) In valore di n (costante di Hill) rappresenta la cooperatività –n = 1 nessuna cooperatività –n > 1 cooperatività positiva –n Mb = 1 –n Hb =

23 gs 2004Pigmenti respiratori23 Emoglobina e legame con lossigeno

24 gs 2004Pigmenti respiratori24 Emoglobina e mioglobina La differenza sostanziale tra le due proteine sta nella capacità dellHb di legare ossigeno in modo COOPERATIVO –Laffinità dei quattro siti per lossigeno varia al variare della saturazione. Mb rende lossigeno più solubile Hb scambia O 2 in funzione di pO 2 (gradualmente)

25 Un po di struttura Perché Hb funziona in modo diverso da Mb

26 gs 2004Pigmenti respiratori26 Legame Fe ++ -O 2 Il gruppo eme isolato dalla proteina lega lossigeno in modo NON reversibile (autossidazione): 2 Fe ++ Fe ++ -O-O-Fe ++ 2 Fe H 2 O

27 gs 2004Pigmenti respiratori27 Ruolo delle proteina Ciò non avviene se il gruppo eme è impedito stericamente per sintesi:

28 gs 2004Pigmenti respiratori28 Ruolo dei residui di istidina Istidina prossimale Istidina distale

29 gs 2004Pigmenti respiratori29 Quando si lega lossigeno… Avvengono importanti cambiamenti strutturali: –Cambia la geometria del gruppo eme –Si sposta listidina prossimale –Si sposta lelica della quale fa parte listidina prossimale

30 gs 2004Pigmenti respiratori30 Quando si lega lossigeno Fe Å 0.22Å 0.6Å

31 gs 2004Pigmenti respiratori31 Modificazioni strutturali La variazione nella geometria del gruppo eme non ha conseguenze nel legame dellossigeno alla mioglobina. Ha notevoli conseguenze nel legame dellossigeno allemoglobina È responsabile della COOPERATIVITÀ

32 gs 2004Pigmenti respiratori32 Cooperatività Il cambiamento conformazionale seguito al legame di O 2 al Fe ++ porta a: –Traslazione della porzione di elica F. –Tale traslazione è consentita solo se cambia il contatto 1 2. –La rigidità dei contatti 1 1 e 2 2 permette la variazione del contatto 1 2 solo se avviene anche quella tra 2 1. Nessuna subunità può muoversi se non si muovono anche le altre.

33 gs 2004Pigmenti respiratori33 Stato T e stato R Si definisce lo stato T (tense) lo stato a bassa affinità (deossi). Quando si lega O 2 si ha una variazione conformazionale che induce la transizione allo stato R (relaxed) dove la distanza tra il Fe ++ e listidina distale è tale da permettere un miglior legame dellO 2 T deossi Bassa affinità R ossi Alta affinità

34 gs 2004Pigmenti respiratori34 T-R

35 gs 2004Pigmenti respiratori35 Modulazione del legame Nellemoglobina oltre che essere cooperativo il legame con lossigeno è modulato da altri fattori: –Effetto BOHR –Effetto ROOT Che favoriscono gli scambi gassosi.

36 gs 2004Pigmenti respiratori36 Effetto del pH Il legame di O2 alla Hb provoca un cambiamento conformazionale che rende il pK apparente di alcuni residui (His) più acido, quindi: Diminuendo il pH (aumento H + ) si sposta lequilibrio verso sinistra favorendo il legame con O 2

37 gs 2004Pigmenti respiratori37 Effetto Bohr Nei mammiferi varia la K d

38 gs 2004Pigmenti respiratori38 Effetto Root Nei pesci varia la V max

39 gs 2004Pigmenti respiratori39 Trasporto di CO 2 Nella respirazione cellulare si producono circa 0.8 moli di CO 2 per mole di O 2 consumato La CO 2 è convertita in HCO 3 - : Da uno degli enzimi più efficienti (maggior numero di turnover): anidrasi carbonicaanidrasi carbonica

40 gs 2004Pigmenti respiratori40 Equilibrio gassoso I due equilibri si influenzano a vicenda

41 gs 2004Pigmenti respiratori41 Nei capillari Bassa pO 2 La CO 2 rilasciata forma H + che favorisce il rilascio di O 2 da Hb(O 2 ) n+1. Gli H + sottratti allequilibrio favoriscono la formazione di HCO 3 -.

42 gs 2004Pigmenti respiratori42 Nei polmoni o nelle branchie Alta pO 2 Il legame di O 2 forma H + che favorisce la decomposizione di HCO 3 - e il rilascio di CO 2

43 gs 2004Pigmenti respiratori43 Altre modulazioni La CO 2 e il Cl - legano Hb –CO 2 forma carbammati con gruppi –NH 2 (più sensibile la deossi) Effetto Bohr

44 gs 2004Pigmenti respiratori44 Altre modulazioni La CO 2 e il Cl - legano Hb –Il Cl - lega con maggiore affinità la forma deossi –Viene favorito lo scambio elettroneutro Cl - /HCO 3 -

45 gs 2004Pigmenti respiratori45 In sostanza HbH + O 2 HbO 2 + H + Globulo rosso VasoTessuto Cellula HbO 2 Hb-NH 2 + O 2 H + + Hb-NH-COO - HCO H + H 2 O + CO 2 + HbO 2 Hb + Cl - + O 2 HbCl CO 2 O2O2 O2O2 O2O2

46 gs 2004Pigmenti respiratori46 Modulatori strutturali Metaboliti fosforilati modulano il legame dellO 2modulano MolecolaSpecie 2,3 bifosfogliceratoMammiferi Inositolo fosfato Uccelli (IP 6 ) Pesci Uccelli (IP 5 ) Ostriche (IP 4 ) ATPPesci e rettili GTPPesci

47 gs 2004Pigmenti respiratori47 Altri pigmenti respiratori Metallo-proteine multimeriche –Clorocruorina Eritrocruorina –Emeritrina –Emocianina Pur essendo molto diffusi il loro meccanismo di legame dellossigeno non è così dettaglato come per la mioglobina e lemoglobina.

48

49 gs 2004Pigmenti respiratori49 Cosa manca Altri pigmenti


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