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

Solubilità dell’ossigeno La solubilità di un gas in un liquido obbedisce alla legge di Henry. P V = nRT P = (n/V) RT P = k(T) C gs 2004 Pigmenti respiratori

Pesce ghiaccio Data la scarsa solubilità dell’ossigeno 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. gs 2004 Pigmenti respiratori

Solubilità dell’ossigeno I pigmenti respiratori si sono evoluti per aumentare la solubilità dell’ossigeno nell acqua (fluidi). [O2] = 360 M (10°C) Il legame dell’ossigeno con i pigmenti respiratori dipende dalla pressione parziale dell’ossigeno (pO2) PR + O2 PR-O2 Non saturato Saturato gs 2004 Pigmenti respiratori

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

Metallo nella struttura Pigmenti respiratori Proteina Colore Metallo nella struttura Legame O2 Localizzazione Mioglobina (Mb) Rosso Fe++-Eme 1O2/1Fe++ Muscoli Emoglobina (Hb) Eritrociti Soluzione Clorocruorina Eritrocrorina (Ch) Verde-rosso Emeritrina (Hr) Violetto-incolore Fe++-O- Fe++ 1O2/2Fe++ Emocianina (Hc) Blù incolore 2Cu++ 1O2/2Cu++ gs 2004 Pigmenti respiratori

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

Distribuzione gs 2004 Pigmenti respiratori

Clorocruorina Eritrocruorina Complessità Proteina Monomeri Peso molecolare KD Mioglobina (Mb) 1 17 Emoglobina (Hb) 2-10 15(1 sub)-1000 Clorocruorina Eritrocruorina (Ch) 15 Emeritrina (Hr) 2-10 (circa) 16-122 Emocianina (Hc) 16 - 46 - 86 25-7000 gs 2004 Pigmenti respiratori

Capacità di trasporto dell’O2 Specie Proteina ml O2/100 ml liquido H2O (pO2 =21.8 Kpa) - 0.65 Nematodi Hb 1.2-3 Anellidi Ch Hr 0.07-20 7.2-10.2 3.6-6.2 Molluschi Hc 3.1-3.5 (Cefalopodi) 0.9-3.3 (Altri) Artropodi 2.3-3.2 0.5-3.7 Cordati (Anfibi) 6.3 – 32 (Mammiferi) gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e mioglobina L’emoglobina (Hb) di mammifero adulto è una proteina tetramerica (22) le subunità  e  sono strutturalmente correlate tra loro e con la mioglobina Sia l’emoglobina che la mioglobina aumentano la solubiltà dell’ossigeno nei liquidi gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e trasporto dell’ossigeno gs 2004 Pigmenti respiratori

Come Hb e Mb legano ossigeno Il legame tra la proteina e O2 avviene tramite la sua coordinazione con uno ione Fe++ legato alla proteina attraverso una profirina (protoporfirina IX). gs 2004 Pigmenti respiratori

Gruppo eme gs 2004 Pigmenti respiratori

Fe++ e Fe+++ Lo ione Fe++ lega, oltre l’O2, anche altre molecole o ioni (CO, NO, H2S, CN-) Se il Ferro è nella forma ossidata Fe+++ coordina invece una molecola d’acqua e NON lega O2. gs 2004 Pigmenti respiratori

Mioglobina e legame con l’ossigeno gs 2004 Pigmenti respiratori

Mioglobina e legame con l’ossigeno Saturazione frazionale: Si definisce la frazione di siti della molecola che hanno legato una molecola di ossigeno gs 2004 Pigmenti respiratori

Mioglobina e legame con l’ossigeno Poiché l’ossigeno è un gas possiamo usare la pressione parziale per definirne la concentrazione: gs 2004 Pigmenti respiratori

Mioglobina e legame con l’ossigeno La mioglobina non è un buon trasportatore di O2 poiché lo lega con grande affinità e lo cede solo quando la pO2 è molto bassa. pO2 = 100 torr  gO2 = 0.97 pO2 = 20 torr  gO2 = 0.88 gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e legame con l’ossigeno L’emoglobina è una proteina multimerica (2, 4, 8…) e possiede più siti di legame con l’ossigeno. Consideriamo una Hb di mammifero (4 subunità) gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e legame con l’ossigeno La costante di dissociazione dipende dalle singole costanti cinetiche (k’n e kn). Per un generico enzima E con un generico substrato S. gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e legame con l’ossigeno La costante di dissociazione dipende dalle singole costanti cinetiche (k’n e kn) In valore di n (costante di Hill) rappresenta la “cooperatività” n = 1 nessuna cooperatività n > 1 cooperatività positiva nMb = 1 nHb = 2.8 - 3 gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e legame con l’ossigeno gs 2004 Pigmenti respiratori

Emoglobina e mioglobina La differenza sostanziale tra le due proteine sta nella capacità dell’Hb di legare ossigeno in modo COOPERATIVO L’affinità dei quattro siti per l’ossigeno varia al variare della saturazione. Mb  rende l’ossigeno più solubile Hb  scambia O2 in funzione di pO2 (gradualmente) gs 2004 Pigmenti respiratori

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

Legame Fe++-O2 Il gruppo eme isolato dalla proteina lega l’ossigeno in modo NON reversibile (autossidazione): 2 Fe++  Fe++-O-O-Fe++  2 Fe+++ + 2H2O gs 2004 Pigmenti respiratori

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

Ruolo dei residui di istidina distale Istidina prossimale gs 2004 Pigmenti respiratori

Quando si lega l’ossigeno… Avvengono importanti cambiamenti strutturali: Cambia la geometria del gruppo eme Si sposta l’istidina prossimale Si sposta l’elica della quale fa parte l’istidina prossimale gs 2004 Pigmenti respiratori

Quando si lega l’ossigeno 0.6Å 0.55Å 0.22Å Fe++ Fe++ gs 2004 Pigmenti respiratori

Modificazioni strutturali La variazione nella geometria del gruppo eme non ha conseguenze nel legame dell’ossigeno alla mioglobina. Ha notevoli conseguenze nel legame dell’ossigeno all’emoglobina È responsabile della COOPERATIVITÀ http://www.worthpublishers.com/lehninger3d/ gs 2004 Pigmenti respiratori

Cooperatività Il cambiamento conformazionale seguito al legame di O2 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. gs 2004 Pigmenti respiratori

Stato T e stato R Si definisce lo stato T (tense) lo stato a bassa affinità (deossi). Quando si lega O2 si ha una variazione conformazionale che induce la transizione allo stato R (relaxed) dove la distanza tra il Fe++ e l’istidina distale è tale da permettere un miglior legame dell’O2 T deossi Bassa affinità R ossi Alta affinità gs 2004 Pigmenti respiratori

T-R gs 2004 Pigmenti respiratori

Modulazione del legame Nell’emoglobina oltre che essere cooperativo il legame con l’ossigeno è modulato da altri fattori: Effetto BOHR Effetto ROOT Che favoriscono gli scambi gassosi. gs 2004 Pigmenti respiratori

Effetto del pH Il legame di O2 alla Hb provoca un cambiamento conformazionale che rende il pKapparente di alcuni residui (His) più acido, quindi: Diminuendo il pH (aumento H+) si sposta l’equilibrio verso sinistra favorendo il legame con O2 gs 2004 Pigmenti respiratori

Effetto Bohr Nei mammiferi varia la Kd gs 2004 Pigmenti respiratori

Effetto Root Nei pesci varia la Vmax gs 2004 Pigmenti respiratori

Trasporto di CO2 Nella respirazione cellulare si producono circa 0.8 moli di CO2 per mole di O2 consumato La CO2 è convertita in HCO3-: Da uno degli enzimi più efficienti (maggior numero di turnover): anidrasi carbonica gs 2004 Pigmenti respiratori

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

Nei capillari Bassa pO2 La CO2 rilasciata forma H+ che favorisce il rilascio di O2 da Hb(O2)n+1. Gli H+ sottratti all’equilibrio favoriscono la formazione di HCO3-. gs 2004 Pigmenti respiratori

Nei polmoni o nelle branchie Alta pO2 Il legame di O2 forma H+ che favorisce la decomposizione di HCO3- e il rilascio di CO2 gs 2004 Pigmenti respiratori

Altre modulazioni La CO2 e il Cl- legano Hb CO2 forma carbammati con gruppi –NH2 (più sensibile la deossi) Effetto Bohr gs 2004 Pigmenti respiratori

Altre modulazioni La CO2 e il Cl- legano Hb Il Cl- lega con maggiore affinità la forma deossi Viene favorito lo scambio elettroneutro Cl-/HCO3- gs 2004 Pigmenti respiratori

In sostanza Vaso Tessuto Globulo rosso O2 HbH + O2 HbO2 + H+ H+ + Hb-NH-COO- O2 HbO2 Hb-NH2 + O2 + CO2 CO2 HCO3- + H+ H2O + CO2 O2 HbO2 Hb + Cl- + O2 HbCl Cellula gs 2004 Pigmenti respiratori

Modulatori strutturali Metaboliti fosforilati modulano il legame dell’O2 Molecola Specie 2,3 bifosfoglicerato Mammiferi Inositolo fosfato Uccelli (IP6) Pesci Uccelli (IP5) Ostriche (IP4) ATP Pesci e rettili GTP Pesci gs 2004 Pigmenti respiratori

Altri pigmenti respiratori Metallo-proteine multimeriche Clorocruorina Eritrocruorina Emeritrina Emocianina Pur essendo molto diffusi il loro meccanismo di legame dell’ossigeno non è così dettaglato come per la mioglobina e l’emoglobina. gs 2004 Pigmenti respiratori

Cosa manca Altri pigmenti gs 2004 Pigmenti respiratori