Prof. Mauro Fasano mauro.fasano@uninsubria.it Come l’Evoluzione di una Macromolecola garantisce la Regolazione della Funzione: l’Esempio dell’Emoglobina Prof. Mauro Fasano mauro.fasano@uninsubria.it

Perché l’emoglobina? Proteina nota a tutti Tra le prime strutture determinate Conservazione strutturale in tutti gli organismi Principale esempio di correlazione struttura-funzione Principale esempio di regolazione allosterica

Struttura e funzione Struttura terziaria: il corretto “folding” garantisce la corretta funzione Mioglobina: legare ossigeno nel muscolo aumentandone la disponibilità Emoglobina: trasportare ossigeno, legandolo e rilasciandolo a seconda delle necessità

Mioglobina Da un disegno di Irving Geis, 1983

Mioglobina

Mioglobina

Mioglobina Distale Prossimale

Equilibrio di legame dell’ossigeno alla Mioglobina

Equilibrio di legame dell’ossigeno alla Mioglobina

Legame dell’ossigeno all’eme Il legame dell’ossigeno al FeII dell’eme determina variazioni conformazionali della struttura terziaria che avvengono senza restrizioni La situazione sarebbe diversa in una struttura quaternaria!!

La struttura quaternaria impedisce le variazioni conformazionali associate al legame dell’ossigeno In eccesso di ossigeno, la struttura quaternaria viene forzata a raggiungere un nuovo “stato conformazionale” ad elevata affinità per l’ossigeno

Due stati conformazionali Forma T: deossigenata, bassa affinità per l’ossigeno Forma R: ossigenata, alta affinità per l’ossigeno

Variazione dei contatti intercatena conseguenti all’ossigenazione

Equilibrio di legame dell’ossigeno all’Emoglobina

Grafico di Hill Log Y 1-Y Log K

Grafico di Hill

Modelli termodinamici di cooperatività Monod, Wyman, Changeux Koshland

L’effetto Bohr

L’effetto Bohr

L’effetto allosterico

Il bisfosfoglicerato modifica la “soglia” necessaria a far avvenire la variazione conformazionale

Quante Emoglobine umane?!? Embrionale Fetale Pseudogene Adulta e g1 g2 yh d b 5’ 3’ 100 200 duplicazione genica Mya

Perché?

Cooperatività ed allosteria: non solo emoglobina

Cosa succede se: Una delle istidine prossimali è mutata in tirosina? La coordinazione dell’ossigeno al posto dell’azoto cambia il valore del potenziale redox del ferro, stabilizzando lo stato +3 e rendendo la proteina incapace di legare l’ossigeno

Cosa succede se: Il glutammato in posizione 6 delle catene β è mutato in valina?

Anemia falciforme

Anemia falciforme

Per saperne di più Basics: qualunque testo di biochimica I classici: M. Brunori, E. Antonini, “Hemoglobin and Myoglobin in Their Reactions with Ligands” (1971) R.E. Dickerson, I.E. Geis, “Hemoglobin: Structure, Function, Evolution, and Pathology” (1983) Allosteria: J.F. Swain, L.M. Gierasch, “The changing landscape of protein allostery”. Curr. Op. Struct. Biol. 16, 102-108 (2006). The Web