MIOGLOBINA ed EMOGLOBINA

I vertebrati utilizzano le globine per fornire ai propri tessuti un costante approvvi- gionamento di O2. Emoglobina e mioglobina sono proteine globulari contenenti gruppi eme che sono in grado di legare l’O2.

Ruolo della mioglobina L’O2 può essere immagazzinato mediante il legame alla mioglobina La mioglobina è presente nel muscolo scheletrico e nel muscolo cardiaco. Garantisce un veloce spostamento dell’O2 all’interno delle cellule muscolari.

Ruolo dell’emoglobina L’emoglobina trasporta l’O2 dai polmoni ai tessuti, dove una parte di esso può essere direttamente utilizzata per il metabolismo nei mitocondri, e CO2 e ioni H+, rilasciati dai processi ossidativi, dai tessuti ai polmoni.

Struttura della mioglobina La MIOGLOBINA è una proteina globulare di piccole dimensioni costituita da una singola catena polipetidica ripiegata attorno ad un gruppo prostetico, l’eme, che contiene il sito di legame per l’O2.

Emoglobina L’EMOGLOBINA è una proteina tetramerica, formata da 2 subunità a (141 aa) e 2 subunità b (146 aa). Le catene a e b sono molto simili tra loro ma non identiche e presentano una struttu- ra molto vicina alla cate na polipetidica della mioglobina. Ciascuna catena contie ne un gruppo eme.

L’EME L’emoglobina e la mioglobina contengono il gruppo ferro-porfirinico EME che conferisce la colorazione rosso intensa alle proteine. E’ costituito da una complessa struttura ad anello, la protoporfirina IX, a cui è legato un atomo di ferro (Fe2+).

L’atomo di ferro ha 6 legami di coordinazione: 4 nel piano della porfirina e impegnati all’interno del piano. 2 perpendicolari a questo piano, di cui: uno dei due legami di coordi- nazione perpendicolari è impe gnato con un atomo di azoto della catena laterale di un residuo di istidina (His). l’altro è libero e serve a legare una molecola di O2.

Curva di legame dell’ossigeno per la mioglobina e l’emoglobina La mioglobina, proteina di riserva dell’ossigeno, presenta un sito singolo di legame per l’O2 e la curva che descrive il legame è di tipo iperbolico: con il crescere dalla PO2, si tende asintoticamente alla saturazione. La concentrazione di ossigeno è espressa come PO2 e la quantità di siti legati è espressa come frazione ( YO2) o come percentuale di saturazione.

L’emoglobina, proteina di trasporto, presenta 4 siti di legame per l’O2. L’efficienza nel trasporto dell’ossigeno è ottenuta attraverso il legame cooperativo positivo da parte dei 4 siti e la curva che descrive questo tipo di legame è una curva sigmoide. → Cooperatività positiva: il legame di una molecola di O2 aumenta la probabilità di legare altro O2 alle altre subunità della proteina.

La curva sigmoide di legame riflette la transizione della proteina da uno stato conformazionale (T) a bassa affinità (per O2) in corrispondenza di basse pressioni di O2 (tessuti periferici) a uno stato conformazionale (R) ad alta affinità in corrispondenza di elevate pressioni di O2 (polmoni). Il passaggio dallo stato deossi (senza O2) allo stato ossi (con O2) provoca un cambiamento nella struttura terziaria e quaternaria.

Cambiamento della struttura quaternaria dell’emoglobina in seguito all’ossigenazione: modello più recente aumento progressivo della PO2 Le subunità deossigenate hanno spigoli quadrati, quelle ossigenate bordi curvi. La progressiva ossigenazione provoca un cambiamento nella struttura terziaria in ciascuna subunità. Quando entrambi i dimeri ab contengono uno o più subunità ossi, ha luogo la transizione dallo stato T allo stato R.

Effetti di altri ligandi (effettori allosterici) sul legame dell’emoglobina all’O2 Risposta ai cambiamenti di pH: effetto Bohr: Una caduta di pH a livello dei tessuti, indice di un’alta attività metabolica e di fabbisogno di O2, determina la protonazione dell’emoglobina e favorisce la conformazione deossi (quella priva di ossigeno), che promuove il rilascio di O2. Circa il 40% degli ioni H+ totali si lega alle catene laterali di diversi residui aminoacidici della proteina (es. istidina) per essere trasportato ai polmoni.

Aumento della concentrazione di anidride carbonica (CO2) Il rilascio di CO2 dai tessuti riduce l’affinità per l’O2 sia per una diminuzione del pH (effetto Bohr) sia per modificazioni conformazionali indotte dal legame tra emoglobina e CO2. Il 15-20% della CO2 viene trasportato verso i polmoni legato all’emoglobina. La CO2 rimanente viene trasportata sotto forma di HCO3- o CO2 disciolta.

2,3-Bifosfoglicerato E’ un effettore allosterico eterotropico che regola i cambiamenti a lungo termine dell’affinità di legame per l’O2. Il BFG riduce profondamente l’affinità dell’emoglobina per l’O2 poiché lega e stabilizza la forma deossi dell’emoglobina. Ha una funzione importante nell’adattamento fisiologico alla bassa pressione di O2.

Differenze tra emoglobina e mioglobina Trasporto di ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici e di anidride carbonica dai tessuti periferici ai polmoni Struttura quaternaria Curva di saturazione sigmoide ( 4 siti di legame: legame cooperativo) Modulazione da parte di effettori allosterici (protoni, anidride carbonica, bifosfoglicerato) Riserva di ossigeno per la cellula muscolare Struttura terziaria Curva di saturazione iperbolica (un sito di legame) Nessuna modulazione

L’anemia falciforme L’emoglobina presenta 300 varianti genetiche (sostituzione di uno o più residui aminoacidi) che provocano solo piccoli effetti strutturali e funzionali. Un’eccezione è la sostituzione del glutammato in posizione 6 della catena b con una valina che producendo una zona idrofobica “appiccicosa” che determina un’associazione anormale dell’emoglobina.

L’anemia falciforme Quando la concentrazione di ossigeno cade al di sotto di un certo livello critico, le subunità polimerizzano in aggregati fibrosi lineari che modificano la forma della cellula. Il risultato di questi eventi è l’assunzione da parte degli eritrociti di una forma a falce. Eritrociti sani

Proteine di membrana: Canali Pompe Recettori

Canali, pompe e recettori Il doppio strato lipidico delle membrane biologiche è intrinsecamente impermeabile agli ioni e alle molecole polari, la permeabilità è conferita da due classi di proteine: le pompe ed i canali. I recettori sono canali o altre proteine di membrana che favoriscono il passaggio di segnali chimici dallo spazio extracellulare al citoplasma.

I CANALI I canali ionici sono complessi macromolecolari costituiti da diverse subunità proteiche. Attraversano, a tutto spessore, una membrana biologica e consentono il passaggio di ioni (attraverso il poro), nella direzione determinata dal loro gradiente elettrochimico. In presenza di un gradiente elettrico è possibile che non vi sia flusso transmembrana di ioni, anche in presenza di un gradiente di concentrazione. Il canale ionico può essere estremamente selettivo per particolari ioni.

I CANALI Esiste in uno stato chiuso o in uno stato aperto. La transizione tra lo stato aperto e lo stato chiuso può avvenire: modificando la differenza di voltaggio ai due lati della membrana (canali a controllo di potenziale) legando una sostanza chimica ad un recettore nel canale o nelle sue vicinanze (canale a controllo di ligando). per azione dello stiramento meccanico o dalla pressione (recettori somatosensitivi o uditivi). Lo stato aperto dei canali spesso si converte in uno stato inattivato.

Es. di canali Canali del sodio (Na+) o del potassio (K+)sulla membrana plasmatica delle cellule eccitabili. Canali del calcio (Ca2+) sul reticolo sarcopla- smatico. Recettore dell’acetilcolina (canale cationi- co) sulla placca neuromuscolare.

Es. di canali a controllo di potenziale Il canale del sodio presente sulle membrane di cellule eccitabili (neuroni…) è costituito da 4 subunità legate covalentemente tra loro Il canale è aperto dalla depolarizzazione del potenziale di membrana che determina una variazione di conformazione delle subunità. Favorisce il passaggio di ioni Na+ dallo spazio extracellulare al citosol.

LE POMPE ATPasi Le pompe ATPasi sono una famiglia di proteine di membrana che utilizza l’idrolisi di ATP per pompare ioni attraverso le membrane. Le pompe hanno la funzione di generare gradienti ionici attraverso le membrane o favorire l’accumulo di ioni in un compartimento cellulare.

Es. di pompe ATPasi - pompa Na+/K+-ATPasi sulla membrana plasmatica che genera un gradiente elettrochimico. pompa protonica sulla membrana dei lisosomi. Ca2+-ATPasi sulla membrana del reticolo sarcoplasmatco che determina accumulo di ioni Ca2+ e sulla membrana plasmatica per favorire l’allontanamento degli ioni Ca2+. - la pompa H+/K+-ATPasi sulla membrana plasmatica delle cellule ossintiche, responsabile del pompaggio nello stomaco di una quantità sufficiente di protoni per abbassare il pH al di sotto di 1,0.

La pompa Na+/K+ L’idrolisi dell’ATP operata dalla pompa fornisce l’energia necessaria per il trasporto di 3 ioni Na+ da l’interno all’esterno e di 2 ioni K+ da l’esterno all’interno della cellula gene- rando il gradiente elettrochimico. Il gradiente di concentrazione degli ioni Na+ e K+ nelle cellule animali regola il volume cellulare, rende elettricamente eccitabili i neuroni e i miociti e favorisce il trasporto di zuccheri e amminoacidi.

I RECETTORI I recettori sono deputati al riconoscimento di segnali fisici o chimici provenienti dall’ambiente circostante e alla trasduzione in segnali intracellulari. Si suddividono in - recettori di membrana - recettori intracellulari

RECETTORI DI MEMBRANA Sono proteine transmembrana con un dominio extracellulare in grado di legare una molecola segnale (il ligando) e un dominio intracellulare. La proteina quando lega il proprio ligando subisce una modificazione conformazionale anche nel dominio intra- cellulare. Le informazioni sono trasferite dal complesso ligando-recettore al citoplasma attraverso molecole dette secondi messaggeri che attivano le cascate di trasduzione del segnale o attraverso l’apertura di un canale ionico. Sono di due tipi: - i recettori ionotropici (recettori-canali ionici) - i recettori metabotropici (regolano la sintesi di secondi messaggeri).

I recettori 7TM I recettori a 7 eliche transmembrana (recettori 7TM) sono recettori metabotropici responsabili della trasmissione delle informazioni indotte da segnali molto diversi tra loro (fotoni, ormoni e neurotrasmettitori). Il legame di un ligando proveniente dall’esterno della cellula induce nel recettore 7TM una modificazione conformazionale che può essere rilevata all’interno della cellula e determina l’attivazione delle proteine G. La proteina G è un intermediario essenziale nella via di trasduzione del segnale e una volta attivata trasmette segnali legandosi ad altre proteine. I segnali possono essere di tipo attivatorio o inibitorio

Es. di recettori 7TM Recettori per: Adrenalina, Noradrenalina Dopamina Serotonina Adenosina

Recettori ionotropici Sono recettori canale la cui apertura determina un flusso di elettroni ver- so l’interno della cellula. Sono attivati da ligandi specifici. Es: recettore del GABA (acido g-aminobutirrico) e dell’acetilcolina.

Quesiti Quali sono le principali differenze struttura-attività tra emoglobina e mioglobina? Descrivere i legami del Fe2+ all’interno dell’eme. Rappresentare le curve di ossigenazione della Mioglobina e dell’Emoglobina. Quale è l’effetto della diminuzione del pH sul legame dell’emoglobina all’ossigeno? Attraverso quale meccanismo il 2,3-bifosfoglicerato diminuisce l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno? Che funzione hanno le pompe ATPasiche? Fare almeno due esempi di pompe ATPasiche. Quali sono le principali caratteristiche dei Recettori di Membrana?