Scienze Ambientali – Università di Bologna a Ravenna

Presentazione sul tema: "Scienze Ambientali – Università di Bologna a Ravenna"— Transcript della presentazione:

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

2 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

3 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

4 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 + O PR-O2 Non saturato Saturato gs 2004 Pigmenti respiratori

5  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

6 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

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

9 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 gs 2004 Pigmenti respiratori

10 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 Molluschi Hc (Cefalopodi) (Altri) Artropodi Cordati (Anfibi) 6.3 – 32 (Mammiferi) gs 2004 Pigmenti respiratori

11 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

12 Emoglobina e trasporto dell’ossigeno
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13 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

14 Gruppo eme gs 2004 Pigmenti respiratori

15 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

16 Mioglobina e legame con l’ossigeno
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17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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 = gs 2004 Pigmenti respiratori

23 Emoglobina e legame con l’ossigeno
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24 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

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

26 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 H2O gs 2004 Pigmenti respiratori

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

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

29 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

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

31 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 gs 2004 Pigmenti respiratori

32 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

33 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

34 T-R gs 2004 Pigmenti respiratori

35 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

36 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

37 Effetto Bohr Nei mammiferi varia la Kd gs 2004 Pigmenti respiratori

38 Effetto Root Nei pesci varia la Vmax gs 2004 Pigmenti respiratori

39 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

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

41 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

42 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

43 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

44 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

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

46 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

47 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

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49 Cosa manca Altri pigmenti gs 2004 Pigmenti respiratori