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Franca Esposito » 2.Proteine specializzate d'interesse biomedico: Mioglobina


Tappa fondamentale dell’evoluzione

VITA ANAEROBIA  → VITA AEROBIA

In presenza di ossigeno si estrae dal glucosio circa 15 volte più energia che in sua assenza.

La bassa solubilità dell’ossigeno ne limita notevolmente la diffusione.

Lezione della Prof. Patrizia Carandente Giarrusso

Proteine che legano O2

I vertebrati hanno sviluppato due meccanismi per rifornire di O2 le cellule:

  1. sistema circolatorio
  2. proteine che legano O2:
    • mioglobina (Mb) nel muscolo
    • emoglobina (Hb) nel sangue

Mioglobina – Mb

E’ presente nei muscoli.

Mb lega O2 con maggiore affinità rispetto ad Hb.

Cattura l’O2 trasportato dall’emoglobina attraverso il sistema circolatorio e lo distribuisce al muscolo.

Funzione

  • Riserva di O2 nel tessuto muscolare e cardiaco
  • Aumenta la solubilità effettiva di O2, ne facilita la diffusione ed il rilascio secondo necessità

Mioglobina – Mb (segue)

Tramite studi di cristallografia a Raggi X e’ stato possibile stabilire la struttura :

1 catena polipeptidica ed +1 gruppo eme

153 aa, disposti in modo molto compatto
75 % alfa elica destrogira

Mioglobina – Mb (segue)

Alfa-elica:

  • 8 segmenti da A ad H
  • 7 regioni non elicoidali Nucleo idrofobico (aa non polari) tranne che His F8 ed His E7 che sono cruciali per il sito di legame dell’O2

RIPIEGAMENTO GLOBINICO

Mioglobina – Mb (segue)

Mioglobina. Immagine autoprodotta

Mioglobina. Immagine autoprodotta


Mioglobina – Mb (segue)

Mb presenta 1 gruppo prostetico stabilmente legato alla proteina e che risulta essenziale per la sua funzione: EME.

EME composto da: Protoporfirina IX + Fe ++

Protoporfirina IX:

Anello tetrapirrolico unito da ponti metinici con i seguenti sostituenti:

  • 4 gruppi metile
  • 2 gruppi vinile
  • 2 gruppi propile
Protoporfirina IX. Immagine autoprodotta

Protoporfirina IX. Immagine autoprodotta


Mb / Eme

Config. elettronica esterna:

Fe: 4s23d6
Fe2+: 3d6

Lo ione Fe2+ forma complessi esa-coordinati: 6 legami di coordinazione.

Legame di coordinazione: ione metallico con orbitali atomici vuoti può accettare doppietti di elettroni da parte di ligandi.

EME. Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

EME. Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Mb / Eme (segue)

Sei legami di coordinazione Fe2+:

  • 1-4° = con 4N del Tetrapirrolo ciclico
  • 5° = l’atomo di azoto della HisF8 (istidina prossimale)
  • 6° = O2

L’elevato numero di doppi legami coniugati e presenza dello ione ferroso conferiscono il colore rosso alla proteina.

Ferro-protoporfirina IX: EME. Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Ferro-protoporfirina IX: EME. Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Stato d’ossidazione del ferro


Ossidazione del ferro

  • Solo lo ione ferro allo stato ferroso (Fe2+) può legare l’O2 in modo reversibile
  • Il legame di O2 avviene senza variazione della valenza del Ferro

Fe2+Mb → Fe2+MbO2

  • L’O2 si lega al sesto legame di coordinazione del ferro
  • Si ha un cambiamento della distribuzione elettronica, con ibridazione d2sp3

Eme e legame con O2

Tratta da: JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer “Biochimica”, Quinta edizione, Zanichelli.

Tratta da: JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer “Biochimica”, Quinta edizione, Zanichelli.


Eme e legame con O2 (segue)

Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Eme e legame con O(segue)

Il legame di O2 è stabilizzato da HisE7 che forma un legame idrogeno con l’atomo di ossigeno.

O2 si posiziona con un angolo di 120° perché il doppietto usato per la coordinazione allo ione Fe2+ si trova in un orbitale ibdrido sp2.

Istidina distale. Immagine autoprodotta.

Istidina distale. Immagine autoprodotta.


Eme e legame con O(segue)

La capacità del gruppo eme di legare O2 sopperisce alla scarsa solubilità di questo gas nel sangue.

Lo ione Fe2+ libero in soluzione reagirebbe con O2 ossidandosi a Fe3+ e generando specie molto tossiche per la cellula (ROS), come lo ione superossido (O2.-) o il radicale .OH.

Non potrebbe essere sufficiente il solo eme libero?

Perché l’eme è legato alla globina

La reattività del Fe2+, già diminuita nell’anello porfirinico, viene ulteriormente ridotta quando l’eme è legato alla globina.

His E7 e gli altri residui vicini alla 6a posizione impediscono l’ossidazione irreversibile a Fe3+, consentendo una ossigenazione.

Il ferro mantiene così uno stato di ossidazione Fe2+ e quindi la reversibilità di legame per O2.

Quindi la funzione di un gruppo prostetico e’ modulata dalla catena proteica a cui esso e’ legato.

Perché l’eme è legato alla globina

CO nell’eme libero si disporrebbe perpendicolarmente al piano del tetrapirrolo perché il doppietto per la coordinazione proviene dall’orbitale ibrido sp.

  • Nell’eme libero il legame di CO è 250000 volte più forte di O2
  • Nell’eme legato alla globina il rapporto si abbassa a 250 volte
Tratta da RH Garrett, CM Grisham: “Biochimica”  Zanichelli.

Tratta da RH Garrett, CM Grisham: "Biochimica" Zanichelli.


Saturazione di Mb/O2

Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


 Saturazione di Mb/O2 (segue)


 Saturazione di Mb/O(segue)


 Saturazione di Mb/O(segue)


 Saturazione di Mb/O(segue)

Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger”, ed. Zanichelli.

Tratta da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger”, ed. Zanichelli.


 Saturazione di Mb/O(segue)

P50 della Mb è molto bassa, dal grafico emerge che a pO2 fisiologiche (30÷100 torr) Mb è praticamente completamente satura di ossigeno.

Mb preposta alla conservazione dell’ossigeno ha infatti un’elevata affinità per O2, ciò risulta necessario affinchè essa possa estrarlo dal sangue.

In cellule metabolicamente attive la pO2 scende al di sotto del valore della P50, per cui Mb cede l’O2 a livello dei mitocondri.

Rilascio O2 da Mb


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