EmoglobinaEmoglobina

La biochimica comparata della mioglobinae dell’emoglobina

mioglobina: singola catena polipeptidica di 153 amminoacidi

emoglobina: 4 catene polipeptidiche, di cui due di 141 amminoacidi () e due di 146 amminoacidi ()

propanoile

vinile

metile

Mioglobina: la porzione polipeptidica della Mb racchiude il gruppo eme

catena laterale di istidina

il legame dell’ossigeno allamioglobina

ossimioglobina: sesto ligando ossigeno

deossimioglobina: sesta posizione vuota

metamioglobina: sesto ligando una molecolad’acqua

inclinazione di 60°

La funzione principale della mioglobina è quella di facilitare il trasporto dell’ossigeno nel muscolo

Curva di legame dell’ossigeno alla mioglobina

Curve di dissociazione dell’ossigeno dell’emoglobina e della mioglobina

Deossiemoglobina

Ossiemoglobina

l’ossigenazione avvicina le duesubunità

elica Fmovimento molecolarecontatti di scivolamento 12 e 21

I cambiamenti nella posizione dell’atomo di ferro del gruppo eme dopo l’ossigenazionedeterminano modificazioni conformazionali nella molecola di emoglobina

Movimenti dell’eme e dell’elica F durante la transizionedell’emoglobina

T R

Forma T

Forma R

Legame dell’ossigeno all’emoglobina: curva sigmoide

In ogni sistema di legame una curva di tipo sigmoide è indicativa dellapresenza di interazioni cooperative tra i siti di legame.

Il legame dell’ emoglobina all’ossigeno è influenzato da:

-protoni-biossido di carbonio-2,3-bisfosfoglicerato

effettori allosterici

Curve di dissociazione dell’ossigeno della mioglobina e dell’emoglobina a cinque diversi valori di pH

HbO2 + H+ Hb H+ + O2 Effetto Bohr

biossido di carbonio

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3anidrasi

carbonica

molti degli ioni H+ sono catturati dall’Hb quando l’O2 si dissocia .Quando l’Hb viene di nuovo ossigenata nei polmoni, l’ H+ vienerilasciato per formare di nuovo H2CO3

Ruolo dell’emoglobina nel trasporto dell’O2 dai polmoni ai tessuti che respirano e della CO2 (sotto forma di HCO3

-) dai tessuti ai polmoni.

l’ossigeno entra nei polmonicon un’elevata pressione

Protoni e ossigeno non si legano allo stesso sito. L’ossigeno si lega agli ioni ferrosi dei gruppi eme mentre lo ione H+ può legarsi alle catene laterali di diversi residui amminoacidici della proteina.

Quando la concentrazione di ioni idrogeno aumenta la conseguente protonazione dell’emoglobina favorisce il rilascio dell’ossigeno e la transizione allo stato T.

L’anidride carbonica si lega all’estremità amminoterminale di ciascuna globina formando carbamminoemoglobina.

Quando la concentrazione di anidride carbonica è alta, come nei tessuti periferici, alcune molecole di anidride carbonica si legano all’emoglobina diminuendone l’affinità per l’ossigeno.

Viceversa quando l’emoglobina raggiunge i polmoni, l’elevata concentrazione di ossigeno determina il distacco della CO2 e la saturazione dell’HB.

Tutto ciò rende l’Hb particolarmente adatta al trasporto integrato di ossigeno, anidride carbonica e ioni idrogeno da parte degli eritrociti.

Effetto del BPG e della CO2 sulla curva di dissociazione dell’O2

dell’emoglobina

Struttura del 2,3-bisfosfoglicerato (BPG)

L’interazione dell’Hb con il 2,3-bifosfoglicerato è un esempiodi regolazione alloasterica eterotropica.

Legame del BPG alla deossiemoglobinaavviene tramite le catene

BPG e O2 sono effettori allostericimutualmente esclusivi per l’Hbanche se i loro siti di legame sonofisicamente distinti

Il BPG è una molecola fortemente negativa e si lega all’ Hb medianteinterazioni elettrostatiche con gruppi funzionali carichi positivamentedi residui di entrambe le catene Nell’ossiemoglobina il BPG non può entrare e con la sua presenza induce l’ Hb a rilasciare ossigeno.

Il BPG svolge una funzione importante nell’adattamento fisiologico alla bassa pressione di ossigeno che si ha per esempio a quote elevate.

Per un uomo sano il legame di O2 all’Hb è regolato in modo che il gas trasferito ai tessuti sia circa il 40% della quantità totale di gas che il sangue può trasportare.

A 4500 metri di altezza, dove la pressione di ossigeno è più bassa, il trasferimento di ossigeno ai tessuti si riduce.

Alcune ore più tardi la concentrazione di BPG nel sangue comincia ad aumentare generando una diminuzione dell’affinità dell’Hb per l’O2 e favorendo il rilascio di ossigeno a livello dei tessuti.

L’emoglobina fetale ha una maggiore affinità per l’ossigeno perché hauna minore affinità per il BPG (mancano le catene )

L’emoglobina fetale ha una struttura del tipo 22

Anemia a cellule falciformi

HbS o emoglobina delle cellule falciformi

clinicamente:-episodi intermittenti di crisi emolitichee vaso-occlusive-dolore alle ossa, al torace e all’addome-ritardo della crescita-maggiore suscettibilità alle infezioni-danni a diversi organi

Struttura della fibra di deossiemoglobina S

- presenza di valina al posto di acido glutammico nelle catene dell’Hb

-le catene laterali dei residui di valina creano dellesporgenze idrofobiche (zone appiccicose) sullasuperficie della molecola, alle quali si vanno alegare molecole vicine di HbS

lunghi polimeri a catena insolubili

Formazione dei filamenti di Hb S mediante interazioni tra le catene lateraliidrofobiche dei residui di valina delle catene e le tasche idrofobiche presenti nelle catene delle molecole di Hb adiacenti.

residuo di valina

Fotografia al microscopio elettronico di fibre di deossiemoglobina S che stanno uscendo da un eritrocita rotto

l’ossigeno entra nei polmonicon un’elevata pressione

TRASPORTO DELL’ANIDRIDE CARBONICA

L’ anidride carbonica è presente nel sangue in tre forme principali:1) come CO2 disciolta2) come HCO3

- formata dalla ionizzazione dell’ H2CO3 (prodotto quando lala CO2 reagisce con l’acqua)

3) come carbamino gruppi, formati quando la CO2 reagisce con gli amminogruppi dell’emoglobina.

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

anidrasicarbonica

FORMAZIONE DEL BICARBONATO

L’anidride carbonica diffonde all’interno degli eritrociti dove viene trasformatain acido carbonico che, in maniera rapida e spontaneamente ionizza:

Formazione della carbaminoemoglobina (trasporto della CO2)

L’anidride carbonica reagisce con gli amminogruppi della desossiemoglobina,formando carbaminoemoglobina:

R-NH

H+ CO2

R-NH + H+

CO-

O

Questo processo libera ioni H+

Poiché gli amminogruppi N-terminali delle catene della globina formano parte delsito di legame del BPG, si verifica una competizione tra CO2 e BPG:

il BPG diminuisce la capacità dell’Hb di formare carbamino Hb

Il potere tampone dell’emoglobina è dovuto a:

-4 -amminogruppi degli amminoacidi N-terminali

- catene laterali imidazoliche dei residui di istidina

L’emoglobina possiede 38 istidine per tetramero che sono responsabilidella maggior parte del potere tampone di questa proteina.

L’emoglobina rappresenta il principale sistema tampone del sangue dopoquello del bicarbonato.

Nel sangue intero, l’azione tampone assorbe circa il 60% dell’acido prodottonel normale trasporto dell’anidride carbonica.

L’ Hb, oltre ad essere il principale trasportatore dell’ossigeno è un importante trasportatore dell’anidride carbonica sotto forma di gruppi carbamino legati covalentemente e gioca il ruolo principale nel controllo degli idrogenioni prodotti dal trasporto della CO2

Il sistema isoidrico può assorbire gli ioni H+ derivanti dall’anidride carbonicaimpedendo così variazioni del pH.

TRASPORTO ISOIDRICO DELLA CO2

La parte rimanente dell’acido che proviene dall’anidride carbonica viene assorbita dall’Hb tramite questo meccanismo.

All’atmosfera

1

Eventi che si verificano sul gruppo NH2 terminale delle catene e dell’Hb

NH2 terminali

catene catene Evento

Formazione di gruppi carbamino si si

Legame del DPG no si

Legame di H+ nell’effetto Bohr si no

Il controllo del pH del sangue è importante perché eventuali variazioni determinano modificazioni del pH intracellulare che, a loro volta, possono alterare profondamente il metabolismo.

Il pH normale del sangue arterioso è 7,40 + 0,05

L’intervallo compatibile con la vita è circa 7,8 – 6,8

Il pH dell’eritrocita è prossimo a 7,2 (nelle altre cellule è 7,0)

Il sistema tampone del bicarbonato è il tampone principale del plasma e del liquido interstiziale

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

anidrasicarbonica

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

anidrasicarbonica

Il tampone biossido di carbonio-bicarbonato è un sistema aperto

Come funziona?

Quando il pH del sangue scende per la produzione metabolica di H+, l’equilibrio si sposta verso sn con accumulo di acido carbonico. Allo stesso tempo l’acido carbonico si scinde e l’anidride carbonica viene eliminata dai polmoni con l’espirazione.

Quando il pH del sangue aumenta si forma più HCO3- . La respirazione viene

adattata in modo che la quantità di CO2 aumentata nei polmoni possa essere reintrodotta nel sangue e, per conversione ad acido carbonico, fornisce gli ioni H+ necessari a controbilanciare l’aumento di HCO3

-

Acidosi: il pH del sangue si abbassa a valori di 7,1

-patologie ostruttive del polmone che impediscono una normale eliminazione della CO2 determinano una acidosi respiratoria

-l’improvviso aumento dei livelli di acido lattico durante uno sforzo fisico possono provocare un’acidosi metabolica

Alcalosi: il pH del sangue tende a salire oltre 7,6

-l’iperventilazione accelera la perdita di CO2 e porta ad un’alcalosi respiratoria

Trattamento dell’acidosi: somministrazione intravenosa di NaHCO3

Trattamento dell’alcalosi: quella respiratoria viene migliorata dalla respirazione di un’atmosfera ricca di CO2