Emoglobina e Mioglobina

Importanza dell’ossigeno nel metabolismo

Le proteine, costituite principalmente da aminoacidi, si distinguono in:

  • Proteine semplici, costituite dalla sola parte aminoacidica.
  • Proteine coniugate, costituite anche da una parte non proteica che dà le caratteristiche a queste proteine.

Le proteine coniugate sono di vario tipo:

  • Glicoproteine, quando sono legati ai residui aminoacidici degli zuccheri
  • Lipoproteine, quando sono legati ai residui aminoacidici dei lipidi
  • Metalloproteine, quando sono legati ai residui aminoacidici degli atomi o degli ioni metallici
  • Nucleoproteine, quando sono legati ai residui aminoacidici degli acidi nucleici
  • Fosfoproteine, quando sono legati ai residui aminoacidici dei gruppi fosforici


La mioglobina e l’emoglobina sono due proteine in grado di legare l’ossigeno. Sono dette metalloproteine poiché hanno legato un Fe++. Vengono anche chiamate cromoproteine poiché sono colorate, in questo caso del tipico colore rosso del sangue. Queste proteine capaci di legare l’ossigeno sono fondamentali, visto che quest’ultimo è un componente essenziale per il metabolismo, poiché è in grado di accettare gli elettroni provenienti dalle ossidazioni biologiche del cibo che ingeriamo. Ad esempio il glucosio che, attraverso processi ossidativi (che portano alla perdita di elettroni, acquistati da un altro elemento che si riduce), viene ossidato a CO2 ed acqua, molecole a bassissimo livello energetico, differentemente dal prodotto di partenza.
Nei viventi ci sono piccole molecole che fungono da accettori universali di elettroni, un esempio è costituito dal NAD+ (la cui forma ridotta è NADH). Per continuare le reazioni senza dover eliminare ogni volta gli accettori, occorre che il NADH si ossidi formando così un ciclo: si ottiene così una catena di reazioni RedOx che va sotto il nome di respirazione cellulare o fosforilazione ossidativa. Durante la catena respiratoria si libera una gran quantità di energia, immagazzinata sotto forma di ATP. L’ossigeno è l’accettore finale di tutti gli equivalenti e riducenti che si formano durante i processi ossidativi. Una volta che il NADH ha ceduto il suo elettrone all’ossigeno, torna ad essere NAD+ e la catena di reazioni può ricominciare.

Uso e differenze fra mioglobina ed emoglobina

Ai tempi degli organismi unicellulari (protozoi) non c’era necessità, data la scarsissima complessità dei viventi, di immagazzinare o trasportare molto ossigeno: l’ossigeno che veniva disciolto in acqua (che, secondo la legge di Henry è proporzionale alla pressione parziale del gas) era sufficiente al metabolismo cellulare. Ma, con lo svilupparsi degli organismi pluricellulari, nacque il problema dell’invio dell’ossigeno a tutti i tessuti ed a tutte le cellule.


La quantità di ossigeno che si scioglie in un liquido sprovvisto di emoglobina è di circa 5ml per circa 100mm di Hg di pressione, quantità insufficiente al metabolismo cellulare: infatti, per ottenere risultati apprezzabili, il sangue dovrebbe circolare circa 100 volte più velocemente. Grazie all’emoglobina, si riesce a legare l’ossigeno con una certa affinità, poiché fa aumentare di circa 50 volte la concentrazione di quel gas disciolto nel sangue. La mioglobina, presente nei muscoli scheletrici e cardiaco, funge da deposito di ossigeno, mentre l’emoglobina, presente nei globuli rossi, è un trasportatore. Sia l’emoglobina che la mioglobina possiedono una parte proteica, la globina, ed una parte non proteica, l’eme.

Globina

Sono così definite sia la parte proteica della mioglobina, sia le 4 catene proteiche dell’emoglobina.

La parte proteica della mioglobina è disposta per il 75% ad alfa-elica che si ripiega formando 8 rami. E’ costituita da 153 aminoacidi le cui catene, partendo dall’estremità N-terminale, vengono nominate con le lettere dell’alfabeto latino. Gli angoli tra questi segmenti prendono il nome delle due catene adiacenti. Gli aminoacidi vengono numerati in due modi:

  • Con i numeri partendo dall’estremità N-terminale
  • Indicando la lettera del segmento di appartenenza e la posizione sul segmento (ad esempio istidina F8) andando a contare dall’estremità N-terminale alla CO-terminale

La struttura terziaria della mioglobina è molto compatta e raggomitolata al cui interno ci sono residui idrofobici che respingono l’acqua (dando compattezza) e, all’esterno, sono presenti degli aminoacidi polari che la rendono idrosolubile. L’unica eccezione è rappresentata dalla istidina F8 e dalla istidina E7, due aminoacidi polari disposti all’interno della tasca idrofobica all’interno della quale si inserisce il gruppo Eme.

La parte proteica dell’emoglobina ha, a differenza della mioglobina, una configurazione quaternaria, con due catene α e due catene β, inoltre ciascuna di queste due subunità è simile alla mioglobina.

Eme

La struttura di base è la protoporfina IX, un anello tetrapirrolico legato da 4 ponti metilici, si formano quindi 4 anelli e 4 ponti su cui si adagia la struttura in modo planare. In posizioni 1-3-5-8 ci sono gruppi metilici, in 2-4 abbiamo dei gruppi vinilici e in 6 e 7 abbiamo gruppi propionici. Le altre protoporfine differiscono per le posizioni dei gruppi sull’anello.

Al centro della protoporfina IX si dispone uno ione ferroso Fe++. I due azoti interni dell’anello che portano protoni, all’arrivo del Fe++, rilasciano i due H creando così una doppia carica negativa sull’anello tetrapirrolico che si delocalizza su tutto l’anello per risonanza, quindi il ferro forma 4 legami uguali con gli azoti perché non si riesce a stabilire quale azoto ha perso l’elettrone. L’eme, nel suo complesso, è però neutro, perché le due cariche negative degli azoti sono bilanciate dalla doppia carica positiva del Fe++.
Il Fe, elemento di transizione (ovvero prima di riempire gli orbitali d sottostanti, riempie gli orbitali sp del livello energetico superiore, quindi ha degli spazi negli orbitali sottostanti liberi) forma 6 legami di coordinazione con altri elementi: 4 legami di coordinazione con i 4 azoti dell’anello che giacciono nel piano della struttura e gli altri due sono disposti perpendicolarmente al piano: quello sotto (il quinto) si forma con l’istidina F8 (chiamata anche istidina prossimale, poiché vicina alla struttura della globina) e quello sopra (il sesto) con l’ossigeno quando si lega con l’emoglobina. Quindi, quando l’ossigeno si aggancia, lo fa con il Fe++. Una piccola percentuale di emoglobina, chiamata metaemoglobina, è Fe+++, ma non può legare l’ossigeno ed è presente in circa l’1 % dei normali globuli rossi.

L’eme è la parte non proteica dell’emoglobina, è una struttura planare formata dalla protoporfina IX al cui interno si inserisce un Fe++ che bilancia le due cariche negative sugli azoti che si formano quando arriva il ferro. Esso forma 4 legami di coordinazione sul piano con le formazioni tetrapirroliche, uno con l’istidina F8 ed un altro con l’ossigeno (entrambi perpendicolari al piano dei precedenti legami).

Allo ione ferroso si possono legare altri gas, come il CO e l’acido cianidrico, noto più comunemente come cianuro. Il CO ha un’affinità per l’eme maggiore di 20.000 volte rispetto all’ossigeno, ma solo quando l’eme è libero in soluzione. L’istidina distale forma un legame piuttosto stabile solo quando arriva l’ossigeno o qualche altro gas, che stabilizzano la struttura.

Quando non è presente l’ossigeno, il ferro è leggermente al di sotto del piano dell’eme. Quando arriva l’ossigeno, e forma il 6° legame di coordinazione, richiama il ferro facendolo collineare con il piano della protoporfina IX. Lo spostamento che subisce il ferro influenza anche l’istidina prossimale F8 e che, a sua volta, influenza anche il segmento F e la subunità: si ha quindi un cambiamento di conformazione dell’intera proteina.

 

Curva di saturazione per l’ossigeno

Questa curva indica la percentuale di occupazione dei siti di mioglobina in raffronto al variare della pressione parziale dell’ossigeno.

Mb + O2 = MbO2

La mioglobina (Mb), in presenza di ossigeno libero (O2), si associa a questo gas formando la mioglobina ossigenata. Infatti questa molecola ha un’altissima affinità per l’ossigeno e, alle concentrazioni normali ematiche di O2, la curva è tutta spostata verso destra. Se faccio una costante di associazione (rapporto delle concentrazioni dei prodotti fratto il prodotto delle concentrazioni reagenti) ottengo

Ka = [MbO2] / ([Mb] [O2])

Per la mioglobina questa costante è molto alta, poiché questa proteina ha un’altissima affinità con l’ossigeno.

Y indica la percentuale di siti occupati dall’ossigeno, ovvero il rapporto tra le molecole di mioglobina ossigenate e le molecole di mioglobina totali (ossigenate + libere). Corrisponde, quindi, alla percentuale di saturazione della mioglobina.

Y = [MbO2] / ([Mb] + [MbO2])

E’ però più facile conoscere la pressione parziale dell’ossigeno, a cui, secondo la legge di Henry, dipende direttamente la concentrazione disciolta, ottenendo

Y = P O2 / (P O2 + P 50)

P 50 è una costante che dipende dalla molecola in esame. L’equazione, se graficata, dà un’iperbole. All’aumentare dei siti di legame, aumenta la pressione parziale dell’ossigeno fino a raggiungere un punto di saturazione. Nel nostro organismo la percentuale di saturazione è del 97%. Nella cinetica enzimatica, la KM era la concentrazione di substrato in cui la velocità era pari ad ½ della velocità massima, qua la P 50 è quella pressione parziale di ossigeno che mi permette di saturare per metà i siti. La P 50 della mioglobina è di circa 5 mm Hg: è bassa, quindi ha alta affinità per l’ossigeno.

Emoglobina

L’emoglobina è un tetramero con due catene alfa (da 141 aminoacidi e 8 segmenti a alfa-elica) e due catene beta (da 146 aminoacidi e 7 segmenti a alfa-elica). Ciascuna subunità è simile alla mioglobina. I globuli rossi hanno il 35 % di emoglobina e sono privi di nucleo, organelli e mitocondri. Sono dei corrieri di emoglobina. Hanno una vita molto ridotta, pari circa 120 giorni, poi vengono rimossi dal circolo sanguigno e sostituti da altri globuli rossi. Perdendo gli organuli perdono molti processi metabolici, soprattutto i mitocondri: producono energia solo tramite la glicolisi ed in modo anaerobico, ovvero tramite la fermentazione lattica. Ha una struttura quaternaria, dovuta alla presenza di più subunità, ognuna delle quali contiene un gruppo eme.

Le funzioni sono:

  • Trasporto di O2 dai polmoni ai tessuti
  • Trasporto di CO2 dai tessuti ai polmoni
  • Tampone organico (i tamponi inorganici sono quello fosfato e quello bicarbonato) del sangue mantenendone il pH

I gruppi eme non interagiscono fra di loro. Un contatto importante si ha fra le catene α1 e β1 e fra le catene α2 e β2. Infatti, se si mette la molecola in un detergente blando, si staccano due eterodimeri (α1-β2 e α2-β1) poiché i legami sono più forti. Esistono anche legami α1-β2 e β1-α2, sono invece ridottissimi e deboli i legami fra le subunità uguali. Al centro è presente un canale, la cui ampiezza si modifica quando l’emoglobina cambia stato da ossigenato a deossigenato. Anche qua lo ione Fe++ forma 6 legami di coordinazione esattamente come con la mioglobina. Al ferro dell’emoglobina possono legarsi, oltre all’O2, anche CO e cianuro. Se prendessimo un eme senza struttura globinica, questo avrebbe un’affinità verso il CO superiore di 20.000 volte di quanto ne avrebbe con l’ossigeno.
All’interno della struttura proteica, l’istidina E7 forma una tasca con un legame idrogeno che costringe dentro l’ossigeno modificando un poco l’angolo di legame con l’ossigeno. Il CO, però, quando si lega in questa tasca, subisce una forte compressione da parte dell’istidina distale orientandosi verso il basso. Ciò comporta una diminuzione dell’affinità del CO da 20.000 volte superiore (come quando l’eme era da solo) a sole 200 volte: la tasca fa quindi diminuire fortemente l’affinità per il CO. Se l’affinità per il CO fosse sempre 20.000 volte superiore, l’emoglobina del sangue sarebbe sempre occupata dal CO, così, invece, solo l’1% dell’emoglobina è legata al CO proteggendoci dall’avvelenamento da monossido di carbonio. Ovviamente, se siamo in un ambiente chiuso saturo di CO, le cose cambiano.

Curva di saturazione per l’O2 nella emoglobina

La curva che si ottiene graficando la saturazione dell’O2 dell’emoglobina è di tipo sigmoide.

HHb + 4 O2 ó Hb(O2)4 + 4H+

HHb è un’emoglobina con un idrogeno in risalto. Quando l’emoglobina lega ossigeno trasformandosi in emoglobina ossigenata questa è un acido più forte della deossigenata, quindi manda in soluzione dei protoni.

Y = (P O2)n / ((P O2)n + (P 50)4)

N è il coefficiente di Hill, ovvero il numero dei siti di legame dell’emoglobina, pari quindi a 4 (infatti l’emoglobina ha 4 gruppi eme). Però non raggiunge mai il valore di 4, ma, al massimo, diventa 2,7. La curva sigmoide indica un’azione cooperativa positiva delle 4 subunità che formano l’emoglobina. Ovvero avviene un effetto delle subunità cooperativo e positivo (le subunità non si intralciano l’un l’altra, ma l’entrata della prima molecola di O2 facilita l’entrata delle altre).