Biochimica parte 4 PDF

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BIOCHIMICA del primo semestre del secondo anno di scienze biologiche a ferrara...

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3. FIBROINA Si trova nella seta e nelle ragnatele Struttura in cui sono assenti le eliche – ma contiene strati di β-foglietti e ricchi in amminoacidi di alanina e glicina che sono idrofobici e molto piccoli (sono i meno ingombranti) → questo permette grande avvicinamento tra i piani del β-foglietto → per questo si instaurano tante interazioni di van der Waals che con troppa distanza non si formerebbero Tra i gruppi peptidici si formano legami a idrogeno che stabilizzano i foglietti-β all’interno della struttura → rendendo forte e non estensibile la seta ma rendendola flessibile

PROTEINE DI TRASPORTO

Legare l’ossigeno per trasportarlo PROBLEMI: → L’ossigeno è poco solubile in acqua – quindi poco solubile nel nostro sangue – quindi l’ossigeno non può essere trasportato liberamente nel sangue → La diffusione attraverso i tessuti è limitata (pochi mm) → Nessun amminoacido può legare reversibilmente l’ossigeno Il compito di legare, trasportare e rilasciare l’ossigeno viene svolto dai METALLI DI TRANSIZIONE ferro e rame (Fe/Cu) Nei mammiferi superiori si usa soprattutto il Ferro – tuttavia anche questo sistema ha dei limiti → infatti il ferro è un metallo propenso all’ossidazione se messo a contatto con l’ossigeno Il ferro esiste in 3 stati di ossidazione = Fe Fe2+ Fe3+ Fe3+ = massimo stato di ossidazione – non è in grado di legare ossigeno Fe2+ = unica forma che riesce a legare reversibilmente l’ossigeno – ma come riesce a rimanere in questo stato di ossidazione malgrado sia legato all’ossigeno e portato quindi ad ossidarsi di più? = per evitare che il Fe2+ si ossidi ulteriormente bisogna evitare che si leghi a molte molecole di ossigeno Per questo il ferro è inserito all’interno di una struttura non proteica chiamata GRUPPO EME:  Formato da 4 anelli pirrolici (= il pirrolo è un eterociclo) uniti da ponti metilenici  È una porfirina  È una molecola piana, che interagisce con il ferro (il ferro si colloca all’interno)  È un gruppo prostetico = parte non proteica che collabora e aiuta le proteine Lega 1 atomo di Ferro al suo interno → Fe è legato a 4 atomi di azoto (N) del gruppo eme attraverso un LEGAME COORDINATIVO (o dativo) = legame covalente che avviene tra uno ione metallico e leganti che abbiano dei doppietti elettronici liberi messi in condivisione Il ferro può dare 6 legami di coordinazione di cui 4 sono occupati dagli azoto del gruppo eme → quindi evita 4 legami con l’ossigeno che l’avrebbe portato all’ossidazione – ne manca ancora 1 Per essere protetto dall’ossidazione il ferro deve essere legato anche ad una proteina → in particolare con l’azoto di una catena laterale di un anello midazoico di una istidina prossimale appartenente ad una proteina Tutta questa molecola: Fe + gruppo eme + istidina prossimale + O2 è racchiusa all’interno di una tasca di una proteina globulare = GLOBINA L’accesso ai siti di coordinazione nella proteina risulta limitata soprattutto per l’ossigeno che può legarsi solo ed esclusivamente in una posizione

Il complesso proteico è indispensabile per la vita poiché altrimenti il ferro potrebbe legare il monossido di carbonio CO causando problemi all’organismo poiché il Fe++ è molto più affine al CO che all’ossigeno → questo perché nella mioglobina vi è anche un’istidina distale che non è legata al Ferro ma agisce da ostacolo per le molecole entranti L’istidina distale è abbastanza distante da non legare il ferro ma abbastanza vicina da complicare il legame dell’ossigeno e rendere molto difficile quello di monossido di azoto e monossido di carbonio che sono molto pericolosi per l’uomo → CO grazie all’istidina distale diventa pericoloso solo in concentrazioni molto alte

MIOGLOBINA = proteina monomerica relativamente piccola In grado di legare il gruppo eme e quindi anche il ferro e l’ossigeno È in struttura terziaria → formata da α-eliche e loop Singola catena proteica formata da 153 amminoacidi Si trova prevalentemente nei muscoli → con funzione di riserva dell’ossigeno P + L  PL proteina + ligando ↔ complesso proteina-ligando Le due frecce indicano la direzionalità della reazione → se la reazione è spostata verso destra = tendenza a formare il complesso → se la reazione è spostata verso sinistra = tendenza del complesso a dissociarsi nei due reagenti Questo dipende dalle concentrazioni dei 3 elementi: − Alte concentrazioni di P e L = equilibrio spostato a destra − Alte concentrazioni di PL = equilibrio spostato a sinistra Dipende anche dall’affinità chimica che c’è tra P e L: − Se P è molto affine a L → lo legherà anche se le concentrazioni di L sono basse − Se invece non sono affini → servono grandi quantità di L per far avvenire il legame Inoltre vi è anche un altro modo per sapere se vi è tendenza o meno a formare il complesso = costante di associazione → tanto più è elevata tanto più l’equilibrio è spostato verso la formazione del complesso = costante di dissociazione → tanto più sarà bassa tanto più l’equilibrio sarà spostato verso la formazione del complesso e viceversa (=più usata Kd di Ka)

= rapporto tra i siti legati occupati dal ligando e il totale dei siti Va da un minimo di 0 a un massimo di 1 = tutti i siti sono occupati dal ligando

= mostra le quantità crescenti di concentrazione di ligando Kd = concentrazione di ligando in cui la proteina è SEMISATURA = saturata al 50% MIOGLOBINA Che si lega con l’ossigeno La P50 è uguale alla Kd → nella mioglobina è bassissima infatti mioglobina e ossigeno sono molto affini Già a 2 torr il 50% della mioglobina è legata all’ossigeno quindi a 4 torr abbiamo il massimo di saturazione

La mioglobina è INADATTA a trasportare l’ossigeno ma è un’ottima riserva: → il sangue a livello degli alveoli incontra una pressione parziale dell’ossigeno di 100 torr → qui non avrebbe problemi a caricarsi e a legare l’ossigeno → ma a livello dei tessuti periferici come ad esempio i muscoli sotto pressione che hanno una pressione parziale di 20 torr e quindi la mioglobina non riuscirebbe a cedere la quantità necessaria di ossigeno Si carica molto velocemente (vantaggio) ma poi non cede quantità sufficienti ai tessuti, per questo è utilizzata come riserva

EMOGLOBINA

Si trova nei globuli rossi degli alveoli polmonari dove si carica di ossigeno → che scarica a livello dei tessuti periferici Inoltre riesce anche a trasportare CO2 dai tessuti periferici e permette ai polmoni di espellerla → contiene 4 gruppi EME quindi 4 molecole di Ferro → e quindi può legare 4 molecole di Ossigeno → proteina globulare in struttura quaternaria – formata da 4 catene proteiche = 2 catene α e 2 catene β Quindi è un eterotetramero – le sue 4 subunità sono molto simili alla struttura della mioglobina – ma sono create da sequenze amminoacidiche diverse infatti sono 27 amminoacidi sono uguali tra mioglobina e emoglobina tra cui istidina prossimale e distale Questo porta ad una conclusione = la stessa struttura proteica può essere raggiunta da sequenze amminoacidiche diverse → ma gli amminoacidi essenziali per il meccanismo = legare reversibilmente l’ossigeno – devono essere sempre conservati – questi amminoacidi essenziali sono l’istidina prossimale e distale Ogni subunità dell’emoglobina lega l’ossigeno con lo stesso meccanismo della mioglobina Curva dell’emoglobina = sigmoide Le 4 subunità dell’emoglobina si trasmettono informazioni mediante modificazioni di conformazione → per essere più o meno affini all’ossigeno in base alle condizioni esterne = l’emoglobina modula la propria attività per l’ossigeno in modo da rispondere al meglio alla variazione di concentrazione di ossigeno nei tessuti L’emoglobina ha una maggiore tendenza a dissociarsi in quanto è meno affine all’ossigeno, rispetto alla mioglobina, e proprio per questo motivo è favorita per il trasporto proprio perché è in grado di cedere ossigeno. L’emoglobina si carica quasi al 100% nei polmoni (100 torr) dove è presente un’alta concentrazione di ossigeno → poi passa per i tessuti: se i tessuti sono a riposo si scarica del 21% (1/5), se i tessuti sono sotto sforzo si scarica del 45% in totale (66%) – il 33% dell’ossigeno rimane sempre legato = non scarica mai il 100% Se l’ossigeno rilasciato dall’emoglobina dovesse non bastare interviene la mioglobina, se poi non è ancora sufficiente si hanno crampi o morte Situazione ipotetica = 4 subunità di emoglobina che non cooperano tra loro Queste subunità farebbero fatica a saturarsi anche in condizione di alta pressione parziale dell’ossigeno cioè negli alveoli → invece di aiutarsi competerebbero tra loro per legare l’ossigeno danneggiandosi a vicenda = ciascuna subunità cercherebbe di strappare ossigeno all’altra

-----------------RIASSUNTO -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------→ l’emoglobina quando arriva agli alveoli più inizia a saturarsi più diventa affine per l’ossigeno e quando arriva nei tessuti più si scarica più cala la sua affinità per l’ossigeno → le subunità si aiutano a caricarsi di ossigeno negli alveoli e si aiutano a scaricarsi nei tessuti periferici l’ingresso dell’ossigeno nella subunità induce una modificazione conformazionale che si trasmette anche alle altre subunità accanto rendendole più affini all’ossigeno, se non lo hanno ancora legato, facendo diventare l’emoglobina più efficiente. La stessa cosa accade quando l’ossigeno esce dalle subunità: la subunità cambia la sua conformazione, la trasmette anche alle altre che quindi diventano meno affini per l’ossigeno, cedendolo nei tessuti. Come comunicano le subunità? Le subunità si legano tra loro attraverso legami reversibili quindi non covalenti:  Interazioni idrofobiche  Legami ad idrogeno (tra gruppi polari)  Legami ionici / ponti salini

L’emoglobina oscilla tra 2 STATI: → STATO R = ad alta affinità per l’ossigeno – rappresenta la forma ossigenata – il foro centrale è poco aperto → STATO T = a bassa affinità per l’ossigeno – rappresenta la forma deossigenata – foro centrale molto aperto – stabilizzato da ponti salini/ionici → quando si rompono tra 2 subunità viene favorito il passaggio allo stato R

Nel passaggio di una conformazione all’altra i dimeri α1β1 e α2β2 si spostano in funzione della concentrazione di ossigeno nell’ambiente

PASSAGGIO DALLO STATO T ALLO STATO R Partendo dallo stato T → arriva l’ossigeno che si lega nella sua tasca formando il sesto legame di coordinazione del ferro → l’ossigeno trascina verso di se il Ferro e questo induce uno spostamento di tutti i gruppi chimici connessi ad esso (O2) cioè del gruppo EME quindi anche il ferro, l’istidina prossimale e l’α elica a cui appartiene l’istidina prossimale → quindi l’ossigeno induce una modificazione di conformazione legandosi al ferro → che si trasmette anche alle subunità vicine rendendole più affini all’ossigeno, se non lo hanno ancora legato, facendo diventare l’emoglobina più efficiente. La stessa cosa accade quando l’ossigeno esce dalle subunità: la subunità cambia la sua conformazione, la trasmette anche alle altre che quindi diventano meno affini per l’ossigeno, cedendolo nei tessuti Il movimento che provoca l’ossigeno porta alla rottura delle interazioni saline che prima stabilizzavano lo stato T

Come essere affini per l’O2 nei polmoni e poco affini nei tessuti? L’emoglobina risolve il problema grazie alla presenza di più subunità e grazie anche all’ALLOSTERIA. REGOLAZIONE ALLOSTERICA L’ALLOSTERIA permette alle molecole di essere affine nei polmoni e poco affine nei tessuti Una molecola fatta di 2 subunità inizialmente scarica = cioè non lega nessun ligando Nella parte in cui si legherà il ligando vi è una grandissima flessibilità per facilitare il legame Il ligando si lega in una delle 2 subunità – legandosi cambia la forma e stabilizza la subunità = non solo la regione di legame (blu) ma anche quelle vicine (verde) – e si inizia a stabilizzare anche l’altra subunità nonostante questa non sia ancora a contatto con il ligando def. ALLOSTERIA = regolazione di una proteina → per legame di una molecola in un punto diverso da quello che definisce la funzione della proteina stessa la molecola regolata da questo legame si chiama EFFETTORE ALLOSTERICO e il punto in cui si lega è chiamato SITO ALLOSTERICO Esistono due modelli di azione allosterica: 1. Concentrato: il ligando si lega ma prima o poi è presente una quantità di esso che permette che tutti cambino conformazione 2. Sequenziale: ingresso di legando modifica una subunità che a sua volta modifica la subunità affianco ec

L’emoglobina viene modulata anche dal pH Come cambia il comportamento dell’emoglobina in funzione del pH ? → ci occupiamo della CO2 prodotta metabolicamente come scarto dei processi ossidativi che non può accumularsi nel sangue perché superata la sua soglia di solubilità (come l’ossigeno) formerebbe delle “bollicine” e andremmo incontro a embolia perché otturerebbero i capillari per questo circa l’80% della CO2 prodotta entra nei globuli rossi dove incontra un enzima = ANIDRASI CARBONICA che aiuta a far diventare un acido un’anidride in acqua in modo estremamente veloce → quindi milioni di molecole di CO2 si convertono dentro gli eritrociti (= globuli rossi) in ACIDO CARBONICO il quale si dissocia spontaneamente in acqua in HCO3– e H+ CO2  CO2 + H2O  H2CO3  HCO3– + H+ acido carbonico

dissociato

+

Quindi si liberano dei protoni H che acidificano l’ambiente a livello dei tessuti periferici Nei polmoni invece avviene la reazione inversa: HCO3– + H+  H2CO3  CO2 + H2O  CO2

che viene liberata

il pH non varia drasticamente: → tessuti = pH 7,2 → pH fisiologico = 7,4 → polmoni = pH 7,6 Nei tessuti la sigmoide dell’emoglobina è spostata verso destra A basse pressioni di CO2 è meno affine per l’ossigeno = lo cede + facilmente = è stabilizzato lo stato T Nei polmoni la sigmoide è spostata verso sinistra L’emoglobina è molto più affine per l’ossigeno per questo è stabilizzato lo stato R EFFETTO BOHR = variazione dell’andamento della curva di saturazione all’ossigeno dell’emoglobina in funzione del pH 1. Come fa l’emoglobina a percepire il pH ? 2. Come si sposta tra gli stati R e T in funzione del pH ? 1. Ci riesce legando direttamente gli H+ - uguale a come percepiva la pressione parziale dell’ossigeno legando l’ossigeno la differenza è che H+ e O2 si legano in punti diversi dell’emoglobina e hanno effetti opposti gli H+ si legano su tanti amminoacidi diversi e ionizzabili ma principalmente si legano alla catena laterale delle istidine presenti sull’emoglobina 2. La variazione di pH si riflette sulla variazione dello stato di ionizzazione anche di altri amminoacidi basici – non solo quelli dentro la struttura come le istidine – ma appunto vi sono anche amminoacidi importanti per dare ponti salini estremamente importanti per stabilizzare lo stato T Condizioni fisiologiche = pH 7,4 se si passa a un pH leggermente più acido = 7,2 i gruppi acidi tendono spontaneamente a perdere H+ quindi in condizioni fisiologiche sono in forma negativa mentre i gruppi basici hanno carica positiva → sia gli amminoacidi acidi sia quelli basici vengono protonati questo favorisce la formazione di legami ionici / ponti salini che stabilizzano il conformero T

se si passa a un pH leggermente più basico = 7,6 gli amminoacidi basici sono deprotonati e privi di carica e quindi non possono formare i ponti salini quindi viene stabilizzato il conformero R

Quindi l’emoglobina funge da sistema tampone ed è anche un trasportatore di H+

TRASPORTO DI CO2 da parte dell’emoglobina → una percentuale quasi trascurabile è disciolta nel sangue → circa l’80% viene convertita in acido carbonico – questo aiuta l’effetto Bohr perché porta a liberare H+ → il 20% viene legata direttamente all’emoglobina – in modo REVERSIBILE viene caricata a livello dei tessuti e liberata dagli alveoli polmonari La CO2 nell’emoglobina si lega ad ogni sua subunità → quindi si legano 4 molecole di CO2 per ogni emoglobina E si lega all’estremità N-terminale (amminoterminale) trasformando l’emoglobina in carbaminoemoglobina Visto che anche la parte N-terminale di ogni subunità era coinvolta in legami ionici – il legame della CO2 cambia l’equilibrio tra la forma T e quella R = questo legame permette di formare nuovi legami ionici che quindi stabilizzano lo stato T dell’emoglobina → e questo rende ancora più facile la liberazione di ossigeno Nei polmoni avviene l’inverso = l’alta concentrazione di ossigeno fa diventare affine l’emoglobina all’ossigeno – l’emoglobina passa allo stato R e rilascia la CO2 per passaggio di conformazione RIASSUNTO L’emoglobina rilascia ossigeno nei tessuti: 1. Grazie alla bassa pressione parziale di ossigeno che incontra → infatti a bassa pressione si trova nello stato T 2. Grazie all’effetto Bohr = per via del fatto che con pH leggermente acido si formano ponti salini che stabilizzano la forma T 3. Grazie al fatto che la CO2 si lega alle sue estremità amminoterminali stabilizzando nuovi ponti salini, liberando H+ che aiutano l’effetto Bohr e per questo stabilizzano la forma T

2,3–BIFOSFOGLICERATO (BPG) = ulteriore modulatore dell’emoglobina Piccola molecola prodotta durante il metabolismo del glucosio È presente in elevata concentrazione nei globuli rossi = 5mM (millimolare) Nomenclatura = nel nome c’è BIS (e non bi) → significa che i due fosfati si trovano in punti diversi della molecola e non sono legati tra loro (bi) È un metabolita secondario Molecola acida = ha un gruppo acido nel carbonio 1 che permette di dare una serie di interazioni con gli amminoacidi basici che appartengono alle subunità β (β1 β2) dell’emoglobina Essendo molto piccola riesce ad inserirsi al centro della molecola di emoglobina – stabilizzando lo stato T proprio perché la forma deossigenata ha una cavità maggiore (non avrebbe spazio per reagire nella forma R)

La normale curva dell’emoglobina (quella al centro) con concentrazione normale di BPG Curva a sinistra = condizione in cui non ci sia BPG → l’andamento della curva di saturazione dell’emoglobina sarebbe un’iperbole non una sigmoide = questo significa che l’emoglobina diventerebbe simile alla mioglobina = troppo affine all’ossigeno e non sarebbe capace di cederlo ai tessuti

EMOGLOBINA ADULTA 2 catene α e 2 catene β che legano il BPG Nell’emoglobina fetale invece al posto delle catene β si hanno 2 catene γ (gamma) che derivano quindi dall’espressione di un altro gene → queste catene legano pochissimo il BPG = sono a bassissima affinità Questo avviene perché vengono sostituite le 2 istidine delle 2 catene β con residui di serina che non possono dare le interazioni che dava l’istidina → l’emoglobina del feto è molto più affine per l’ossigeno di quella adulta → questo perché riesce a “strappare” ossigeno dall’emoglobina materna → se così non fosse il feto non avrebbe modo di approvvigionarsi di ossigeno Curva di saturazione dell’emoglobina fetale è spostata a sinistra quindi ha una p50 più bassa = cioè ha più affinità per l’ossigeno

Non respirando come fa il feto a trasportare ossigeno nei tessuti? Perché le pressioni parziali di ossigeno nei tessuti sono molto basse e proprio per questo nonostante l’affinità della sua emoglobina per l’ossigeno incontrando pressioni parziali molto basse riesce ad essere rilasciato nei tessuti Un altro esempio che spiega l’importante della modulazione del 2,3-Bisfosfoglicerato è il passaggio che il nostro corpo ha se passiamo in velocità dal mare (basse altitudini) alla montagna (alte altitudini, poco ossigeno). La pO2 in montagna è molto bassa dunque il nostro corpo scarica nei tessuti meno ossigeno in quanto ne assume anche meno → il corpo però riesce ad adattarsi aumentando la concentrazione di 2,3-Bisfosfoglicerato da 5 a 8 mM) in modo che venga diminuita anche l’affinità per l’ossigeno così che ad alta quota l’emoglobina si carica di meno ma si scarica uguale.

Scaricamento dell’ossigeno: a livello del mare = 38% in montagna = 30% Caricamento dell’ossigeno: a livello del mare = 96% in montagna = 90%

ADATTAMENTO che permette agli uomini di vivere in alta quota – si raggiunge in qualche settimana ed è permanente → da 5 mM la concentrazione di BPG diventa 8 mM rendendo ...