Emoglobina e mioglobina, enzimi e aspetti metabolici

Proteine globulari coniugate per l'ossigeno

Proteine che contengono una componente proteica (globina) e un gruppo prostetico non proteico chiamato eme, specializzate nel legare reversibilmente l'ossigeno molecolare.

Mioglobina (Mb)

Proteina monomerica presente nel tessuto muscolare dei mammiferi (molto abbondante nei mammiferi marini); funge da deposito cellulare di ossigeno e ne facilita la diffusione verso i mitocondri.

Emoglobina (Hb)

Proteina tetramerica presente all'interno dei globuli rossi, deputata al trasporto dell'ossigeno nel sangue dai polmoni ai tessuti periferici e alla rimozione parziale della CO2.

Struttura chimica dell'Eme (Ferroprotoporfirina IX)

Struttura organica planare ad anello tetrapirrolico (quattro anelli pirrolici uniti da ponti metinici con 4 gruppi metilici, 2 vinilici e 2 propionici) che coordina al centro un atomo di ferro nello stato ferroso (Fe2+).

6 legami di coordinazione del Fe nell'eme

Quattro legami planari con gli atomi di azoto degli anelli pirrolici; il 5° legame perpendicolare con l'azoto dell'Istidina prossimale (F8); il 6° legame perpendicolare disponibile per l'ossigeno (O2).

Stato di ossidazione ferroso (Fe2+)

L'unico stato elettronico del ferro capace di legare reversibilmente l'ossigeno senza esserne ossidato. Se passa a ferrico (Fe2+), genera la mioglobina, che è biologicamente inattiva per il trasporto dell'O2.

Istidina prossimale (F8)

Il residuo amminoacidico della catena globinica che si lega direttamente al quinto sito di coordinazione del ferro dell'eme, ancorando il gruppo prostetico alla proteina.

Istidina distale (E7)

Residuo amminoacidico che non tocca il ferro ma scherma il 6° sito di coordinazione. Costringe l'Oz a legarsi in modo angolato, diminuendo l'affinità per il monossido di carbonio (CO) ed evitando l'ossidazione del ferro.

Struttura della Mioglobina

Singola catena polipeptidica di 153 amminoacidi con un solo gruppo eme. Struttura secondaria formata da 8 regioni ad a-elica (indicate da A a H). Priva di struttura quaternaria.

Struttura dell'Emoglobina dell'adulto (HbA)

Struttura quaternaria tetramerica formata da due catene a (141 aa) e due catene ß (146 aa), indicate come a_ßz. Contiene 4 gruppi eme e può legare fino a 4 molecole di Oz.

Emoglobine embrionali umane

Forme di emoglobina transitorie espresse nelle prime settimane di gestazione: Hb Gower 1(328z), Hb Gower 2 (azEz) e Hb Portland ($2V2).

Emoglobina fetale

Forma principale nel feto prima della nascita, con struttura a V2. Ha un'affinità per l'ossigeno molto più alta rispetto all'HbA materna per permettere il passaggio di O_ attraverso la placenta.

Proteine allosteriche

Proteine multimeriche che possiedono siti funzionali e siti di regolazione distanti. Il legame di un modulatore induce modificazioni conformazionali che cambiano l'attività degli altri siti (cooperatività).

Curva di saturazione della Mioglobina

Andamento grafico iperbolico che indica un'affinità costante molto elevata per l'ossigeno; rilascia O, solo quando la pressione parziale tissutale scende a livelli critici (P50 = 1 torr).

Curva di saturazione dell'Emoglobina

Andamento grafico sigmoidale (a forma di S) che dimostra il comportamento allosterico e l'interazione cooperativa: il legame del primo O, facilita l'attracco dei successivi (P50 = 26 torr).

Stato T (Teso) dell'emoglobina

Conformazione caratteristica della deossiemoglobina, fortemente stabilizzata da ponti salini (legami ionici) inter-subunità, dotata di bassa affinità per l'ossigeno.

Stato R (Rilassato) dell'emoglobina

Conformazione della ossiemoglobina in cui i ponti salini sono rotti e le subunità ruotano di 15 gradi, esponendo i siti di legame e aumentando drasticamente l'affinità per l'O2.

Effetto Bohr

Regolazione per cui l'affinità dell'emoglobina per l'O, diminuisce all'abbassarsi del pH (aumento di H+) e all'aumentare della CO2, favorendo il rilascio di ossigeno nei tessuti metabolicamente attivi.

Carbamminoemoglobina

Forma di trasporto di circa il 15-20% della CO, totale, che si lega covalentemente e reversibilmente ai gruppi amminici terminali (-NH2) delle catene globiniche, stabilizzando lo stato T.

2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG)

Modulatore allosterico negativo carico negativamente; si lega alla cavità centrale del tetramero solo nello stato T, stabilizzandolo e riducendo l'affinità per l'O, nell'uomo (non ha effetto nei ruminanti).

Anemia falciforme (HbS)

Patologia molecolare causata da una mutazione puntiforme nel gene della catena ß che sostituisce il Glutammato in posizione 6 (Glu6, polare) con una Valina (Val6, idrofobica).

Polimerizzazione della HbS

Processo che avviene nello stato deossigenato in cui la Val6 mutata si incastra in una tasca idrofobica di un'altra HbS, formando lunghe fibre rigide che deformano i globuli rossi a falce.

Enzimi

Catalizzatori biologici di natura proteica che accelerano le reazioni chimiche abbassando l'energia di attivazione, senza alterare la costante di equilibrio o consumarsi.

Cofattori enzimatici

Componenti chimiche non proteiche necessarie per l'attività catalitica di alcuni enzimi; possono essere ioni inorganici (Fe2+, Mg2+, Cu2+) o molecole organiche (coenzimi).

Oloenzima

Il complesso cataliticamente attivo, intero e funzionante, formato dall'unione della parte proteica con tutti i cofattori necessari.

Apoenzima + Cofattore = Oloenzima

Apoenzima

La pura componente proteica dell'oloenzima, priva dei suoi cofattori e pertanto priva di qualsiasi attività catalitica.

Gruppo prostetico dell'enzima

Un coenzima o uno ione metallico legato in modo estremamente saldo o covalentemente all'apoenzima, che non si dissocia durante i cicli di reazione.

Ossidoreduttasi (Classe 1)

Enzimi che catalizzano il trasferimento di elettroni, atomi di idrogeno o ioni idruro nelle reazioni di ossido-riduzione.

Transferasi (Classe 2)

Enzimi che catalizzano reazioni di trasferimento di specifici gruppi funzionali (es. gruppi fosfato, amminici, acilici) da una molecola donatrice a una accettatrice.

Idrolasi (Classe 3)

Enzimi che catalizzano la scissione di legami chimici (es. esteri, glicosidici, peptidici) mediante l'inserimento di una molecola di acqua.

Liasi (Classe 4)

Enzimi che catalizzano la rottura di legami C-C, C-O, C-N mediante eliminazione di gruppi con formazione di doppi legami, o l'addizione di gruppi a doppi legami.

Isomerasi (Classe 5)

Enzimi che catalizzano la ridisposizione spaziale degli atomi all'interno di una singola molecola, convertendola in un suo isomero.

Ligasi (Classe 6)

Enzimi che catalizzano la formazione di nuovi legami carbonio-carbonio, carbonio-ossigeno o carbonio-azoto tramite reazioni di condensazione accoppiate alla scissione di ATP.

Substrato

La molecola o l'insieme di molecole su cui l'enzima agisce in modo specifico, legandola per catalizzarne la trasformazione chimica in prodotto.

Sito attivo

La tasca o fessura tridimensionale dell'enzima delimitata dalle catene laterali degli amminoacidi che legano specificamente il substrato e partecipano all'evento catalitico.

Modello dell'adattamento indotto

Teoria cinetica secondo cui il sito attivo dell'enzima non è un guscio rigido, ma una struttura flessibile che modifica la sua forma per avvolgere perfettamente il substrato solo dopo l'interazione iniziale.

Stato di transizione (‡)

Momento instabile al vertice della barriera energetica di una reazione, in cui i legami chimici dei reagenti sono parzialmente rotti e quelli dei prodotti parzialmente formati.

Energia di legame (4G B)

La principale fonte di energia utilizzata dagli enzimi per abbassare l'energia di attivazione; deriva dalle interazioni deboli non covalenti che si formano tra l'enzima e lo stato di transizione del substrato.

Equazione di Michaelis-Menten

Modello matematico della velocità iniziale (Vo) di un enzima non regolatore rispetto alla concentrazione di substrato: Vo = (Vmах [S])/(Km † [>]). Genera un grafico iperbolico.

Costante di Michaelis (K m)

La concentrazione di substrato alla quale la velocità iniziale è pari alla metà della velocità Vmax/2

Costante catalitica (K cat o Numero di Turnover)

Il numero di molecole di substrato convertite in prodotto da un singolo sito attivo nell'unità di tempo quando l'enzima è saturo. Si calcola come Vmax/[È tot ed è espressa in s -1.

Inibitore Competitivo

Molecola strutturalmente simile al substrato che compete direttamente per il legame nel sito attivo libero. Aumenta il valore della Km ma lascia invariata la Vmax.

Inibitore Non Competitivo (Misto)

Molecola che si lega a un sito regolatore distinto (allosterico) sia sull'enzima libero che sul complesso ES. Riduce la Vmax globale mentre la A m può rimanere invariata.

Curva cinetica degli Enzimi Allosterici

Grafico della velocità ad andamento sigmoidale (a forma di S) dovuto alla cooperatività tra le subunità dell'enzima durante il passaggio dallo stato T allo stato R.

Regolazione covalente della Glicogeno Fosforilasi

Transizione tra la forma decompressa poco attiva (fosforilasi b) e la forma attiva (fosforilasi a) mediante l'aggiunta di un gruppo fosfato sulla Serina 14 (Ser14), catalizzata dalla fosforilasi chinasi.

Metabolismo

Attività cellulare altamente coordinata in cui sistemi enzimatici cooperano per estrarre energia dall'ambiente, convertire i nutrienti, polimerizzare monomeri e degradare molecole specializzate.

Catabolismo

Fase degradativa e prevalentemente ossidativa del metabolismo; demolisce molecole organiche complesse in prodotti semplici liberando energia chimica immagazzinata come ATP e NADH (via esergonica).

Organismi Eterotrofi

Organismi che non sanno fissare la COz inorganica e devono obbligatoriamente ricavare il proprio carbonio cellulare da molecole organiche complesse preformate (es. glucosio).

Anabolismo

Fase biosintetica e prevalentemente riduttiva del metabolismo; assembla precursori semplici in macromolecole complesse (proteine, acidi nucleici) consumando ATP e NADPH (via endergonica).

Organismi Chemiotrofi

Organismi viventi che ottengono la propria fonte di energia chimica esclusivamente dall'ossidazione di combustibili o composti chimici presenti nell'ambiente.

Idrolasi dell'ATP ed energia libera

Reazione fortemente esergonica (4G' = -30.5 kJ/mol) favorita dalla separazione delle cariche negative dei fosfati e dalla stabilizzazione per risonanza del fosfato inorganico (Pi).

NAD+(Nicotinammide Adenin Dinucleotide)

Coenzima derivato dalla Vitamina B3 (niacina); agisce come trasportatore solubile di elettroni accettando uno ione idruro (: H-) nelle reazioni ossidative del catabolismo.

NADPH

Forma ridotta del NADP* fosforilato; agisce quasi esclusivamente come donatore di elettroni (potenziale riducente) nelle vie biosintetiche dell'anabolismo riduttivo.

FAD e FMN (Coenzimi flavinici)

Gruppi prostetici derivati dalla Vitamina B2 (riboflavina); l'anello isoallossazinico accetta 2 elettroni e 2 protoni uno alla volta, passando per l'intermedio semichinonico (FADH°).

Coenzima A (CoA)

Coenzima derivato dalla Vitamina B5 (acido pantotenico); trasporta gruppi acilici e acetilici legandoli ad alta energia tramite il gruppo sulfidrilico o tiolico terminale (-SH) in un legame Tioestere.

Tiamina pirofosfato (TPP)

Coenzima derivato dalla Vitamina B1 (tiamina); è coinvolto nel trasferimento di unità aldeidiche e nella decarbossilazione ossidativa degli a-chetoacidi (come il piruvato).

Piridossal fosfato (PLP)

Coenzima derivato dalla Vitamina B6 (piridossina); costituisce l'elemento catalitico cardine di tutte le reazioni del metabolismo degli amminoacidi, in particolare delle transamminazioni.

Biotina

Coenzima derivato dalla Vitamina B7; è legato covalentemente a residui di lisina e serve come trasportatore mobile di anidride carbonica attivata (CO 2) nelle reazioni di carbossilazione.