Come l’Evoluzione di una
Macromolecola garantisce la
Regolazione della Funzione:
l’Esempio dell’Emoglobina
Prof. Mauro Fasano
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Perché l’emoglobina?
• Proteina nota a tutti
• Tra le prime strutture determinate
• Conservazione strutturale in tutti gli
organismi
• Principale esempio di correlazione
struttura-funzione
• Principale esempio di regolazione
allosterica
Struttura e funzione
• Struttura terziaria: il corretto “folding”
garantisce la corretta funzione
• Mioglobina: legare ossigeno nel muscolo
aumentandone la disponibilità
• Emoglobina: trasportare ossigeno,
legandolo e rilasciandolo a seconda delle
necessità
Mioglobina
Da un disegno di Irving Geis, 1983
Mioglobina
Mioglobina
Mioglobina
Distale
Prossimale
Equilibrio di legame dell’ossigeno
alla Mioglobina

Mb O2 
Kd 
MbO2 
YO2


MbO2 
O2 


Mb   MbO2  K d  O2 
Equilibrio di legame dell’ossigeno
alla Mioglobina
YO2


MbO2 
O2 


Mb   MbO2  K d  O2 
Legame dell’ossigeno all’eme
• Il legame dell’ossigeno al FeII dell’eme determina
variazioni conformazionali della struttura terziaria
che avvengono senza restrizioni
• La situazione sarebbe diversa in una struttura
quaternaria!!
• La struttura quaternaria impedisce le variazioni
conformazionali associate al legame
dell’ossigeno
• In eccesso di ossigeno, la struttura quaternaria
viene forzata a raggiungere un nuovo “stato
conformazionale” ad elevata affinità per
l’ossigeno
Due stati conformazionali
• Forma T: deossigenata, bassa affinità per
l’ossigeno
• Forma R: ossigenata, alta affinità per
l’ossigeno
Variazione dei contatti intercatena
conseguenti all’ossigenazione
Equilibrio di legame dell’ossigeno
all’Emoglobina
Grafico di Hill
P  L
h

PLn 
K
Y

P   PLn  P   P  Lh
h

L

h
K  L 
K

Y
L

1 Y
K
h
Log
Y
log
 h  log L   log K
1 Y
Y
1-Y
Log K
Grafico di Hill
Modelli termodinamici di
cooperatività
 Monod, Wyman, Changeux
Koshland
L’effetto Bohr
L’effetto Bohr
L’effetto allosterico
Il bisfosfoglicerato modifica la “soglia” necessaria
a far avvenire la variazione conformazionale
Quante Emoglobine umane?!?
Embrionale
e
Fetale
g1
g2
Pseudogene
yh
Adulta
d
b
3’
5’
0
100
duplicazione genica
200
Mya
Perché?
Cooperatività ed allosteria:
non solo emoglobina
Cosa succede se:
• Una delle istidine prossimali è mutata in
tirosina?
La coordinazione dell’ossigeno al posto
dell’azoto cambia il valore del
potenziale redox del ferro, stabilizzando
lo stato +3 e rendendo la proteina
incapace di legare l’ossigeno
Cosa succede se:
• Il glutammato in posizione 6 delle catene β
è mutato in valina?
Anemia falciforme
Anemia falciforme
Per saperne di più
• Basics: qualunque testo di biochimica
• I classici:
– M. Brunori, E. Antonini, “Hemoglobin and Myoglobin
in Their Reactions with Ligands” (1971)
– R.E. Dickerson, I.E. Geis, “Hemoglobin: Structure,
Function, Evolution, and Pathology” (1983)
• Allosteria: J.F. Swain, L.M. Gierasch, “The
changing landscape of protein allostery”. Curr.
Op. Struct. Biol. 16, 102-108 (2006).
• The Web