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Dipartimento di Biochimica e Biofisica “F. Cedrangolo”

Emoglobina ed introduzione alle emoglobinopatie.

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Trasportatori di Ossigeno nei Vertebrati

Mioglobina Emoglobina

Muscoli Sangue

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L’ Emoglobina (Hb)

Struttura tetramerica: quattro catene

polipeptidiche (α2β2) tenute insieme da legami

non covalenti.

Ogni catena contiene un gruppo prostetico Eme

eme

eme eme

eme

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Il Gruppo Eme

Protoporfirina IX (parte organica):- Anello tetrapirrolico

Ferro (parte inorganica):

- legame ai 4 atomi di N al centro dell’anello

- formazione di legami addizionali: quinta e sesta posizione di

coordinazione

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FerroemoglobinaFe++ (ferroso)

Ferriemoglobina(o metaemoglobina)Fe+++ (ferrico)

Solo la FERROEMOGLOBINA è in grado di legare

l’ossigeno!!

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(1936) Max Perutz: delucidazione della struttura tridimensionale dell’emoglobina

(1959) Max Perutz: ottenimento di un’immagine della densitàelettronica dell’emoglobina di cavallo

(anni successivi): mappe ad alta risoluzione di mioglobina ed emoglobina umana.

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L’analisi della struttura tridimensionale ha evidenziato che…

1) la molecola dell’emoglobina è quasi sferica

2) le 4 catene polipetidiche sono molto vicine tra loro

3) i 4 gruppi eme sono localizzati all’interno di cavità specifiche della struttura proteica

4) i 4 siti di legame per l’ossigeno sono abbastanza lontani tra loro

5) ogni catena α è in contatto con entrambe le catene β, mentre esistono pochissime interazioni tra le due catene α e le due

catene β

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Avvolgimento globinico

L’avvolgimento globinico è comune a tutti i trasportatori di ossigeno.

Duplicazione genica o processi di diversificazione

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Residui altamente conservati

Posizione AA RuoloF8 Hys Ist.prossimale E7 Hys Ist. DistaleCD1 Phe Contatti con l’emeF4 Leu Contatti con l’emeB6 Gly Avvicina le eliche B-EC2 Pro Termine dell’elicaHC2 Tyr Leg.croc.tra le eliche H-FC4 Thr IncertoH10 Lis Incerto

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Inoltre…

L’emoglobina è una proteina allosterica capace di legare,oltre all’O2, anche H+ e CO2

Il legame con O2 è di tipo cooperativo !!

L’affinità di legame all’O2 dipende da almeno due fattori

pH BPGscaricato da www.sunhope.it

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Dipendenza dal pH (H+ - CO2)

(EFFETTO BOHR - 1904)

Un aumento dell’aciditàstimola il rilascio dell’O2

La presenza di elevati livelli di CO2 ed H+ nei tessuti

metabolicamente molto attivi (es. muscoli) determina il rilascio dell’O2 dall’Hb.

La preseza di CO2 nei tessuti altera l'affinità della Hb verso l'O2 in due modi:

attraverso un abbassamento del pH, cioè l'effetto Bohr e attraverso laformazione di carbammati dei gruppi N terminali dell'Hb.

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Dipendenza dal BPG(Reinhold e Benesch -1967)

Il BPG abbassa di 26 volte l’affinità di legame per

l’O2, legandosi alla deossiemoglobina ma non all’emoglobina ossigenata.

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Il BPG si lega meno saldamente all’emoglobina fetale rispetto a

quanto si osserva per l’emoglobina “adulta” !!

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La struttura quaternaria e l’ossigenazione

(1938) Felix Haurowitz: “i cristalli di deossiemoglobina si frantumano se vengono esposti all’ossigeno” !!

Importanti modificazioni conformazionali !!

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- La molecola ossigenata è più compatta(la distanza degli atomi di Fe delle

catene β diminuisce)

-Modificazioni strutturali a livello dei punti di contatto α1β2 e α2β1

Quali differenze ??

La regione di contatto α1β2 agisce come un intterruttore in grado di innescare ed

attivare due strutture alternative dell’interfaccia dell’emoglobina

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Modello di Gary Ackers (1999)

In assenza di ossigeno l' emoglobina è presente in conformazione a bassa affinità T (deossi); quando una molecola di ossigeno si lega ad una sottounità questa sola

modifica la sua struttura terziaria da T a R. Quando in ciascuno dei due dimeri αβun sito è ossigenato, anche le altre due sottounità libere passano nella conformazione

R, per cui si realizza la transizione T–––> R che riguarda anche la struttura quaternaria (ciò non si realizza se ad essere ossigenati sono le due sottounità dello

stesso dimero).scaricato da www.sunhope.it

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La struttura dell'emoglobina e il legame cooperativo dell'Ossigeno

La differenza di affinità per l'O2 tra lo stato T e lo stato R può essere compreso in termini di cambiamenti della struttura

quaternaria che accompagnano la conversione dalla deossiemoglobina alla ossiemoglobina. Possiamo notare i

cambiamenti dalla seguente animazione

Gli O2 in rosso legano il Fe in blu.

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Lo spostamento di conformazione si

origina dal fatto che nella deossiemoglobinail ferro si trova fuori del piano dell'anello

dell'eme.

. La vicina Istidina legata

al Fe si muoveràanch'essa causando un

contemporaneo spostamento dell'elica in

cui si trova

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Questo movimento altera la struttura di ogni subunitàche a loro volta cambiano

le interazioni tra le subunità nell'interfaccia.

Questo infine porta al cambiamento di conformazione dalla deossialla ossiemoglobina.

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Nell’uomo adulto:• Hb A (α2β2) è la principale

emoglobina• Hb A2 (α2δ2) rappresenta il 2%

dell’emoglobina totale

Durante lo sviluppo embrionale: - Hb fetale (Hb F) (α2γ2)

α = 141 aa; β-δ-γ = 146 aascaricato da www.sunhope.it

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Profilo di espressione dei geni dell’emoglobina durante lo sviluppo

embrionale.1) Espressione dei geni per

le catene z (α-simili) e per le catene ε (β-

simili)

2) Durante lo svulippoembrionale: le catene z sono sostituite dalle α e le catene ε prima sono sostituite dalle γ e poi

dalle β

L’HbF ha un’affinità di legame per l’ossigeno maggiore dell’HbA: ottimizzazione del trasferimento di O2 dal circolo materno a quello

fetale.scaricato da www.sunhope.it

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Composizione delle emoglobine presenti nell'embrione umano, nel feto umano e nell'individuo adulto

Durante lo sviluppo embrionale si verificano

degli switches di espressione genica. Il primo cambiamento avviene dopo 5 settimane di gestazione; il secondo avviene in periodo peri-natale. Responsabile

del cambiamento del tipo di globine prodotte è una graduale sostituzione di

cellule eritropoietiche pre-determinate alla biosintesi di tipi definiti di globina con altre, provenienti da compartimenti differenti.

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α

nascita 3 mesi 6 mesiprenatale

ε

ξ

δ

γ

β

HbA: α2β2 95%HbA1c: α2β2(glic) 3%HbA2: α2δ2 2%HbF: α2γ2 <1%

Gower 1 ξ2ε2Gower 2 α2ε2Portland ξ2γ2HbH β4Hb Barts γ4

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Organizzazione dei geni delle globine

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I geni delle globine

I geni globinici di tipo beta nell'uomo sono sette, cinque funzionali (epsilon, due geni gamma, delta e beta) e due

pseudogeni (pseudogeneepsilon, o pseudo-beta2 e pseudogene pseudo-beta1). L'espressione coordinata dei geni per le globine necessita dell'attività della regione LCR

(Locus Control Region). I geni per le globine di tipo alfa sono localizzati in un

raggruppamento della dimensione di circa 25 Kb

posizionato sul cromosoma 16.

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Varianti dell'emoglobinaEsistono centinaia di diverse emoglobine mutanti in tutta la popolazione umana. Molte di queste forme mutanti sono dannose e danno origine a

patologie. Altre sono"neutre" e non sembra arrechino ai portatori nèvantaggi nè svantaggi.

La maggior parte delle mutazioni patologiche sono

situate nella tasca idrofobica e nella regione di contatto

α-β

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Classificazione dell’emoglobinopatie:alterazioni strutturali dell’Hb:

• anomala polimerizzazione Hb (HbS)• anomala cristallizzazione Hb (HbC)• emoglobine instabili• emoglobine con ↑ affinita’ per l’O2 (policitemia);• emoglobine con ↓ affinita’ per l’O2 (cianosi);

difetti quantitativi nella produzione delle catene globiniche• α-talassemia• β-talassemia• δβ-talassemia, γδβ-talassemia, αβ-talasemia

persistenza di Hb fetale (HbF)• pancellulare• eterocellulare

emoglobinopatie acquisite• meta-emoglobinemia• sulfo-emoglobinemia• carbossi-emoglobinemia• incremento HbF (chemioterapia, ripresa midollare, mielodisplasie)

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Prossima lezione:Mercoledi 7 giugno 2006

Ore 15:30

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