Tema 4 (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 02/11/2014
Descargas 16
Subido por

Vista previa del texto

4.FUNCIÓ I EVÓLUCIÓ DE PRÓTEINES – Proteïnes transportadores d’oxigen INTERACCIÓ LLIGAND-PROTEÏNA La funció de les proteïnes depèn de la seva estructura – aquests canvis en l’estructura es poden donar per desnaturalització o per la unió d’un lligand a una proteïna. El lligand produirà un petit canvi a la conformació de la proteïna de manera que n’alterarà la seva funció.
Un lligand és una molècula que s’uneix reversiblement a una proteïna. El lligand és altament específic a la proteïna que s’hi uneix.
Això permet que l’organisme pugui respondre ràpidament (i reversiblement) a canvis en l’ambient (estímuls externs). Per exemple, la unió d’O2 amb mioglobina o hemoglobina produeix un canvi conformacional a la proteïna que fa que s’hi quedi unit – ambdues proteïnes són exemples d’unió lligand-proteïnes, i són indispensables per la transició de la vida anaeròbica a l’aeròbica (l’O2 és poc soluble en aigua). També es produeix aquest fet quan un substrat s’uneix a un enzim; l’enzim catalitzarà una reacció determinada, perquè l’enzim només actuarà amb el substrat unit.
Si en un moment determinat necessitem molt O2 i qui el transporta és la mioglobina, aquests canvis en la conformació de la proteïna són els que permeten respondre a un estímul extern que està creant la demanda d’oxigen.
La mioglobina i l’hemoglobina han estat indispensables ja que emmagatzemem O2. De totes maneres, tenen funcions diferents; la mioglobina emmagatzema O2, mentre que la hemoglobina l’emmagatzema i el transporta.
L’O2 s’uneix a un grup prostètic hemo. Aquest grup prostètic és una unitat no proteica essencial per la funció de la mioglobina i de l’hemoglobina i està format per un anell tetrapirròlic (cada un dels pirrols està unit per un metilè a un altre pirrol ). En la imatge només marca (en rosa) un sol anell. Al mig de l’estructura tetrapirròlica, unit per nitrògens, hi ha un àtom de ferro. Aquest àtom, tant per dalt com per baix, pot formar dos enllaços més.
L’anell tetrapirròlic està col·locat dins l’estructura de la mio/hemo, endinsat dins la proteïna (fenedura hidrofòbica).
L’anell és bastant pla degut als dobles enllaços que formen l’anell tetrapirròlic.
Un dels enllaços del ferro s’uneix a una histidina per un enllaç covalent de la cadena de globina, ja sigui mio o hemo, i l’anomenem histidina proximal (per sota el pla); l’altre enllaç del ferro forma un enllaç amb l’oxigen (per sobre el pla). Tot plegat dins la fenedura hidrofòbica està envoltat d’aminoàcids hidrofòbics. Aquest fet és essencial ja que el ferro només és capaç d’unir oxigen quan té valència dos – oxidat a ferro tres no pot unir oxígens; per això l’hemo ha d’estar en un ambient hidrofòbic.
Quan l’oxigen s’uneix al ferro ho fa de forma lleugerament inclinada, ja que interacciona amb una altra histidina de la fenedura; per interaccions estèriques fa que l’enllaç estigui lleugerament orientat (no va cap a l’oxigen de manera recta per culpa de la histidina distal).
Si nosaltres posem un grup hemo a un tub d’assaig, podem veure que té una afinitat 25.000 vegades més alta pel CO2 que pel O2.
En condicions fisiològiques, només és 200 vegades més afí.
El Fe2+ és el lloc d’unió de l’O2. El Fe3+ no pot unir O2. Es manté en estat ferrós gràcies a l’entorn hidrofòbic.
MIOGLOBINA Es troba principalment al teixit muscular. La seva funció bàsica és emmagatzemar O2, però també n’allibera quan i on es necessiti; per tant, és necessari que la unió mioglobina – O2 sigui reversible.
L’estructura de la mioglobina són 8 cadenes d’hèlix-α, amb la fenedura al mig.
Mb + O2 ⇔ MbO2  Ct d’associació, Ka = [MbO2]/[Mb][O2] Com més elevada sigui la constant d’associació, més afinitat tindrà la mioglobina per l’oxigen.
La constant de dissociació (Kd) és la concentració de lligand en la que la meitat dels llocs d’unió estan buits i l’altra meitat ocupats (Kd = 1/Ka). Com més petita sigui Kd, més ocupats estan els llocs d’unió, més afinitat tindrà aquella proteïna pel seu lligand.
θ: proporció de llocs d’unió al lligand ocupats. θ = [O2]/[O2] + Kd El grup hemo es troba en una fenedura hidrofòbica.
Tenint en compte que el lligand és un gas, definim la P50 com la pressió parcial d’oxigen a la qual la meitat dels llocs d’unió estan ocupats. La P50 és molt petita, de manera que a baixes pressions l’oxigen ja s’uneix molt ràpid i fortament a la mioglobina (hi ha molta afinitat).
HEMOGLOBINA Té una estructura quaternària formada per 4 cadenes polipeptídiques iguals 2 a 2.
L’hemoglobina adulta té dues cadenes α i dues cadenes β interaccionant entre elles per unions no covalents. Bàsicament interaccionen una α amb una β (mai entre elles).
Cada cadena té una fenedura hidrofòbica amb el grup hemo (com la mioglobina).
A nivell de seqüència d’aminoàcids, l’hemo i la mio són molt semblants (deriven del mateix gen, fa 700 milions danys es creu que només n’hi havia un).
Les cadenes de globina i mioglobina estan formades per 3 exons. En l’exó 2 sembla que és on es codifica per la fenedura hidrofòbica.
L’hemoglobina té una corba d’afinitat sigmoïdal, de manera que té menys afinitat per l’O2 que la mioglobina. Això es creu que és degut a que la corba sigmoïdal és un entremig a una corba d’alta afinitat i una de baixa afinitat. Això s’explica assumint l’existència de dos estats d’afinitat de l’hemoglobina per l’oxigen. És a dir, si a mida que augmenta la pressió parcial, les molècules que formen l’estructura quaternària tenen més afinitat per l’oxigen, vol dir que el procés d’unir O2 a l’hemoglobina és un procés cooperatiu: costa molt que s’uneixi el primer O2 però un cop ho ha fet les altres ho fan més fàcilment.
L’hemoglobina és una proteïna al·lostèrica; no només pot unir un lligand sinó molts altres. Pot unir, a més d’oxigen, CO2 i H+ (a diferents llocs d’unió).
L’hemoglobina té 2 conformacions diferents: T State (tens, baixa afinitat per l’oxigen) i R state (relaxat, alta afinitat per l’oxigen).
Estructuralment són diferents; l’espai interior entre cadenes de globina és molt més gran en el T State. A més, hi ha una histidina en l’estadi T exposada cap enfora i exposada cap endins en el R state. El pas d’un a l’altre ve condicionat per la unió de l’oxigen; la unió del lligand causa un canvi conformacional que fa que aquest alteri la seva funció.
En blau tenim l’estat tens i en rosa el relaxat.
Veiem representat un tros de l’hèlix α on hi ha unida la histidina proximal que uneix el ferro covalentment. El grup hemo està en un mateix pla, però quan no té oxigen unit no és del tot pla – l’anell sí però el ferro és una protuberància ja que la histidina proximal l’estira. Ara bé, en el moment en què l’oxigen s’uneix al ferro, això causa un canvi conformacional en l’estructura que fa que el ferro estigui al mateix pla que l’anell de protoporfirina i hi ha un canvi en tota l’estructura proteica de les cadenes de globina. Això Això passa en una de les cadenes de globina, però aquest canvi que pateix la cadena es traspassa a les cadenes que estan unides per enllaços no covalents de la resta de la molècula, per tant quan una uneix la molècula d’oxigen fa que les altres canviïn la funció encara que no tinguin oxigen i així estan ja predisposades a agafar oxigen. Aquesta és, doncs, la cooperativitat de la que parlàvem.
MODELS DE COOPERATIVITAT Hi ha dos models per explicar la cooperativitat a l’hora d’unir l’O2 (no excloents): - Model concentrat o simètric: tenim les 4 cadenes en T State. Quan una uneix O2 fa que totes passin a R State. Quantes més molècules d’O2 s’uneixin, més fàcil és passar d’estat tens a relaxat. Totes les cadenes de globina passen al mateix temps del T a R.
- Model seqüencial  les 4 estan en estat T. Quan una uneix O2 facilita el pas en aquesta cadena a l’estat R, i això fa que l’altre també uneixi oxigen perquè passa a l’estat R, i així fins que totes agafen l’oxigen de manera cada cop més ràpida.
AVANTATGES DE LA COOPERATIVITAT DE L’HEMOGLOBINA PEL TRANSPORT D’O2 - La corba de saturació de la mioglobina és hiperbòlica, mentre que la de l’hemoglobina és sigmoïdal.
La pressió parcial de l’oxigen als pulmons és molt elevada, però als teixits és més baixa.
En els teixits, la mioglobina té un 90% dels llocs d’unió saturats, mentre que l’hemoglobina només un 30%.
En els teixits, la mioglobina té més afinitat per l’oxigen de manera que l’hemoglobina transporta oxigen fins als teixits i l’allibera allà on pot ser captat per la mioglobina degut a la major afinitat de la mioglobina (si les dues tinguessin la mateixa afinitat, l’hemoglobina no cediria l’oxigen i seria caos).
En canvi als pulmons ambdues proteïnes tenen molta afinitat per l’O2, de manera que l’hemoglobina és capaç de captar l’oxigen.
Corba verda: capacitat de recollir oxigen de la mioglobina. Per poca concentració d’O2, se satura de seguida, i hi ha d’haver molt poc oxigen perquè l’alliberi.
Corba lila: capacitat de recollir oxigen de l’hemoglobina. En cas d’exercici, cremem molt oxigen, per tant si comparem la pressió amb la de repòs, l’hemoglobina deixa anar més oxigen quan fem exercici.
Corba blava: cas hipotètic en el qual no hi ha cooperativitat – mai s’arriba a saturar l’hemoglobina.
Si no hi hagués aquesta cooperativitat entre aquestes 4 cadenes que formen l’hemoglobina, si la corba de l’hemoglobina no fos sigmoïdal, l’hemoglobina no ompliria el 100% dels llocs d’unió als pulmons, mai podria alliberar tant als teixits, i l’eficiència seria molt baixa.
Si fem un exercici molt intens, necessitem cremar més oxigen. La pressió parcial de l’O2 als teixits disminuirà, per tant l’hemoglobina tindrà menys afinitat per l’O2 i tindrà més tendència a alliberar-ho (i viceversa quan estem en repòs).
EFECTE DEL CO2 I DEL PH (EFECTE BOHR) Recordem que l’hemoglobina unia també CO2 i protons (tot i que a llocs diferents que l’O2). L’afinitat de l’hemoglobina per l’oxigen disminueix quan augmenta la concentració de CO2 i baixa pel pH (deixa l’O2 per agafar protons i CO2).
Una cèl·lula que és metabòlicament activa, consumirà O2 i produirà CO2 i H+, de manera que l’hemoglobina deixarà anar l’O2 (disminueix l’afinitat) i passarà a T State unint CO2 i H+.
Aquest efecte facilita el transport d’O2, ja que l'hemoglobina uneix l’ O2 als pulmons, on el pH és més elevat (pocs H+), i l'allibera als teixits, on la concentració de H+ és més elevada a causa de l'activitat metabòlica (pH més baix), que genera CO2. El CO2, al seu + torn, està en equilibri amb el bicarbonat, segons la reacció CO2 + H2O H2CO3 H + −.
HCO3 Aquesta reacció està catalitzada per enzims presents als glòbuls vermells.
Veiem l’afinitat de l’hemoglobina per l’O2 a pHs diferents. Quan augmenta [H+] (corba blau cel) i per tant baixa el pH i augmenta [CO2], l’afinitat de l’hemoglobina per l’O2 baixa. Per això, als teixits gairebé no hi ha afinitat.
La corba de color lila representa un efecte additiu: es desplaça encara més cap a la dreta per aconseguir el 50% de llocs ocupats, per tant encara necessitem més pressió.
FUNCIONAMENT En l’hemoglobina, l’N-terminal dels grups amino de les subunitats α i el C-terminal de la histidina de la subunitat β participen en les interaccions iòniques. Passen dues coses que afavoreixen el pas de l’estat relaxat al tens: - - Els H+ s’uneixen a una histidina (la HC3, la que mira cap a dalt o cap a baix en funció de l’state). El fet que els H+ s’uneixin a aquesta histidina produeix un canvi conformacional que fa que passi a T State (les histidines es desplacen a l’exterior) i aquest pas a T fa que s’alliberi O2.
El CO2 s’uneix als grups aminoterminals desprotonats de les cadenes de globina, formant unes molècules anomenades carbamats. Això també afavoreix el pas de R State a T State.
o El CO2 regula la unió d'O2 a l'hemoglobina mitjançant la combinació reversible amb els grups amino de l‘N-terminal de les proteïnes de la sang per formar carbamat (grups carbamino). Quan la concentració de CO2 és alta (com en els capil·lars), els protons alliberats per la formació de carbamat promouen l'alliberament d’O2.
Per tant, l’augment de càrregues en els extrems afavoreix la conformació T: amb el CO2, baixa l’afinitat de l’hemoglobina per l’O2 i facilita l’alliberament d’O2 als teixits.
L'efecte Bohr depèn de les interaccions cooperatives entre els grups hemo que formen el tetràmer de l'hemoglobina. Això s'evidencia pel fet que la mioglobina, un monòmer sense cooperativitat, no mostra l'efecte Bohr.
Tot això que es coneix com l’efecte Bohr és una regulació al·lostèrica de l’hemoglobina (és un acoblament recíproc dels protons i l’O2 ).
El CO2 i els H+ són moduladors al·lostèrics negatius de l’hemoglobina mentre que l’O2 és modulador positiu. Aquest alosterisme de l’hemoglobina afavoreix el transport de CO2 i H+ als pulmons i l’oxigenació dels teixits.
El lligand de l’hemoglobina és el O2. Quan el modulador al·lostèric és el mateix que el lligand, s’anomena modulador homotròpic. Quan és diferent que el lligand (CO2 i H) parlem de modulador heterotròpic.
Un altre modulador negatiu de l’hemoglobina és el 2,3 difosfoglicerat, el qual estabilitza la conformació tensa. Se situa a l’interior (espai entre les 4 cadenes de globina en la forma tensa) de la forma tensa, estabilitzant i impedint que s’hi pugui unir O2 i es passi a la forma relaxada. La unió es fa mitjançant interaccions iòniques.
Aquest altre modulador l’adaptació del cos a l’alçada.
participa en En el gràfic veiem que, com més augmenta l’alçada, més disminueix la concentració d’O2, per tant la corba sigmoïdal ha de ser més pronunciada. Això vol dir que les [O2] entre els pulmons i els teixits han de ser suficientment diferents com perquè l’hemoglobina actuï de manera normal.
...