Biochimie

Tema Biochimie.

Structura cuaternara a proteinelor. Exemplu: hemoglobina; functia biologica a hemoglobinei.

23 Mai 2011

Cuprins

Introducere 3

Hemoglobina 3

Rolul hemoglobinei 4

Complexarea liganzilor 5

Modificarea structurala a hemoglobinei in prezenta oxigenului 6

Bibliografie 7

Introducere

Aceasta reprezinta nivelul de organizare cel mai inalt al proteinelor si este rezultatul interactiunilor dintre catenele polipeptidice independente, fiecare cu structura sa primara, secundara si tertiara caracteristica.

Multe proteine au multiple subunitati de polipeptide. Asocierea lanturilor polipeptidice poate servi la diverse functii. Multe proteine formate din mai multe subunitati au roluri regulatorii; imbinarea moleculelor mici poate afecta interactiunea dintre subunitati, provocand schimbari mari in activitatea proteinei la schimbari mici de concentratie ale moleculelor cu rol de reglare. In alte cazuri, subunitati separate pot lua alte roluri precum cataliza. Unele asocieri ca proteinele fibroase servesc unor roluri structurale primare. Unele ansambluri mari de proteine sunt locul unor reactii complexe in mai multi pasi. Un exemplu este ribozomul, locul de sinteza al proteinelor, care incorporeaza zeci de subunitati proteice impreuna cu molecule de ARN.

O proteina formata din mai multe subunitati se numeste multimer. Aceste proteine multimere pot avea de la doua la sute de astfel de subunitati. Un multimer cu cateva subunitati se numeste oligomer si nuitatile identice poarta denumirea de protomer.

Acest nivel de organizare, structura cuaternala, descrie numarul si pozitia relativa a subunitatilor in proteina multimera.

Asamblarea protomerilor, strucutra cuaternala, se realizeaza numai prin forte slabe necovalente

Hemoglobina

Prima proteina oligomera pentru care a fost determinata structura tridimensionala a fost hemoglobina - pigment rosu cu rol respirator (M = 64.500) care contine patru lanturi polipetidice (componenta proteica) si patru grupari prostetice - hemul , in care atomii de fier se afla in starea feroasa (Fe2+). (Fig. 1)

Fig. 1. Hemul. Aceasta grupare este prezenta in mioglobina, hemoglobina, citocrome si alte hemo proteine. a) Hemul este format dintr-un complex organic in forma de inel numita protoporfirina, de care este legat un atom de fier in starea Fe2+ . Atomul de fier are sase legaturi de coordinare, patru in plan si doua perpendiculare. b) in mioglobina si hemoglobina, una din legaturile perpendiculare este legata de un atom de azot al unui rest de histidina. Celalat este deschis si serveste ca loc de legatura cu o molecula de O2

Portiunea proteica, numita globulina, este formata din doua lanturi ? (141 resturi fiecare) si doua lanturi ? (146 resturi fiecare). Deoarece hemoglobina este o molecula mare, a fost nevoie de mult timp si efort pentru a stabili structura tridimensionala a acesteia, realizata de Max Perutz, John Kendrw si colegii lor in 1959. Subunitatile hemoglobinei sunt aranjate in parti simetrice (figura 2), fiecare parte avand o subunitate ? si ?. Hemoglobina poate fi descrisa asftel ca un tetramer sau un dimer de protomeri ??.

Fig. 2. Structura cuaternala a deoxihemoglobinei. Analiza difractionara de raze X a deoxihemoglobinei (hemoglobina fara legatura cu molecula de oxigen a hemului) arata cum cele patru polipeptide sunt impachetate impreuna. a) reprezentare tip panglica. b). modelul spatial. Subunitatile alfa sunt reprezentate in gri si albastru deschis, cele beta in roz si albastru inchis. Gruparile hemo sunt reprezentate cu rosu

Rolul hemoglobinei

Oxigenul este slab solubil in solutii apoase si nu poate fi transportat catre tesuturi in cantitati suficiente prin simpla dizolvare in sange. Difuzia oxigenului prin tesuturi este de asemenea ineficienta pe o distanta mai mare de cativa milimetrii. Evolutia animalelor mari, multiceulare depinde de evolutia proteinelor care pot transporta si stoca oxigen. Cu toate acestea, nici unul din aminoacizii din proteine nu este potrivit pentru legarea reversibila a moleculelor de oxigen. Acest rol este indeplinit de anumite metale tranzitionale printre care Fe si Cu, care au o puternica tendinta de a lega oxigenul. Organismele multicelulare exploateaza proprietatilor acestor metale, cel mai uzual fiind fierul, pentru transportul oxigenului. Cu toate acestea, fierul liber produce formarea specilor de oxigen inalt reactive cum ar fi radicalii hidroxili care pot provoca daune ADN-ului si altor macromolecule. Fierul folosit in celule este legat in diverse forme care il fac mai putin reactiv. In organismele multicelulare fierul este incorporat intr-o grupare prostetica legata de proteine numita grupare hemo. Aceasta grupare este formata dintr-un complex organic, protoporfirina de care este legat un singur atom de Fe2+ (Fig. 1)

Aproape tot oxigenul purtat de sange in animale este legat si transportat de hemoglobina in eritrocite (celule rossii). Eritrocitele umane sunt mici (6-9 micrometrii in diametru).

Functia principala a acestor celule este aceea de a cara hemoglobina care este dizolata in citosol la o concentratie foarte mare (~34%).

In sangele arterial ce trece de la plamani prin inima la tesuturile periferice, hemoglobina este aproximativ 96% saturata cu oxigen. In sangele venos ce se intoarce la inima, aceasta este saturata in proportie de 64%.

Complexarea liganzilor

Atunci cind oxigenul se leaga de ionul de Fe, are loc o contractie a atomului de Fe determinind mutarea in interioriul planului porfirinic, concomitent cu indepartarea de atomul de oxigen si apropierea de restul histidinic. La hemoglobina umana legarea oxigenului este de tip cooperativ. Hemoglobina are afinitate pentru oxigen, afinitate crescuta de saturarea moleculei cu oxigen; primul atom de oxigen legat influenteaza forma site-ului de legare pentru urmatorul atom. Acest lucru este posibil, cind datorita oxigenarii hemoglobinei, subunitatile proteice ale acesteia sufera modificari, modificari ce se traduc prin schimbari in intregul complex hemoglobinic determinind ca altor subunitati sa le creasca afinitatea pentru oxigen.

Legarea oxigenului de hemoglobina este scazuta in prezenta monoxidului de carbon, deoarece acesta intra in competitie pentru site-urile de legare, monoxidul legindu-se de preferinta in aceleasi locuri ca si oxigenul. Dioxidul de carbon are un alt situs de legare, neafectind formarea complexului HbO. Sub infleunta anhidrazei carbonice, dioxidul de carbon se scindeaza in acid carbonic instabil care se descompune imediat punind in libertate ionul carbonat HCO3- si un proton H+.

CO2 + H2O -> H2CO3 -> HCO3- + H+

Monoxidul de carbon afecteaza legarea oxigenului de hemoglobina, datorita afinitatii de circa 200 de ori mai mare fata de oxigen. Acest lucru este tradus prin aceea ca o cantitate extrem de mica de CO (provenit de exemplu din fumul de tigara, esapamentul automobilelor), reduce foarte mult capacitatea de legare a O2 de catre hemoglobina. Monoxidul formeaza carboxihemoglobina, un compus extrem de stabil, de culoare rosu stralucitor. Asemanator cu monoxidul de carbon se comporta si ionii CN- (cian), SO (monoxidul de sulf), NO2 (dioxid de azot), S2- (sulfit). Toti acesti compusi manifesta afinitate crescuta pentru ionul de Fe de care se leaga fara a-i schimba starea de oxidare, si mai grav neinhibind legarea oxigenului, determinind intoxicatii grave. Oxidarea Fe2+ la Fe2+ deteremina conversia hemoglobinei la hemiglobina sau methemoglobina, compus care nu poate lega oxigenul. In singele normal hemoglobina este protejata printr-un sistem reducator de aceasta transformare. Insa anumiti anioni de tipul oxidului nitros N2O, sau dioxidului de NO2, sunt capabili sa transforme o fractie foarte mica de hemoglobina in methemoglobina, acest lucru neavind importanta medicala (NO2 este nociv prin alt mecanism, in timp ce N2O este folosit in anestezii de scurta durata, ceea ce nu permite afectarea hemoglobinei. La populatiile aclimatizate la inaltimi mari concentratia de esterului glicerin-2-3-difosfat sanguin este mult crescuta, ceea ce permite transportul unor cantitati mai mari de oxigen la nivelul tesuturilor in conditiile unei presiuni a oxigenului scazuta.

Modificarea structurala a hemoglobinei in prezenta oxigenului

Analizele de raze X au aratat doua conformatii ale hemoglobinei: R si T (Fig. 3). Desi oxigenul se leaga de hemoglobina in oricare din cele doua stari, are o afinitate mai mare pentru hemoglobina in starea R. Legarea oxigenului stabilizeaza starea R. Cand oxigenul este absent, starea T este mai stabila si este conformatia predominanta a deoxihemoglobinei.

T si R provin de la cuvintele ,,Tensionat" si ,,Relaxat", deoarece starea T este stabilizata de un numar mai mare de perechi de ioni. Legarea O2 la hemoglobina in starea T declanseaza o schimbare de conformatie an starea R. Cand intreaga proteina se afla sub aceasta tranzitie, structura subunitatilor individuale se schimba putin, dar perechile de subunitati ?? aluneca una sub alta si se rotesc, ingustand spatiul dintre subunitatile ?.

In acest proces, anumite perechi de ioni care stabilizeaza starea T sunt rupte si unele noi sunt formate.

Fig. 3. a) Tranzitia T-R. b)schimbarile de conformatie langa hem la legarea oxigenului de deoxihemoglobina

1. David L. Nelson, "Lehninger Principles of biochemistry", 2004

2. Lodish, "Molecular cell biology", 2003

3. http://ro.wikipedia.org/wiki/Hemoglobina