La funzione delle proteine

Abbiamo parlato delle proteine quando abbiamo discusso delle biomolecole (Introduzione alle biomolecole). Oggi andremo a descrivere la funzione delle proteine.

Funzione delle proteine

Le proteine sono biomolecole che svolgono svariate funzioni nel nostro organismo, da funzioni plastiche a funzioni regolative. Difatti le proteine formano gli enzimi, i tessuti e gli ormoni; per cui hanno grande importanza.

Le proteine sono molecole dinamiche le cui funzioni dipendono dalle interazioni con altre molecole. Queste interazioni sono influenzate da variazioni conformazionali delle proteine.

Le interazioni molecolari per la funzione delle proteine si basano sui seguenti punti:

1. la funzione di una proteina richiede il legame reversibile di altre molecole. La molecola unita reversibilmente alla proteina si chiama ligando. La natura transitoria di queste interazioni permette all’organismo di rispondere rapidamente e reversibilmente alle variazioni ambientali.
2. Le proteine sono flessibili, le modificazioni conformazionali sono essenziali per la funzione della proteina.
3. Il legame tra proteina e ligando causa una modificazione conformazionale della proteina che rende il sito di legame più complementare al ligando.

Un esempio di legame reversibile: mioglobina ed emoglobina

L’ossigeno è poco solubile in acqua e non può essere trasportato ai tessuti se è disciolto nel plasma, ha quindi bisogno di legarsi a dei trasportatori.

Mioglobina ed emoglobina sono due particolari tipi di proteine in grado di legare l’ossigeno. La mioglobina è una proteina che appartiene alla famiglia delle globine, è presente nel tessuto muscolare e facilita la diffusione dell’ossigeno al muscolo. L’emoglobina è presente negli eritrociti e trasporta l’ossigeno in tutto il corpo. Il loro legame viene detto reversibile in quanto esse sono in grado di legare e rilasciare le molecole quando necessario.

Le catene laterali degli aminoacidi delle globine non sono in grado di legare reversibilmente l’ossigeno, questo ruolo spetta quindi a due metalli in particolare: il ferro e il rame.

Il ferro è incorporato nel gruppo prostetico legato ad una proteina chiamato eme. L’eme è costituito da una struttura organica chiamata protoporfirina, a cui è legato un atomo di ferro nello stato di ossidazione ferroso (Fe²⁺). L’atomo di ferro ha sei legami, quattro di essi sono legati agli atomi di azoto dell’anello porfirinico che impediscono la conversione dello stato del ferro da ferroso a ferrico (Fe³⁺). Il ferro nello stato ossidato Fe³⁺ non è in grado di legare l’ossigeno.

Come funziona l’emoglobina

L’emoglobina lega l’ossigeno nei polmoni dove la pressione del gas è circa 13,3 kPa, e rilascia ossigeno ai tessuti dove la pO₂ è di 4 kPa. Una proteina con alta affinità si saturerà facilmente nei polmoni, ma non libererà molto ossigeno ai tessuti, mentre una proteina con bassa affinità farà il contrario. L’emoglobina risolve questo problema grazie ad una transazione da stato di bassa affinità (stato T) ad uno ad alta affinità (stato R).

Il legame ad una delle subunità dello stato T innesca una variazione conformazionale che converte la subunità nello stato R. Il legame dell’ossigeno ad una delle subunità dell’emoglobina modifica l’affinità per l’O² delle subunità adiacenti. La prima molecola di ossigeno che interagisce con l’emoglobina si lega debolmente in quanto è legata ad una subunità T. Questo legame determina una modifica conformazionale che rende più facile l’interazione con altre molecole di ossigeno.

Questo descritto è un esempio di proteina allosterica, dove il legame con il ligando ad un sito modifica le proprietà di un altro sito sulla stessa molecola. Quando il ligando è anche un modulatore, l’interazione viene detta omotropica; se il modulatore è diverso dal ligando l’interazione viene detta eterotropica.

L’emoglobina trasporta altre molecole

L’emoglobina è in grado di trasportare anche due prodotti finali della respirazione cellulare, H⁺ e CO₂. La CO₂ prodotta viene idratata in forma di bicarbonato dall’enzima anidrasi carbonica, abbondate negli eritrociti, secondo la reazione:

CO₂ + H₂O ↔ H⁺ + HCO₃

Il legame dell’ossigeno all’emoglobina è influenzato dal pH e dalla concentrazione di CO₂. Nei tessuti periferici in condizioni di pH basso ed elevata CO₂ , l’affinità dell’ossigeno per l’emoglobina diminuisce man mano che H⁺ e CO₂ si legano e O₂ viene rilasciato nei tessuti. Al contrario quando la concentrazione dell’ossigeno è elevata come nei polmoni, l’emoglobina lega l’ossigeno e rilascia i protoni.

Protoni e ossigeno non si legano sullo stesso sito, come scritto sopra l’ossigeno si lega agli ioni ferrosi del gruppo eme, mentre lo ione H⁺ alle catene laterali degli aminoacidi della proteina.

L’emoglobina trasporta ai polmoni e ai reni il 40% degli ioni H⁺ totali e il 20% della CO₂. Gli ioni H⁺ rimanenti sono tamponati dal bicarbonato del plasma e la CO₂ viene trasportata sotto forma di HCO₃ e CO₂ disciolta.