Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Mioglobina


Molecola del Mese di Gennaio 2000

La Prima Struttura di una Proteina
Qualsiasi discussione sulla struttura delle proteine deve cominciare necessariamente con la mioglobina, perché è stata veramente la mioglobina il punto di partenza per la scienza della struttura delle proteine.
John Kendrew e il suo gruppo, dopo anni di intenso lavoro, hanno determinato la struttura atomica della mioglobina ponendo così le fondamenta per una nuova era di comprensione della biologia.

 

La prima immagine mai ottenuta della struttura di una proteina è disponibile negli archivi PDB con il codice 1mbn ed è mostrata qui a fianco. Se osservate nel dettaglio questa molecola, ne rimarrete affascinati, proprio come lo fu il mondo nel 1960, nel vedere per la prima volta il meraviglioso intreccio di una proteina.




 

Mioglobina e Muscoli
La mioglobina è una proteina piccola e rossa. È molto comune nelle cellule muscolari e dà alla carne il suo caratteristico colore rosso. Il suo compito è immagazzinare ossigeno, che viene usato quando i muscoli devono contrarsi intensamente. Per fare questo usa uno strumento chimico molto particolare, il gruppo eme, che le consente di catturare le sfuggenti molecole di ossigeno. L'eme è una molecola a forma di disco, evidenziata in rosso nelle figura qui sopra, ha un foro al centro dove lega un atomo di ferro ed è questo che riesce a legare l'ossigeno O2. In realtà, nella molecola qui sopra è presente un solo ossigeno (piccola sfera rossa) sotto l'atomo di ferro (sfera rossa più grossa), infatti la struttura imbn lega solo acqua nella posizione che che dovrebbe contenere O
2.
Come potete vedere nella figura, il gruppo eme è legato strettamente in una tasca profonda sul fianco della proteina.


Rappresentare le Strutture Proteiche

Quando è stata risolta la struttura della mioglobina, agli scienziati si è posto un problema molto complesso. La struttura era così grande che hanno dovuto inventate nuovi metodi per rappresentarla in modo soddisfacente. John Kendrew ha costruito un grande modello di fil di ferro della mioglobina basandosi sui dati sperimentali di densità elettronica. Poi è stato dato l'incarico ad un artista, Irving Geis, di realizzare un'immagine della mioglobina. Egli ha realizzato l'immagine mostrata qui a destra che è stata usata per illustrare un articolo su Scientific American. La grafica 3D computerizzata sarebbe stata inventata solo molti anni dopo, quindi egli ha dovuto creare questa immagine completamente a mano.












Mioglobina e Balene

Se si esamina il file PDB 1mbn di John Kendrew, si può vedere che la mioglobina che ha usato è stata presa dai muscoli spermatici di balena. Balene e delfini hanno un grande bisogno di mioglobina per poter immagazzinare più ossigeno per le loro profonde immersioni sottomarine. Le balene hanno una quantità di mioglobina circa trenta volte maggiore degli animali terrestri. Uno studio recente ha rivelato che per accumulare tutta questa mioglobina hanno dovuto modificarne leggermente la struttura. Confrontando la mioglobina di maiale (codice PDB 1pmb) con quella di balena (codice PDB 1mbn) si nota che sulla seconda ci sono state più mutazioni che hanno introdotto amminoacidi carichi positivamente sulla superficie (evidenziati nella figura con un asterisco). Gli animali marini hanno bisogno di queste cariche positive in più sulla superficie della loro mioglobina per creare forze repulsive tra le molecole vicine ed impedire così che la grande concentrazione di mioglobina ne causi l'aggregazione.

Ossigeno Legato alla Mioglobina
La struttura originale della mioglobina determinata da John Kendrew al posto di una molecola di ossigeno biatomico O2 legata al ferro, ha una molecola di acqua visibile come una piccola sfera rossa sotto il ferro dell'eme nell'immagine iniziale.
Una struttura di mioglobina ottenuta successivamente, (mostrata nelle due figure qui a fianco, codice PDB 1mbo), contiene invece ossigeno O2 (ciano).
Confrontate le due figure.
Nella seconda la catena proteica della mioglobina (rosa) è rappresentata come un insieme di tubi sottili, e quindi si può vedere facilmente l'ossigeno O
2 (ciano) legato all'atomo di ferro al centro del gruppo eme (rosso).
Ma quando, come nella prima figura, sono rappresentati anche tutti gli atomi della proteina, l'ossigeno scompare, nascosto all'interno della struttura.
Come può l'ossigeno entrare e uscire, se è totalmente circondato dalla proteina? In realtà, la mioglobina (come tutte le altre proteine) è continuamente in movimento e compie piccoli piegamenti di espansione e contrazione. Aperture provvisorie appaiono e scompaiono continuamente e permettono all'ossigeno di entrare e uscire. La struttura mostrata qui è soltanto un'immagine istantanea della proteina, realizzata quando questa è in una forma ermeticamente chiusa. La vera struttura di una proteina, invece, è dinamica, ma questi movimenti li possiamo solo immaginare.

Esplorando la Struttura


 























La struttura atomica della mioglobina ha rivelato molti dei principi base della struttura e della stabilità delle proteine. Per esempio si è visto che quando la proteina si ripiega per assumere la sua struttura globulare, gli amminoacidi con catene idrocarburiche apolari si nascondono all'interno della struttura allontanandosi dall'acqua. Invece gli amminoacidi con catene laterali polari o cariche elettricamente sono quasi sempre in superficie rivolti verso l'anbiente acquoso esterno. Talvolta formano ponti salini tra gruppi con carica opposta acidi e basici (evidenziati qui nei cerchi)