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

Mioglobina


Molecola del mese di gennaio 2000
La mioglobina è stata la prima proteina di cui è stata determinata la struttura, fissa l'ossigeno che deve essere usato nei muscoli

La prima proteina
Qualsiasi discussione sulla struttura delle proteine deve cominciare necessariamente con la mioglobina, perch stata la prima proteina di cui si è determinata la struttura.
John Kendrew e il suo gruppo, dopo anni di intenso lavoro, hanno determinato la struttura atomica della mioglobina ponendo cos le fondamenta per una nuova era di comprensione della biologia.
Questa struttura storica è mostrata nelle due immagini qui a fianco e qui sotto (file PDB 1mbn). 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 una proteina piccola e rossa. molto comune nelle cellule muscolari e d alla carne il caratteristico colore rosso. Il suo compito immagazzinare ossigeno O
2, 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, mostrata in rosa nelle due figure qui sopra e a lato. Ha un foro al centro dove lega un atomo di ferro (arancione) ed è questo che riesce a legare l'ossigeno O2. In realtà, in questa molecola, il ferro dell'eme non sta legando i due atomi di ossigeno della molecola O2, ma lega un singolo atomo di ossigeno (rosso) di una molecola d'acqua. Questo è comunque sufficiente per darci un'idea della posizione che assume O2 quando si lega all'eme.
Il gruppo eme si trova in una tasca sottile e profonda sul fianco della proteina, trattenuto in posizione da due istidine (amminoacidi con un anello a cinque atomi con due atomi di azoto blu) disposte una sopra e l'altra sotto il ferro.






Rappresentare le strutture
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 inventare 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
La mioglobina di John Kendrew (file PDB 1mbn) è stata ottenuta 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 30 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 (file PDB 1pmb) con quella di balena (file PDB 1mbn) si nota che sulla seconda ci sono state alcune 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 dell'ossigeno biatomico O2 legato al ferro, ha una molecola di acqua visibile come una sfera rossa sopra il ferro dell'eme nell'immagine iniziale.
Qui sotto è mostrata una struttura più recente di mioglobina (file PDB 1mbo) che contiene invece ossigeno O2 (rosso).
Confrontate le due figure.
Nella prima figura, la catena proteica della mioglobina è rappresentata con un nastro, e quindi si può vedere facilmente l'ossigeno O
2 (rosso) legato all'atomo di ferro (arancione) al centro del gruppo eme.
Ma quando, come nella seconda figura, sono rappresentati anche tutti gli atomi della proteina, l'ossigeno scompare, nascosto all'interno della tasca.
Come può l'ossigeno entrare e uscire, se è totalmente circondato dalla proteina? In realtà, la mioglobina (come tutte le molecole) non è mai ferma, ma compie piccoli movimenti di espansione, contrazione e torsione. Aperture provvisorie appaiono e scompaiono in continuazione e permettono all'ossigeno di entrare e uscire. La struttura mostrata qui è soltanto un'immagine istantanea della proteina, realizzata quando questa è nella forma ermeticamente chiusa. La vera struttura della 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 che regolano la struttura e la stabilità delle proteine.
Per esempio si è visto che quando la proteina si ripiega per assumere la struttura globulare, gli amminoacidi con catene idrocarburiche apolari si nascondono all'interno della struttura allontanandosi dall'acqua (immagine qui sotto a sinistra).
Invece gli amminoacidi con catene laterali polari o cariche elettricamente sono quasi sempre in superficie rivolti verso l'anbiente acquoso esterno (immagine qui sotto a destra).
Talvolta formano ponti salini tra gruppi con carica opposta acidi e basici come i quattro evidenziati in figura con asterischi tra una lisina e un acido glutammico.



E' anche interessante osservare più da vicino la struttura del gruppo eme. E' composto da quattro anelli pirrolici uniti tra loro, ognuno con l'atomo di azoto blu rivolto verso il ferro al centro. Sopra e sotto vi sono due amminoacidi di istidina che con il loro anello, che contiene due atomi di azoto blu, si avvicinano molto al ferro dell'eme. L'istidina superiore (distale, la più distante) lascia appena lo spazio per la molecola di ossigeno O2 che si lega obliquamente sul ferro. Per confronto si vedano le molecole del mese emoglobina (mdm 5/2003) e emoglobina s-nitrosilata (mdm 5/2019).

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Spunti per ulteriori esplorazioni
Usate lo strumento "sequence comparison" per allineare le sequenze di mioglobine diverse, per individuare eventuali mutazioni. per esempio, qui trovate l'allineamento delle mioglobine di balena e maiale che sono state usate per questo articolo.
La struttura PDB 2jho include una mioglobina avvelenata con cianuro. Troverete che il cianuro blocca il normale sito di legame per l'ossigeno.

Bibliografia
1mbn: J. C. Kendrew, R. E. Dickerson, B. E. Strandberg, R. G. Hart, D. R. Davies, D. C. Phillips & V. C. Shore (1960) Structure of Myoglobin. Nature 185, 422-427.
J. C. Kendrew (1961) The three-dimensional structure of a protein molecule. Scientific American 205(6), 96-110.
1mbo: S. E. Phillips (1980) Structure and refinement of oxymyoglobin at 1.6 A resolution. Journal of Molecular Biology 142, 531-554.
1pmb: S. J. Smerdon, T. J. Oldfield, E. J. Dodson, G. G. Dodson, R. E. Hubbard & A. J. Wilkinson (1990) Determination of the crystal structure of recombinant pig myoglobin by molecular replacement and its refinement. Acta Crystallographica B, 46, 370-377.
S. Mirceta, A. V. Signore, J. M. Burns, A. R. Cossins, K. L. Campbell & M. Berenbrink (2013) Evolution of mammalian diving capacity traced by myoglobin net surface charge. Science 340, 1234192.

 

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