Mioglobina

La mioglobina (Mb) è una proteina globulare citoplasmatica che si differenzia dall’emoglobina perché presenta una sola catena polipeptidica di 153 residui amminoacidici che lega un solo gruppo prostetico (eme).

Leggi l’articolo dell’emoglobina dove trattiamo le funzionalità del gruppo eme (link)

La mioglobina è in grado di legare reversibilmente una molecola di ossigeno alla volta con un’affinità superiore rispetto all’emoglobina, ha infatti la funzione di conservare l’ossigeno nei tessuti periferici (in particolare nei muscoli scheletrici e cardiaci) e di rilascialo in caso di ipossia o anossia.

Diversamente dall’emoglobina, la mioglobina, ha un’affinità all’ossigeno superiore e descritta da una curva iperbolica e non sigmoidale.

Curva di saturazione dell’emoglobina adulta, fetale e della mioglobina – By Leticia

Il legame con l’ossigeno dipende esclusivamente dai movimenti molecolari (respirazione) della proteina e non dal legame cooperativo con l’ossigeno. La saturazione della proteina si ha già a basse pressioni parziali di ossigeno.

In questo modo l’emoglobina, una volta raggiunti i tessuti periferici, può trasferire le molecole di ossigeno alla mioglobina che le tratterrà e rilascerà al bisogno.

L’espressione della mioglobina è aumentata nei muscoli sottoposti a contrazioni croniche e nelle persone che vivono in alta quota.

L’emoglobina e l’imbrunimento della carne

Al supermercato chi non ha mai scelto la carne per il suo colore? Una carne dal colore rosso brillante avrà statisticamente più possibilità di essere venduta rispetto ad una carne dal colore meno roseo.

La mioglobina è il principale responsabile della colorazione della carne fresca mentre l’emoglobina contenuta nel sangue viene persa durante il taglio e quindi influisce in minima parte.

Nelle carni fresche la mioglobina può esistere in quattro diverse forme: la ossimioglobina (OxyMb), carbossimioglobina (COMb), deossiemoglobina (DeoxyMb) e metamioglobina (MetMb). Le prime tre presentano uno ione ferroso (Fe2+) mentre la MetMb lo ione ferrico (Fe3+). Le forme OxyMb e COMb sono di colore rosso ciliegia mentre la forma DeoxyMb è violacea e la forma ossidata MetMb, dove l’ossigeno è sostituito da una molecola di acqua, è marroncina. La causa della colorazione brunastra è data quindi dall’ossidazione dell’atomo di ferro che passa da 2+ a 3+.

Myoglobin redox forms in fresh meats. (from Mancini & Hunt 2005)

L’imballaggio e l’addizione di antiossidanti sono le due tecniche principali per prevenire l’imbrunimento delle carni fresche.

MAP

Per la conservazione delle carni si usano imballaggi ad atmosfera modificata MAP (Modified Atmosphere Packaging). Vengono utilizzate atmosfere protettive ad alto contenuto in ossigeno e anidride carbonica e a basso contenuto di monossido di carbonio (inferiore allo 0.4%) e azoto.

Una nuova frontiera delle MAP è l’utilizzo di atmosfere “ricche” in CO (fino all’1%) che prolungano la shelf life (durabilità) fino a 21 giorni rispetto ai 14 giorni dell’atmosfera ricca in ossigeno.

Antiossidanti

Gli antiossidanti possono essere somministrati prima della macellazione o dopo per ridurre al minimo il deterioramento. Sono utilizzati sia antiossidanti naturali tra cui il rosmarino, estratti di semi d’uva o estratti di foglie d’olivo ma sono spesso utilizzati anche antiossidanti sintetici come i lattati, succinati, il piruvato. L’azione di questi antiossidanti varia anche a seconda dell’atmosfera che viene utilizzata nel packaging.

Myoglobin: an essential hemoprotein in striated muscle George A. Ordway, Daniel J. Garry Journal of Experimental Biology 2004 207: 3441-3446; doi: 10.1242/jeb.01172

Myoglobin Chemistry and Meat Color - Surendranath P. Suman and Poulson Joseph - Annual Review of Food Science and Technology 2013 4:1, 79-99

Emoglobina

Introduzione

L’emoglobina (abbreviata Hb) è una proteina appartenente alla classe delle globine e come la maggior parte delle proteine di questa classe, svolge funzione di immagazzinatore di ossigeno. La struttura quaternaria è un tetramero costituito da due catene α di 141 residui ciascuna e di due catene β di 146 residui ciascuna. Sono presenti sia interazioni di tipo idrofobico che ponti idrogeno e coppie ioniche che stabilizzano la struttura quaternaria.

Struttura 3D dell’emoglobina

Ognuna delle quattro catene trasporta un gruppo eme, costituito da una molecola organica complessa (la protoporfirina) che coordina uno ione ferroso (Fe2+). Questo metallo è in grado di formare sei legami di coordinazione: quattro sono utilizzati per legare l’azoto degli anelli pirrolici e altri due perpendicolari alla protoporfirina che legano da un lato un residuo di istidina della proteina e dall’altro lega in modo reversibile una molecola di ossigeno.

Gruppo eme (ione ferroso complessato dalla protoporfirina)

Il ferro è anche il responsabile della colorazione rossa del nostro sangue!

Stati conformazionali

L’emoglobina può esistere in due stati conformazionali differenti: T (tesa) e R (rilassata). Lo stato R ha una maggior affinità per l’ossigeno e quindi sarà la forma prevalente dell’ossiemoglobina. Lo stato T è la conformazione della deossiemoglobina. La transizione tra questi due stati determina una rottura e formazione di nuovi legami ionici.

Stati conformazionali emoglobina – Shuchismita Dutta, David Goodsell
doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_5

Nella forma T il gruppo eme tende ad assumere una forma a cupola dove l’atomo di Fe viene ad essere attratto dall’istidina prossimale, nella forma R il gruppo eme e l’atomo di Fe sono sullo stesso piano. Le due immagini rappresentano uno zoom del gruppo eme rispettivamente nella forma T e R.

La possibilità di modificare il proprio stato di transizione determina una curva di legame all’ossigeno sigmoide. Questo determina una bassa affinità all’ossigeno a basse pressioni parziali e un’alta affinità ad alte pressioni parziali di ossigeno (curva verde).

Funzione metaboliche

L’emoglobina ha un ruolo fondamentale nel trasporto dell’ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici. L’affinità all’ossigeno può spiegare l’azione svolta da questa proteina: la pressione parziale di ossigeno nei polmoni è di circa 13,3 kPa (99,7 mmHg) e l’emoglobina è quasi completamente saturata (lega il massimo numero di molecole di ossigeno) mentre nei tessuti periferici la pressione parziale di ossigeno è 4 kPa (30 mmHg) e qui l’emoglobina cede ossigeno perché la sua affinità è ridotta.

Curva di saturazione dell’emoglobina adulta, fetale e della mioglobina – By Leticia

Il legame cooperativo con l’ossigeno fa aumentare l’affinità della proteina stabilizzandola nella forma R.

Emoglobina fetale

Nello sviluppo fetale l’emoglobina del feto (HbF) svolge un ruolo chiave in quanto è richiesto un elevato numero di molecole di ossigeno per la crescita del feto. Questa emoglobina si differenzia da quella di un adulto (HbA) per le catene β che sono sostituite da due catene γ formando il tetramero α2γ2 più affine all’ossigeno (vedi grafico curva blu).

Effetto Bohr

L’emoglobina è in grado di legare e trasportare anche protoni (H+) o molecole di CO2. Nei tessuti periferici le concentrazioni di anidride carbonica e protoni sono elevate in quanto sono scarti derivanti dal metabolismo cellulare ciò rende la proteina meno affine all’ossigeno che viene ceduto alle cellule bersaglio.

Carbammato terminale della carbamminoemoglobina

Il protone si lega sulle catene laterali dei diversi residui amminoacidici della proteina mentre l’anidride carbonica si lega all’estremità amminoterminale di ciascuna subunità sotto forma di carbammato.

Regolazione da 2,3-bisfosfoglicerato

Il 2,3-bisfosfoglicerato è un modulatore allosterico eterotropico, si lega quindi in un punto diverso dal sito attivo ed è una molecola diversa dal comune substrato della proteina. Questa molecola, legandosi tra le due subunità β, favorisce la conformazione T riducendo l’affinità della proteina all’ossigeno.

Nell’emoglobina fetale, dove le catene β sono sostituite da catene γ, il 2,3-bisfosfoglicerato ha un’affinità minore e questo permette all’HbF di essere più affine all’ossigeno.

Il 2,3-bisfosfoglicerato è utile anche in condizioni di ipossia o di basse pressioni parziali di ossigeno nei polmoni (come ad esempio in alta quota). In questi casi vengono prodotte maggiori quantità di 2,3-BPG che determinano una minima variazione in negativo dell’ossigeno che l’emoglobina riesce a legare nei polmoni ma soprattutto una più marcata diminuzione dell’affinità all’ossigeno a basse pressioni parziali, permettendo all’Hb di cedere più alte quantità di ossigeno nei tessuti periferici.

  • A livello del mare l’emoglobina è saturata a quasi il 100% nei polmoni, mentre nei tessuti periferici circa il 60% quindi è in grado di cedere il 40% di ossigeno.
  • Ad altitudini elevate (circa 4500m) se non ci fosse una variazione di 2,3-BPG l’emoglobina rilascerebbe solo il 30% in quanto a quella quota nei polmoni la pressione parziale di ossigeno è inferiore (circa 7,5 kPa) e quindi l’Hb si satura solo per il 90 % circa
  • Ad altitudini elevate (circa 4500m) con una maggior produzione di 2,3-BPG l’emoglobina riesce a cedere circa il 37% dell’ossigeno perché l’effetto di riduzione dell’affinità è maggiore nei tessuti consentendo il rilascio di quantità maggiori di ossigeno

Regolazione in breve

CambiamentoFattoreEffetto
Aumento diCO2Diminuzione affinità
Diminuzione diCO2Aumento affinità
Aumento diH+Diminuzione affinità
Diminuzione diH+Aumento affinità
Aumento di2,3-BPGDiminuzione affinità
Diminuzione di2,3-BPGAumento affinità
Aumento diTemperaturaDiminuzione affinità
Diminuzione diTemperaturaAumento affinità

L’aumento dell’affinità porta ad uno shift della curva sigmoidea verso sinistra, viceversa una diminuzione porta ad uno shift verso sinistra.

Ti suggeriamo anche: mioglobina

Fonti

Marengo-Rowe A. J. (2006). Structure-function relations of human hemoglobins. Proceedings (Baylor University. Medical Center), 19(3), 239–245. https://doi.org/10.1080/08998280.2006.11928171

May 2003, Shuchismita Dutta, David Goodselldoi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_5

estrazione del resveratrolo

Introduzione: il resveratrolo

Resveratrolo

Il resveratrolo è una molecola polifenolica con spiccata attività biologica. Appartenente alla classe delle fitoalessine stilbeniche:

  • Fitoalessine: molecole antimicrobiche, prodotte dalle piante in risposta all’attacco di un patogeno (batterico o fungino)
  • è un idrossilato dello stilbene (struttura C6-C2-C6)

Il resveratrolo si trova in alte concentrazioni nel Polygonum cuspidatum ma si trova anche nella buccia dell’uva, nel cacao e nelle arachidi.

Questa molecola è impiegata in diversi campi: in alimentazione, come integratore alimentare, in cosmetici e in medicinali per le sue proprietà anti-infiammatorie, anti-ossidanti, antitumorali e con attività cardioprotettrice. Queste proprietà sono più marcate nella forma trans rispetto alla corrispondente forma cis.

Polygonum cuspidatum

Questa pianta è originaria dell’Asia orientale ma presente anche in nord America e Europa, è una pianta infestante con steli cavi che la fanno assomigliare al bambù.

Japanese knotweed (Poligonum cuspidatum)

Questa pianta contiene bassi livelli di trans-resveratrolo ma alti livelli del rispettivo glucoside trans-polidatina, circa 5-8 volte quelli del resveratrolo. Queste molecole sono contenute in dosi maggiori nelle radici ma anche in foglie e nel fusto in dosi minori.

Chemical structures of trans-resveratrol (A) and trans-polydatin (B)

L’idrolisi chimica o enzimatica è utili per convertire la polidatina e ottenere quindi più resveratrolo in forma non gluconata.

Estrazione [1]

Questo metodo di estrazione e purificazione del resveratrolo è basato su diversi processi chimico-fisici: si utilizzerà un’estrazione a ricadere, la filtrazione, l’idrolisi, un’estrazione liquido-liquido e l’eluizione.

  1. Estrazione con etanolo al 95%: ridurre in polvere le radici essiccate (circa 100 grammi) e aggiungere etanolo al 95% in rapporto di 1 : 6 = polvere : etanolo. Lasciare riposare la miscela per 12 ore a temperatura ambiente dopodiché estrarre per 1 ora a ricadere alla temperatura di circa 80°C. Questa procedura deve essere ripetuta per tre volte per massimizzare la resa. Unire le tre soluzioni estratte e far evaporare il solvente in un evaporatore rotante sotto vuoto a 65°C.
  2. Dissoluzione in acqua e filtrazione: mettere la polvere ottenuta nel punto precedente e acqua distillata in rapporto di 1:30 in un recipiente sigillato, attraverso un bagno ad ultrasuoni per 20 minuti a 50°C favorire la dissoluzione. Filtrare immediatamente dopo a bassa pressione.
  3. Idrolisi: in questo passaggio la polidatina deve essere idrolizzata a resveratrolo utilizzando acido cloridrico fino ad ottenere una soluzione a pH=1 e scaldare a bagnomaria per 8 ore a ricadere ad una temperatura di 75°C
  4. Estrazione liquido-liquido: in un imbuto separatore unire la soluzione acquosa ottenuta nel punto precedente in pari volume con un solvente di estrazione come il metil terz-butil etere. Ripetere l’estrazione con solvente per tre volte e recuperare la fase organica.
  5. Eluizione: per rimuovere le impurità aggiungere in un imbuto separatore la fase organica e una soluzione acquosa alcalina con pH 8-9 come bicarbonato di sodio al 5% in rapporto 1:1 per almeno due volte, valori di pH superiori a 10 possono ridurre drasticamente la quantità di resveratrolo ottenuto. Eliminare il solvente a basse pressioni.

Analisi HPLC e resa

Per valutare ogni tappa dell’estrazione e valutare la purezza del prodotto finale si può ricorrere alla tecnica dell’HPLC. L’articolo citato riporta un’analisi ad ogni step:

Cromatogramma HPLC . (A) Cromatogramma dell’estratto con etanolo al 95%, (B) and (C) cromatogrammi dei residui acquosi dopo le filtrazioni, (D) cromatogramma della fase acquosa dopo idrolisi per 6 ore. Picco 1polidatina, 3 resveratrolo, 4 emodina, 2 e 5 componenti non note. LINK

Utilizzando questa procedura di estrazione si avrà una resa maggiore di 0.90g/100g con un contenuto di resveratrolo pari a circa il 73.8%

Fonti e letture consigliate

[1] Dong-Geng Wang, Wen-Ying Liu, Guang-Tong Chen "A simple method for the isolation and purification of resveratrol from Polygonum cuspidatum", Journal of Pharmaceutical Analysis, Volume 3, Issue 4, 2013, Pages 241-247, ISSN 2095-1779, https://doi.org/10.1016/j.jpha.2012.12.001.
[2] Yu SH, Zha JP, Zhan WH, Zhang DQ. [Contents comparison of resveratrol and polydatin in the wild Polygonum cuspidatum plant and its tissue cultures]. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi. 2006 Apr;31(8):637-41. Chinese. PMID: 16830819.

DrugBank – Link

Baur, Joseph A, and David A Sinclair. “Therapeutic potential of resveratrol: the in vivo evidence.” Nature reviews. Drug discovery vol. 5,6 (2006): 493-506. doi:10.1038/nrd2060
Price, Nathan L et al. “SIRT1 is required for AMPK activation and the beneficial effects of resveratrol on mitochondrial function.” Cell metabolism vol. 15,5 (2012): 675-90. doi:10.1016/j.cmet.2012.04.003