Biochimica

EMOGLOBINA: per quanto riguarda la struttura e la posizione dell’EME, è uguale a quella della

mioglobina, che resta identico per ogni globina che compone l’emoglobina. Tutte le globine, alfa, beta e

tutte le altre globine che compongono durante lo sviluppo embrionale questa molecola complessa

chiamata in maniera generica emoglobina, tutte queste subunità, legano il gruppo EME nello stesso

identico modo (tasca idrofobica, istidina prossimale, istidina distale e struttura tetra-pirrolica

assolutamente piana, per l’elevato grado di insaturazione e per i due elettroni dissociati dal piano

dell’azoto pirrolico). Vediamo le parti proteiche. L’emoglobina è un tetramero costituito da due globine

alfa e due globine beta. La globina alfa è costituita da 141 amminoacidi e avendo un numero più piccolo

di amminoacidi è un po’ diversa rispetto a quella della mioglobina, infatti non ha otto eliche ma ne ha

sette, manca dell’elica D e l’elica H è leggermente più piccola rispetto a quella della mioglobina. La

globina beta è, invece, un po’ più lunga, ha 146 amminoacidi, ha otto eliche (come la mioglobina), perciò

conterrà l’elica D, però come la globina alfa ha una elica H un po’ più corta rispetto alla mioglobina. Le

quattro catene, si assemblano formando una struttura sferica e questo perché le dimensioni spaziali

complessive di questa struttura sono circa 5,5nanometri in tutte le direzioni (cioè 55 A di lunghezza,

larghezza e profondità). Così si formerà una sfera ai cui estremi avrà le globine. La parte interna di questa

sfera, è una struttura cava larga circa 20 A (Stiamo parlando ovviamente della deossiemoglobina, cioè di

una emoglobina che non lega ossigeno). Le globine sono numerate soltanto perché è diversa la loro

posizione, abbiamo in questo caso all’angolo sinistro alfa2, beta1, beta2 e alfa1 (vedere immagine della

slide). Come sono legate queste globine fra di loro? Tra le globine alfa ci sono pochi punti di contatto,

soltanto gli estremi ammino e carbossi-terminale delle strutture alfa prendono contatto tra di loro, infatti

vengono disposte in posizione opposta l’uno rispetto all’altro proprio perché di fatto hanno pochi punti di

contatto tra di loro. Così come le catene beta1-beta2, queste addirittura non hanno nessun punto di

contatto, infatti sono l’uno separate dalle altre. Molto ben diverso il numero di contatto che si può

enumerare tra il protomero, cioè fra il dimero, alfa1-beta1, e fra alfa2beta2. Fra questi dimeri ci sono

tantissimi punti di contatto, molti legami forti (covalenti polari) che interessano 35 residui. Mentre i punti

di contatto tra alfa2-beta1, e tra alfa1-beta2 (cioè tra monomeri dissimili), sono di gran lunga più piccoli,

soltanto 19 contatti che sono prevalentemente deboli (forze di Van der Walls, legami ad idrogeno e pochi

ponti salini). Se noi abbiamo questa sfera in cui due parti di essa sono fortemente legate ma non lo sono

tra di loro, possiamo già immaginare che nell’ipotesi di un cambiamento strutturale dell’emoglobina, che

alfa1-beta1 e alfa2

beta2 restano rigidi e, invece, soltanto alfa2-beta1 quindi la parte superiore di questa sfera e alfa1-beta2

che rappresenta la parte inferiore, potranno ruotare rompendo i 19 punti di contatto. Questi punti di

contatto tra alfa1beta2 e alfa2-beta1, vengono chiamati sliding contacts, cioè contatti scorrevoli, infatti

possono essere modificati, mentre i contatti alfa1-beta1 e alfa2-beta2 sono assolutamente rigidi. Quindi di

questa struttura formata da quattro palle, nella realtà noi possiamo muovere queste palle a due a due,

non tutte e quattro contemporaneamente e in particolare i due protomeri rigidi alfa1-beta2 e alfa2-beta1,

si muovono sui punti di contatto scorrevoli che si trovano tra di loro. In questi punti di contatto le eliche e

i gomiti che sono coinvolti in questi punti di contatto deboli, verosimilmente a causa del cambio di

struttura dell’emoglobina, scivoleranno l’uno rispetto all’altro, ecco perché è importante ricordarsi gli

amminoacidi delle eliche e dei gomiti, perché poi alcuni di questi amminoacidi determineranno una

rotazione nel contatto, costituendo proprio gli sliding contacts. I punti di contatto deboli tra il monomero

alfa2-beta1 e tra i monomeri alfa1-beta2, sono l’elica F quella dove c’è l’istidina prossimale e il gomito FG,

quindi il tratto vicino all’istidina prossimale, di una subunità e l’elica C della subunità adiacente. In questa

struttura perfettamente sferica, i gruppi EME si trovano molto distanti tra di loro, proprio nella parte

esterna di questa sfera, e distano tra di loro di 25 A.

[Riepilogo: In questo momento abbiamo descritto un’emoglobina che è priva di ossigeno che si conforma

in una struttura piuttosto sferica, che ha un largo canale centrale di 20 A, con molti punti di contatto tra

alfa1-beta1 e alfa2beta2, quindi cerniere rigide, inamovibili e pochi punti di contatto tra le subunità alfa2-

beta1 e alfa1-beta2. Questi punti di contatto vedono protagonisti eliche appartenenti naturalmente ad un

subunità o all’altra. Le eliche che prendono contatto in questi slide contacts sono l’elica F e il gomito FG di

una subunità e l’elica C della subunità adiacente.] L’emoglobina che abbiamo descritto, cioè quella

costituita da due catene alfa identiche e due catene beta uguali, di fatto è l’emoglobina adulta, quella che

viene in altri termini chiamata emoglobina A1, quella che già al primo anno di età rappresenta la quota

principale di emoglobina. Però nell’adulto è anche presente una piccola quota di emoglobina differente,

chiamata emoglobina A2 in cui la subunità beta, di fatto, è sostituita da un’altra subunità, chiamata delta.

Quindi nell’adulto circa il 5% dell’emoglobina circolante non è l’emoglobina A1 ma l’emoglobina A2. La

differenza consiste nell’esistenza di queste due catene diverse, ma il significato in termini di affinità per

l’ossigeno e capacità di rilascio di esso ai tessuti, è assolutamente identica. Diversa invece è la condizione

dell’emoglobina fetale, cioè durante l’embriogenesi, l’organismo in evoluzione, sintetizza emoglobine

differenti che durante lo sviluppo sostituiranno le precedenti per poi ad un anno dalla nascita, possedere

in più alta percentuale solo e soltanto l’emoglobina A1. Ad esempio, l’emoglobina fetale, normalmente

viene sintetizzata già in un embrione di tre/quattro mesi, fino al momento della nascita viene chiamata

emoglobina F (emoglobina fetale) che ha identiche catene alfa e diverse catene beta, anzi queste catene

vengono chiamate catene gamma. L’emoglobina fetale ha un’affinità molto alta per l’ossigeno. E così

perché questa emoglobina deve ossigenarsi a livello placentare, cioè quando la pressione parziale di

ossigeno nella realtà è molto bassa e circa 30mmHg. Mentre l’emoglobina adulta a questa pressione

parziale di ossigeno già si svuota di O2 perché è molto poco affine ad essa, invece, l’emoglobina fetale a

questa pressione parziale di ossigeno, risponde catturando l’ossigeno rilasciato dall’emoglobina adulta

della madre, trasportando così questo O2 a livello del feto. Se il feto non avesse un emoglobina talmente

affine per l’ossigeno, non potrebbe portare al suo interno ossigeno e svolgere il metabolismo cellulare

perché a 30mmHg questa emoglobina non lo legherebbe mai l’ossigeno. Quindi a livello fetale è

necessario che l’organismo sviluppi una molecola che è capace di catturare, legare l’O2 proprio a quella

pressione parziale in cui l’emoglobina della madre la rilascia. Riuscendo a capire ciò, si può comprendere

il senso delle emoglobine embrionali. Queste hanno entrambe le globine modificate. L’embrione, qui,

sintetizza un etero-proteina, una globina chiamata emoglobina epsilon o emoglobina di Gower-1 in cui sia

la catena alfa che le catene beta, sono modificate in globine eta e in globine epsilon2. Il significato è

analogo a quello dell’emoglobina fetale, addirittura questa emoglobina embrionale, ha un’affinità ancora

più elevata in confronto a quella fetale proprio perché l’embrione prima di essere trasferito nell’utero,

attecchisce nella tuba dove il sangue arriva e la pressione parziale arriva ancora più bassa di quella che il

feto riceva da parte del cordone ombelicale. Quindi in relazione proprio alla pressione parziale di ossigeno

in cui la cellula (l’elemento embrionale) è costretta a vivere, gli eritroblasti (cellule specializzate nel

produrre l’emoglobina), accendono differentemente i segnali di trasposizione genica per poter, a livello

embrionale sintetizzare l’emoglobina eta ed epsilon, a livello fetale sintetizzare le alfa e le gamma, a

livello adulto finalmente sintetizzare le delta e le beta. Tutte queste proteine vengono elencate in una

tabella in ordine di affinità crescente. La A1 ha l’affinità più bassa, la epsilon a livello embrionale ha

l’affinità più alta. Avere affinità più alta, significa ossigenare, legare l’ossigeno a basse pressioni parziali di

esso.

Confronto strutturale e funzionale tra emoglobina e mioglobina Mettiamo a confronto quali sono le

caratteristiche della mioglobina e dell’emoglobina nel legare la molecola di ossigeno. Entrambe le

proteine sono totalmente differenti, sia dal punto di vista strutturale che da quello funzionale, quando

esse legano l’ossigeno che è il loro ligande ufficiale. Partiamo dal punto di vista strutturale, momento in

cui queste proteine passano da forma deossigenata a forma ossigenata. Gli sperimentatori, in particolare

Peruz, ha compiuto un’osservazione molto banale. Dopo aver purificato e cristallizzato la mioglobina sia in

presenza di O2 che in assenza, ha visto che questi due cristalli erano sostanzialmente identici. Possiamo

dire così che il legame della mioglobina per l’ossigeno, quando si converte da una forma deossigenata ad

una ossigenata, nel suo complesso, macroscopicamente, non cambia assolutamente. Quando invece

compì la stessa osservazione sull’emoglobina in forma deossigenata e in quella ossigenata, si trovò

davanti a due situazioni completamente diverse: il cristallo dell’emoglobina deossigenata era molto

diverso dal cristallo della ossiemoglobina, in termini di dimensioni, il cristallo dell’ossiemoglobina era

molto più piccolo della deossiemoglobina. Questo ha suggerito che il legame dell’ossigeno fa collassare la

struttura che tende a restringere la struttu