Biochimica

Dobbiamo capire quali sono questi otto legami covalenti, perché? Perché quanto più forti sono questi

legami,tanto più difficile sarà per la proteina ossigenarsi, perché se il legame con l’ossigeno riesce a

convertire una struttura compatta in una struttura rotta, quanto più sono stabili questi legami covalenti,

tanto più difficile sarà questo passaggio, e poichè abbiamo capito che la cooperatività dell’emoglobina

altro non è che questo passaggio cioè favorire il legame dell’ossigeno con il ferro, questo è possibile

soltanto dopo che io modifico la struttura di tutte e 4 le globine, e siccome è necessario sicuramente

facilitare il passaggio da una forma compatta ad una forma rotta per potere consentire alla molecola di

legare l’ossigeno con alta affinità, tutto ciò che stabilizza i ponti salini tra le subunità contrasta

enormemente con la modifica conformazionale subita dall’anello tetrapirrolico.

Riprendiamo allora il concetto di cooperatività alla luce di queste informazioni che abbiamo, e cioè che le

modifiche strutturali del gruppo eme, a causa del legame con l’ossigeno causano gli avvenimenti prima

descritti , soprattutto nelle interfacce tra le subunità alfa e le subunità beta; naturalmente queste

modifiche dell’assetto elettronico del ferro che da paramagnetico diventa diamagnetico con il

trascinamento dell’istidina dell’elica F e del gomito FG avviene esattamente anche per la mioglobina,

questo processo è esattamente identico, la differenza sta che queste modifiche dell’elica F e del gomito

FG non verranno trasmesse a nessun altra elica C di nessun altra globina perché la proteina è

monomerica, quindi come vediamo mentre questa variazione elettronica per l’emoglobina rappresenta

una modifica strutturale e funzionale enorme, proprio perché tetramerica, la stessa modifica sulla

mioglobina non produce alcuna variazione funzionale significativa. Allora la cooperatavità

dell’emoglobina, abbiamo quindi capito si gioca tutta sulla conversione di una struttura deossi rigida in cui

il ferro sta fuori dal piano dell’eme, in cui i contatti FG elica C tra le varie subunità sono forti, ed una

struttura in cui, a seguito all’ossigenazione del ferro, questa modifica conformazionale e strutturale si è di

fatto vendicata. Allora la prima struttura, la deossiemoglobina, viene chiamata struttura T cioè tesa dove

per tesa significa ricca di legami, di ponti salini tra i protomeri alfa2 beta2 e alfa1 beta1, mentre la forma

R cioè rilassata è data da una struttura proteica in cui queste modifiche conformazionali sono già

avvenute e non è necessario che tutti e 4 i siti di legame per l’ossigeno siano saturati perché la forma T si

trasformi in forma R, perchè le 4 catene sono interconnesse tra di loro è sufficiente che questa modifica

conformazionale di questa struttura elettronica avvenga su una sola globina perché questa modifica

possa essere già trasmessa alle subunità adiacenti ancora prive di ossigeno, di conseguenza dobbiamo

immaginare che la conversione tra la struttura T ed una R non coinvolga una molecola totalmente priva di

ossigeno con una molecola totalmente ricca di ossigeno, e questa conversione avviene già quando poche

molecole di ossigeno hanno legato l’eme senza necessariamente essere presenti in tutte e 4 le subunità,

cosa varia nelle subunità adiacenti? Varia il fatto che la modifica avvenuta nella prima globina e che si

trasmette alle subunità ad esse adiacenti conformano una struttura alla globina adiacente già meglio

predisposta a ricevere l’ossigeno, perché tutte quelle modifiche alla subunità che sono state indotte dall’

iniziale legame di ossigeno sono già trasmesse alle subunità adiacenti, anche se queste ancora non hanno

legato ossigeno; quindi già la valina E11 nelle subunità beta è stata spostata dalla modifica strutturale

che ha subito la subunità alfa ad essa adiacente, così come i ponti salini si troveranno già rotti nella

proteina, che è solo parzialmente saturata, infatti l’impennata dell’affinità della molecola per l’ossigeno,

quindi la facilità a legare l’ossigeno, avviene in un range di pressioni parziali di ossigeno che non è quella

polmonare, che non è quella saturante, è di solito più bassa di conseguenza in prossimità di quelle

pressioni parziali di ossigeno dove già la proteina ha cambiato totalmente la sua struttura e legherà di

conseguenza l’ossigeno con maggiore facilità e quindi con maggiore affinità. La transizione tra la struttura

T e la R dipende dal fatto che può avvenire a condizioni in cui l’emoglobina non ha tutti e 4 i siti di legami

occupati, ma è una transizione che parte dall’iniziale legame dell’ossigeno in una subunità, perché questa

in automatico si trasmette obbligatoriamente a tutte le altre.

Come si spiega allora questa curva sigmoidale dell’emoglobina? Allora, a basse pressioni parziali di

ossigeno noi dobbiamo immaginare che l’ossigeno si lega alla globina, ma con estrema difficoltà; quindi

siccome il legame è in equilibrio, io devo immaginare che a basse pressioni parziali di ossigeno questo

legante si trova spostato più verso la forma libera che verso la forma legata, via via che aumenta

pressione parziale di ossigeno una quota percentualmente maggiore di ossigeno tenta di legarsi

all’emoglobina, ma con altrettanta probabilità si separa da essa, quindi la costante di equilibrio è sempre

verso la forma libera. Perché l’ossigeno tenta di spostarsi nella forma libera? Perché si lega al ferro,

abbiamo questa variazione elettronica ma la quantità di ossigeno legato alla struttura dell’emoglobina

non è ancora sufficiente a far variare la conformazione cooperativa della rottura dei ponti salini, quindi

questo ossigeno si lega al ferro, il raggio ionico diminuisce, il ferro tenta di entrare al centro dell’anello

tetrapirrolico, ma c’è ancora l’istidina che oppone resistenza in questa transizione, fino a quando la

quantità di ossigeno legato alle diverse subunità dell’emoglobina non riesce a raggiungere uno stato

energetico, di entalpia sufficiente per far prevalere lo spostamento dell’istidina e dell’elica F8 sul piano

dell’anello tetraedrico. Quindi lo stato T della molecola può essere interpretato come uno stato energetico

della proteina a basso livello di energia libera e quindi ad alto livello di entalpia; è una struttura

complessa che oppone resistenza al cambiamento.

Dobbiamo immaginare che all’inizio l’emoglobina lega l’ossigeno, però facilmente questo ossigeno ritorna

in soluzione, perché la forza necessaria, affinchè la conformazione elettronica che il ferro subisce dopo

aver legato l’ossigeno e la successiva modifica strutturale che questo comporta, ha bisogno di un apporto

di energia che aumenta via via che altre globine, hanno contestualmente legato l’ossigeno.

Quindi esiste un equilibrio dinamico a basse pressioni parziali di ossigeno per le quali l’ossigeno si lega,

ma altrettanto rapidamente si può dissociare, perché la quantità di energia e quindi la modifica

elettronica fornita da una molecola di ossigeno su una subunità non è ancora sufficiente per modificare

sostanzialmente la struttura della proteina, è necessario che altro ossigeno possa partecipare a questa

modifica; dopo che questo è avvenuto, la conformazione T passa alla conformazione R quindi in una

forma proteica totalmente rilassata. A questo punto i siti di legame per l’ossigeno ancora liberi, ma molto

più facilmente legheranno ossigeno, quindi le globine che ancora non hanno legato ossigeno si trovano

già la strada spianata perché questa molecola possa entrare rapidamente nella tasca dell’eme con la

valina modificata, con l’elica F ed il gomito FG già spostate e quindi solo successivamente queste globine

che ancora non avevano legato ossigeno lo possono legare ad alta affinità.

Quindi abbiamo uno stato di transizione continuo tra T ed R in relazione alla pressione parziale di

ossigeno.

Come abbiamo detto lo spostamento del ferro trascina l’istidina di circa un A° ,l’elica si avvolge su se

stessa in maniera tale che l’istidina non cada “a peso morto” sull’eme ma venga inclinata rispetto ad

esso.

Adesso passiamo alla descrizione degli otto legami salini, ponti salini che sono importanti perché esistono

degli effettori negativi, cioè delle molecole che modulano l’affinità dell’ossigeno per l’emoglobina,

giocando su questo stato conformazionale sul passaggio di T ad R. Se la forma T è a bassa affinità per

l’ossigeno, perché ci sono questi impedimenti sterici intorno al proprio legame, mentre la forma R è ad

alta affinità, perché la molecola è già bella e pronta per ricevere qualsivoglia gas, tutte le condizioni

molecolari che spingono l’equilibrio di trasformazione T-R verso la forma T, cioè verso la forma

strettamente legata, inibiscono il legame dell’ossigeno per la mioglobina perché stabilizzano una forma a

bassa affinità.

Molti di questi effettori giocano un ruolo nello stabilizzare i ponti salini che invece l’ossigenazione tende a

rompere, quindi gli effettori negativi stabilizzano la conformazione T perché stabilizzano questi ponti salini

che adesso forti dell’alta pressione parziale di ossigeno decidiamo di poter rompere.

Quindi tutte quelle molecole che abbassano l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno e che quindi giocano

un ruolo fondamentale a livello tissutale, che consentono un rapido rilascio di ossigeno dal punto di visto

chimico, altro non fanno che stabilizzare questi ponti salini impedendo che questi si rompano.

Degli 8 ponti salini, 6 sono intercatena quindi legano le catene alfa con le beta cosi come le catene alfa

tra di loro, e 2 sono intracatena cioè sono dei ponti salini, dei legami ionici che si trovano all’interno della

stessa subunità, in particolare questi 2 ponti intracatena si trovano nella subunità beta.

In questa immagine è presente il protomero beta2 alfa1 ed il protomero alfa2 beta1, sono quei protomeri

che slittano l’uno sull’altro. Abbiamo visto come alfa1 beta1 sta rigido ed alfa2 beta2 sta rigido, quali sono

i protomeri che slittano? Alfa1 beta2 e alfa2 beta1, poichè slittano e sono quei punti di contatto che si

possono rompere, questa immagine è fatta per mettere in evidenza cosa