Emoglobina

Emoglobina

L'emoglobina è un tetramero costituito da 4 catene uguali a due a due (2-alfa e 2-beta); ogni subunità porta un gruppo eme. La sequenza aminoacidica della mioglobina e di ogni monomero dell’Hb è molto simile. Queste 4 catene sono legate insieme da interazioni idrofobiche, come per esempio i ponti idrogeno. Il tetramero è meglio descritto come una coppia di due dimeri identici: alfa-beta₁, alfa-beta₂.

• Catene alfa: stessa sequenza aminoacidica (141 aa)
• Catene beta: stessa sequenza aminoacidica, diversa dalle catene alfa (146 aa)

Il ripiegamento globinico delle catene alfa, beta e della catena della mioglobina è sovrapponibile.

Funzioni

• Trasporto di O₂
• Trasporto di CO₂
• Azione tampone del pH del sangue

Ogni monomero dell’Hb lega, attraverso il proprio gruppo eme, una molecola di O₂; quindi l’emoglobina lega 4 molecole di ossigeno.

Hb + 4 O₂ <-> Hb(O₂)₄

È una reazione all’equilibrio: essa sarà spostata verso destra in sede polmonare (l’Hb caricata di ossigeno molecolare); in sede tissutale la reazione è spostata verso sinistra (perché l’Hb deve garantire il rilascio di ossigeno).

Tutti gli atomi di C che costituiscono l'anello tetrapirrolico sono complanari –> piano dell’eme. La posizione del Fe⁺⁺, invece, rispetto al piano dell’eme è differente nella deossigenata e nell’ossigenata.

Forma deossigenata

Il Fe⁺⁺ non è complanare di un piccolo segmento, ma si trova leggermente al di sopra o al di sotto del piano dell’eme di una piccola misura pari a 0.4 Å (angstrom); il ferro è legato alla compagine proteica grazie all’istidina F8, detta anche istidina prossimale, che lo "tira a sé" e lo sposta leggermente dal piano dell’eme.

Forma ossigenata

L’ossigeno si pone nella porzione opposta del piano dell’eme rispetto all’istidina prossimale, legando, attraverso il sesto legame di coordinazione, l’atomo di Fe⁺⁺ e lo lega saldamente, costringendolo a scendere lungo il piano dell’eme. Quindi, solo nella deossiemoglobina il ferro diventa complanare all’eme. Il legame del ferro con l’ossigeno è un legame importante, per cui subito la proteina stessa interviene allo scopo di proteggerlo, mettendo a disposizione l’istidina E7 (istidina distale) che si pone a ridosso dell’ossigeno come una sorta di coperchio.

Sono lievi spostamenti che si vanno a ripercuotere su tutto l’assetto sterico della proteina; basta considerare che il ferro si lega all’istidina che fa parte dell’elica F, la quale è legata all’elica E, che a sua volta è collegata con la G: si crea un vero e proprio terremoto molecolare –> l’emoglobina, nello stato deossigenato, è una proteina con una cavità interna piuttosto ampia, il processo di ossigenazione fa collassare la proteina su se stessa e questa cavità interna si riduce moltissimo, perché l’ossigenazione avvicina le subunità beta₁ e beta₂. La deossiemoglobina è definita stato T (tense, teso); mentre l’ossiemoglobina è definita stato R (relaxed, rilassato).

Modelli di ossigenazione

• Modello sequenziale (Koshland): il legame del ligando (cioè il primo monomero che lega l’ossigeno) richiede una complessità maggiore a livello termodinamico e questo determina un primo cambiamento di struttura. Una volta che avviene il primo legame con l’ossigeno, gli altri 3 legami avverranno in maniera più semplice: in maniera sequenziale. I cambiamenti di struttura avvengono in modo sequenziale, man mano che vengono occupati i siti di legame. Quindi quando l’emoglobina lega l’ossigeno si passa dallo stato T allo stato R.
• Modello concertato - modello simmetrico dell’allosterismo: esiste uno stato di equilibrio tra lo stato T e lo stato R; quando la proteina è deossigenata l’equilibrio è spostato verso lo stato T, mentre quando è ossigenata è spostato verso lo stato R. Lo stato R ha, ovviamente, una maggiore affinità per l’O₂.

Ma come può il primo monomero indurre in modo più semplice l’ossigenazione degli altri 3? La risposta sta proprio nel terremoto molecolare che avviene quando l’ossigeno lega il ferro del primo monomero, costringendolo (il Fe) a rientrare nel piano dell’eme; il Fe è legato all’istidina F8, a sua volta collegata alle eliche E e G, quindi è collegato alla restante parte della globina. Quando arriva la molecola di O₂, questa si pone in posizione specularmente opposta all’istidina F8 (cioè al di sotto del piano dell’eme), costringendo il Fe a rientrare e a porsi lungo il piano dell’eme. Si tratta di uno spostamento piccolissimo dell’istidina F8, 0.4 Å, che impone, però, all’intera alfa elica a cui appartiene di scendere giù. Il primo terremoto molecolare che coinvolge la prima globina si ripercuoterà sulle altre come un effetto domino, consentendo alle altre subunità (ricordiamo le interazioni alfa-beta₁/alfa-beta₂ e alfa-beta₂/alfa-beta₁) di legare l’ossigeno. L’effetto domino sta alla base della cooperatività (le globine si aiutano reciprocamente nel processo di ossigenazione).

Cinetica di saturazione dell'emoglobina

È una funzione definita sigmoidale, in cui il punto di mezzo della funzione corrisponde al P50 dell’