Mioglobina e emoglobina

Comportamento della proteina all'aumento della pressione di ossigeno

Dopo questo aumento lineare, la proteina diventa satura a circa 20 mmHg di ossigeno. Quindi, anche se mettiamo 200 mmHg di ossigeno, non si modifica nulla perché il numero dei siti di legame è sempre quello e quindi questo ossigeno rimane in soluzione.

Pressione parziale dell'ossigeno e funzione delle proteine

Fisiologicamente, la pressione parziale dell'ossigeno è circa 120 mmHg, nell'aria invece è circa 150 mmHg a livello del mare (21% di 760 mmHg, nonché di 1 atm). Quindi, essendo 120 mmHg nel sangue, la mioglobina non può fungere da trasportatore poiché è satura; infatti, la sua funzione è quella di conservare l'ossigeno.

Curva dell'emoglobina

Invece, se andiamo a vedere la curva dell'emoglobina, è una specie di S (curva sigmoidale) e ci dice che inizialmente la proteina è scarsamente reattiva nei confronti dell'ossigeno, ma intorno a 20 mmHg vi è un punto di flesso dove, in altri 20 mmHg, si arriva quasi a saturazione. Questo perché l'accesso alla tasca dell'eme da parte dell'ossigeno è difficile quando l'emoglobina è nella forma desossi (ossigeno veicolato dai gruppi laterali degli amminoacidi che formano una sorta di sentiero con un cancello chiuso: all'aumentare dell'ossigeno, esso forza il cancello e l'ossigeno entra, ecco spiegata la curva sigmoidale).

Questo cambio conformazionale ha fatto cambiare l'affinità alla molecola e infatti le molecole di ossigeno che arrivano dopo si legano più facilmente. Quindi, in conclusione, la molecola di emoglobina cambia affinità in base alla pressione parziale dell'ossigeno presente. Dunque, non siamo altro che in presenza di un equilibrio chimico dato dai due conformeri (ossi e desossi) e la cui quantità cambia in base al ligando (ossigeno).

I conformeri dell'emoglobina

Questi due conformeri si chiamano T (teso) nel caso della desossi perché è più chiusa e compatta, con la presenza di un ostacolo che non fa arrivare l'ossigeno all'eme, mentre la forma ossigenata si chiama R (rilassata) perché l'ossigeno raggiunge facilmente il sito di legame. Questo è il meccanismo di Perutz: il Fe²⁺ nello stato T è al di fuori del piano a causa del 5^o legame di coordinazione fatto con l'istidina prossimale; una volta che arriva l'ossigeno, il Fe viene riportato al centro del piano portando l'istidina prossimale al di fuori del piano di circa 1 Å.

Equazione di Hill

L'equazione di Hill descrive la curva di legame dell'ossigeno all'emoglobina. Hill ipotizzò che l'emoglobina (Hb) potesse legare in una singola tappa n molecole di ossigeno, cioè con una cooperatività infinita. Essa descrive il grado di saturazione dell'emoglobina in funzione di pO₂. Una cooperatività di legame infinita è fisicamente impossibile. Ugualmente, n può essere considerato un parametro non integrale correlato al grado di cooperatività tra le subunità dell'emoglobina che stanno interagendo.

La quantità n, la costante di Hill, aumenta con il grado di cooperatività di una reazione e quindi fornisce una caratterizzazione della reazione di legame di un ligando. Se n=1, l'equazione a lato descrive un'iperbole e la reazione di legame dell'O₂ viene detta non cooperativa. Se n>1, la reazione presenta una cooperatività positiva, in quanto il legame dell'O₂ aumenta l'affinità dell'emoglobina per il legame di un altro ossigeno (la cooperatività diventa infinita quando n=4, il numero di siti massimo di legame dell'emoglobina). Se n<1, la reazione ha una cooperatività negativa, in quanto il legame di O₂ potrebbe ridurre l'affinità della proteina per il legame di un altro ligando.

La costante di Hill, n, e il valore di p₅₀, che meglio descrivono la curva di saturazione dell'emoglobina, possono essere determinati graficamente riorganizzando l'equazione seguente: il grafico lineare di log [Y_o/(1-Y_o)] in funzione di log di pO₂, il grafico di Hill, ha una pendenza n e un'intercetta sull'asse della log pO₂ corrispondente a log p₅₀. Per la mioglobina, la retta ha una pendenza di 1.

Effetto cooperativo

Quando la prima molecola di ossigeno si lega fa modificare il conformero ad alta affinità (facendo legare più facilmente gli ossigeni successivi) viene definito effetto cooperativo, cioè come se le catene polipeptidiche collaborassero per migliorare la performance (è un effetto caratteristico di tutte le proteine multimeriche). Un'altra caratteristica delle proteine multimeriche è quella che, siccome sono composte da tante catene polipeptidiche, aumenta la possibilità di far legare altre molecole oltre al substrato (che influenzano l'equilibrio bassa-alta affinità), che si collocano in siti di legame diversi da quello del substrato: queste proteine si chiamano anche proteine allosteriche.

Pressione parziale dell'ossigeno nel sangue e parametri chimici

Fisiologicamente, la pressione parziale dell'ossigeno nel sangue venoso è di circa 30 mmHg e, vedendo il grafico, l'emoglobina è saturata per circa il 55%, quindi ha perso il 45% e questa perdita è data solo dal fatto che nel sistema è diminuita la pressione parziale dell'ossigeno. Ma questo non è l'unico parametro che fa differenziare il sangue arterioso da quello venoso. Da un punto di vista chimico, infatti, cambia la quantità di anidride carbonica. La reazione tra lo ione bicarbonato HCO₃ e i gruppi amminici N-terminali delle catene beta forma carbammato (R-NH-COO^-) e libera una molecola d'acqua.

Questo legame tra lo ione bicarbonato con la catena beta dell'emoglobina tende anch'esso a stabilizzare la forma a bassa affinità. L'altra cosa che cambia tra il sangue dei polmoni e quello dei tessuti periferici è la temperatura: il sangue arterioso ha qualche grado in meno rispetto a quello venoso che è sempre di 37°C poiché fuori la temperatura è minore rispetto a quella del nostro corpo e quindi l'aria inalata è fredda e raffredda il sangue che passa dagli alveoli (sangue arterioso). Le cellule con l'ossigeno producono ATP che serve per produrre energia.

L'esperimento dell'emoglobina fatto precedentemente in provetta è stato fatto a pH 7,4 (neutralità). Come possiamo vedere da questo grafico, con la stessa pressione parziale di ossigeno, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce al diminuire del pH e aumenta all'aumentare del pH. Così capiamo la differenza di affinità a livello dei polmoni (dove il pH è un po' più alto di 7,4) e al livello dei tessuti periferici (dove il pH è un po' più basso): questo fenomeno è chiamato effetto Bohr.

L'effetto di Bohr è fondamentale per il legame della CO₂ nei capillari. La maggior parte della CO₂ nel sangue viene trasportata sotto forma di bicarbonato. Nei capillari, dove la pressione parziale di ossigeno è bassa, gli ioni H⁺ generati dalla dissociazione del bicarbonato vengono legati dall'emoglobina, che forma di conseguenza le coppie ioniche tipiche dello stato T e viene stimolata a rilasciare l'ossigeno legato. Questa assunzione di ioni H⁺ facilita inoltre il trasporto della CO₂ promuovendo la formazione di bicarbonato. Nei polmoni, in cui la pressione parziale di ossigeno è elevata, il legame dell'ossigeno da parte dell'emoglobina rompe le coppie ioniche dello stato T, formando lo stato R e rilasciando i protoni implicati nell'effetto Bohr, che a loro volta si legano al bicarbonato inducendo la liberazione di CO₂.

L'effetto di Bohr consente di rifornire di ossigeno i muscoli che si stanno contraendo. Questi muscoli creano acido lattico così velocemente che portano ad abbassamento del pH del sangue che passa attraverso di loro.

Interazioni allosteriche nell'emoglobina

Quindi abbiamo detto che l'emoglobina è una proteina allosterica, ma cosa si intende per interazione allosterica? Le interazioni allosteriche avvengono quando il binding di un ligando (L₂) a un sito specifico viene influenzato dal binding di un altro ligando (L₁) detto effettore o modulatore allosterico a livello di siti diversi nella proteina:

• Se i ligandi sono identici si parla di effetto omotropico;
• Se i ligandi sono diversi si parla di effetto eterotropico;
• Questi effetti sono detti negativi o positivi a seconda che il ligando L₁ diminuisca o aumenti l'affinità del binding per il secondo ligando L₂ alla proteina.

Nell'emoglobina, inoltre, troviamo anche una molecola, il 2,3-bisfosfoglicerato (BPG) presente solo in essa. Esso si va a posizionare nella tasca del bifosfoglicerato, che si trova tra le catene beta in una zona ricca di amminoacidi carichi positivamente e va a stabilizzare la conformazione tesa spostando l'equilibrio verso lo stato T e quindi abbassa l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. Quindi, considerando tutti questi parametri, in conclusione si ha la curva del sangue è spostata verso destra rispetto all'emoglobina pura, quindi tutti questi fattori (effetto Bohr, 2-3 BPG, ecc.) hanno come finalità di far aumentare la quantità di ossigeno ceduta.

Varianti di emoglobina

Se noi misuriamo le emoglobine circolanti nel nostro sangue, non troviamo solo quella normale (HbA), ma c'è una piccola percentuale di HbF, ovvero dell'emoglobina fetale, che è sempre un tetramero ma formato da 2 catene alfa e 2 catene gamma. Essa viene sintetizzata durante il concepimento insieme alle catene alfa, poi, a poche settimane dalla nascita, il gene che sintetizza le catene gamma si inizia a spegnere ed è quasi completo a 4-5 mesi dalla nascita.

La caratteristica di questa emoglobina fetale è che, non essendoci le catene beta, non lega il 2-3 BPG: quindi, facendo finta di avere l'emoglobina fetale senza ossigeno e quella normale con l'ossigeno, mettendole insieme, quella fetale ruba l'ossigeno a quella normale perché l'HbF è più affine all'ossigeno rispetto all'HbA (che ha il 2-3 BPG).

Altro tipo di emoglobina è Emoglobina S essa possiede un gruppo Val al posto di Glu nella sesta posizione di ciascuna catena Beta. Una delle catene laterali di Val si inserisce in una tasca idrofobica di una catena beta di un'altra emoglobina. Questi contatti consentono all'emoglobina di formare polimeri lineari. 14 polimeri formano fibre che si estendono in tutto l'eritrocita.

Emoglobine patologiche

Le mutazioni dell'emoglobina possono portare a patologie.