L’emoglobina (Hb) è composta da quattro subunità proteiche (ha quindi una struttura quaternaria): due subunità chiamate α e due β. Entrambe possiedono il gruppo Eme: l’emoglobina ne possiede 4, uno per ogni subunità.
Durante l’atto inspiratorio riempiamo i polmoni di ossigeno. Questo negli alveoli passa nel sangue e nello specifico si lega all’emoglobina dentro gli eritrociti. L’emoglobina lo trasporta a tutti i tessuti poiché l’ossigeno è necessario a tutte le cellule per compiere la respirazione cellulare e produrre energia. L’ossigeno è poco solubile in acqua, è una molecola idrofoba che nel sangue può avere una concentrazione di 7,15 mg/L mentre l’emoglobina ne porta 357 mg/L.
Struttura e Funzione dell'Emoglobina
Le e. contengono due paia di catene polipeptidiche differenti: le subunità α, che sono costituite da 141 residui di amminoacidi, e le subunità non-α (cioè le catene β dell'HbA, le catene γ dell'HbF e le catene δ dell'HbA2), che sono composte da 146 residui. Un confronto fra le strutture primarie delle differenti subunità mostra che solo sei posizioni, su un totale di circa 140, sono sempre occupate dallo stesso amminoacido. A questi residui invarianti che, con un paio di eccezioni, si trovano nel ripiegamento proteico che contiene il gruppo eme e nella zona di contatto fra le subunità, è stato attribuito un ruolo molto importante nel determinare le proprietà strutturali e funzionali dell'emoglobina.
Le caratteristiche generali sono simili per le quattro catene polipeptidiche:
- la maggior parte degli amminoacidi, sia delle subunità α che β, è disposta in regioni elicoidali; ciascuna catena contiene otto (subunità β) o sette (subunità α) di queste regioni, ripiegate una sull'altra e unite da brevi zone non-elicoidali, così da assumere una forma approssimativamente sferica;
- la struttura tridimensionale delle subunità è tenuta insieme da legami deboli non-covalenti, come ponti salini, interazioni a idrogeno e molte interazioni non-polari;
- i residui degli amminoacidi polari si trovano per lo più esposti al solvente, mentre i residui non-polari giacciono nell'interno della molecola o nelle regioni di contatto fra le subunità.
Le quattro catene sono unite fra loro in modo da formare un tetraedro irregolare con i gruppi eme ai quattro vertici.
Il Gruppo Eme e l'Istidina Prossimale
L'eme è un anello tetrapirrolico (protoporfirina): presenta quattro anelli pirrolici tenuti insieme da gruppi metilenici (-CH=); a completare la struttura ci sono due gruppi vinilici (CH2=CH-), quattro gruppi metilici (-CH3) e due propionici (-CH2-CH2-COO-).
Al netto di questi 4 legami al ferro rimangono 2 orbitali liberi, che formano due legami perpendicolari al piano della protoporfirina, da due lati opposti. Uno dei due viene usato per formare un legame con l'istidina F8 (l'amminoacido istidina nell'elica F in posizione 8) o istidina prossimale, che permette il legame covalente con la parte proteica, è quindi il raccordo tra la proteina e il gruppo eme.
Il ripiegamento proteico, dove sono parzialmente incassati gli emi, è costituito, oltre che da due istidine apparentemente essenziali, da residui idrofobici che sono a contatto con le catene laterali dell'anello porfirinico. Una delle istidine, detta prossimale, coordina direttamente il ferro eminico ed è presente in tutte le e. capaci di combinarsi reversibilmente con l'ossigeno; questo gas si lega all'atomo di ferro sul lato dell'eme opposto alla istidina prossimale.
Queste due istidine sono quindi fondamentali per la struttura della mioglobina, la prima per il legame che garantisce il raccordo tra l’eme e la proteina.
Il Ruolo Cruciale dell'Istidina Distale
Spazialmente, vicino all’ossigeno legato al gruppo Fe2+, troviamo un istidina detta istidina distale che protegge il gruppo Eme impedendo che si formino ponti ossigeno Eme-O-Eme. Il secondo residuo di istidina, detta distale, non è legato all'atomo di ferro, ma giace, rispetto al piano dell'eme, dallo stesso lato dell'ossigeno ed è situato in modo da poter interagire con i leganti.
Inoltre, l’istidina distale abbassa l’affinità del gruppo Eme per sostanze come il cianuro (CN-) e il monossido di carbonio (CO) che vi si legano in modo quasi irreversibile causando soffocamento.
La natura idrofobica del sito dell'eme è della massima importanza per la stabilità del complesso con l'ossigeno. Il ferroeme isolato, infatti, è instabile in soluzione acquosa ed è rapidamente ossidato a ferrieme, che non può combinarsi con l'ossigeno; quando però viene legato all'imidazolo e il complesso che ne deriva è immobilizzato in un film di polistirene, in modo da essere circondato da un ambiente idrofobico, si ha l'ossigenazione reversibile del sistema, analoga a quella dell'e. e cioè senza ossidazione dell'atomo di ferro.
Interazione tra Emoglobina e Mioglobina
Per poter parlare in modo comprensibile dell'emoglobina (Hb), è utile occuparsi prima della mioglobina (Mb) che è molto simile all'emoglobina ma è molto più semplice. Tra emoglobina e mioglobina ci sono stringenti relazioni di parentela: entrambe sono proteine coniugate ed il loro gruppo prostetico (parte non proteica) è il gruppo eme. La mioglobina è una proteina globulare costituita da una singola catena di circa centocinquanta amminoacidi (dipende dall'organismo) ed il suo peso molecolare è di circa 18 Kd.
L’emoglobina è composta da quattro subunità proteiche (ha quindi una struttura quaternaria) due subunità chiamate α e due β, la mioglobina è formata da una singola unità proteica (perciò si ferma ad avere una struttura terziaria). Entrambe possiedono il gruppo Eme: l’emoglobina ne possiede 4, uno per ogni subunità; la mioglobina uno.
La zona in cui si lega l’ossigeno è una zona apolare che si trova in una sacca della struttura terziaria.
La Mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno.
Quando c’è tanto ossigeno la mioglobina lo lega facilmente e quando ce n’è poco lo lascia andare altrettanto facilmente, quindi è avida e satura quando la pressione parziale di ossigeno è alta ed è generosa e scarica quando la pressione parziale è bassa. Graficamente la sua cinetica è rappresentata da una curva iperbolica.
L’emoglobina si lega all’ossigeno in modo più debole rispetto alla mioglobina e lo rilascia più facilmente, per questo motivo non ha un andamento acceso-spento ma presenta delle condizioni intermedie e la sua rappresentazione cinetica è una curva sigmoide. La mioglobina è efficiente nel legame ma non nel trasporto mentre l’emoglobina è efficiente in entrambe le cose.
Effetti Allosterici e Regolazione dell'Affinità
Quando si fa riferimento alla cooperatività dell’emoglobina si intende il fatto che proteina e ossigeno cooperino per far sì che essa si carichi o scarichi di ossigeno: ad ogni ossigeno che lega aumenta la probabilità che l’emoglobina diventi in forma R; il fatto che sia in forma R aumenta la probabilità di legare ossigeno.
Il 2,3 bisfosfoglicerato (2,3-BPG, isomero dell’1,3 BPG che è un intermedio della glicolisi) è un composto anionico presente negli eritrociti approssimativamente alla stessa concentrazione dell’emoglobina. Questa molecola si lega all’emoglobina in modo allosterico: si lega, cioè, in un sito diverso da quello principale dell’ossigeno (gruppo Eme) limitando però l’attitudine della proteina a legarsi a quest’ultimo.
In altre parole, diminuisce l’affinità per l’ossigeno stabilizzando la forma T (deossi-emoglobina) e lo fa legandosi in uno spazio “vuoto” tra le quattro subunità di emoglobina che è più ampio in forma T e meno ampio nella forma R.
Riprendiamo la reazione che avviene negli eritrociti ad opera dell’anidrasi carbonica: CO2 + H2O ⇌ H++ HCO3- , questa reazione libera ioni idronio (H+) che abbassano il pH (lo rendono più acido). Questo è molto importante perché il pH acido rende l’emoglobina meno affine all’ossigeno, perciò giungendo ai tessuti periferici dove c’è un alta concentrazione di anidride carbonica che si traduce in un abbassamento del pH all’interno dell’eritrocita, l’emoglobina è spinta al rilascio di ossigeno a quegli stessi tessuti. Al contrario quando la CO2 raggiunge i polmoni e viene rilasciata, il pH sale e l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno cresce.
L'effetto Bohr alcalino è una conseguenza del fatto che la conformazione desossigenata si combina con i protoni più facilmente di quella ossigenata; poiché nei tessuti, come risultato dei processi metabolici, si ha una maggiore concentrazione di protoni, l'affinità dell'e. per l'ossigeno diminuisce ed è così facilitata la liberazione di questo gas. I gruppi atomici responsabili dell'effetto Bohr sono pochi e fra essi sono stati identificati la valina, che si trova in posizione amminica-terminale nelle subunità α, e l'istidina, situata all'estremità carbossilica delle subunità β.
È stato ora chiarito che una frazione significativa di anidride carbonica (circa il 15% del totale) si combina direttamente all'e. Poiché la formazione di carbammati è più pronunciata con la desossiemoglobina che con il derivato ossigenato, l'anidride carbonica legata in questa maniera fa diminuire l'affinità dell'e. per l'ossigeno con il medesimo meccanismo del DPG e dei protoni, favorendo cioè la conformazione desossigenata. Il trasporto dell'ossigeno da parte dell'e. è così sottoil controllo di almeno questi tre cofattori: DPG, protoni e anidride carbonica.
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