Emoglobina Svelata: Scopri la Struttura e il Ruolo Cruciale delle Istidine Prossimale e Distale!

Per comprendere appieno l'emoglobina (Hb), è utile considerare prima la mioglobina (Mb), una proteina strettamente correlata ma 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.

Mioglobina: Struttura e Funzione

La mioglobina è una proteina globulare costituita da una singola catena di circa centocinquanta amminoacidi (a seconda dell'organismo), con un peso molecolare di circa 18 kDa.

Il Gruppo Eme

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-). Il legame tra protoporfirina e ferro è un legame tipico dei composti detti di coordinazione, in cui un atomo (o ione) centrale forma legami con altre specie chimiche in numero superiore al suo numero di ossidazione (carica elettrica). Il numero di coordinazione (numero di legami di coordinazione) del ferro è sei: ci possono essere sei molecole attorno al ferro che mettono in condivisione gli elettroni di legame. Quando il ferro è sotto forma di ione libero, i suoi orbitali di tipo d hanno tutti la stessa energia; nella mioglobina, lo ione ferro è legato alla protoporfirina e all'istidina: tali specie perturbano magneticamente gli orbitali d del ferro. L'entità della perturbazione sarà diversa per i vari orbitali d a seconda della loro orientazione spaziale e di quella delle specie perturbanti.

La mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno.

Emoglobina: Struttura e Funzione

L'emoglobina è un tetrametro, cioè è costituita da quattro catene polipeptidiche, ciascuna dotata di un gruppo eme ed identiche a due a due (in un essere umano si hanno due catene alfa e due catene beta). La funzione principale dell'emoglobina è il trasporto di ossigeno; un'altra funzione del sangue in cui è coinvolta l'emoglobina, è il trasporto di sostanze ai tessuti. La presenza di più catene diverse è una specializzazione evolutiva nel trasporto di ossigeno da zone ricche a zone carenti.

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.

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’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. 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. Come prodotto di scarto della respirazione cellulare si ottiene anidride carbonica (CO2) che entra nel globulo rosso e qui viene trasformato in ione idrogenocarbonato (HCO3-) dall’enzima anidrasi carbonica (in grado di trasformare 106 molecole di CO2 al secondo) secondo la reazione: CO2 + H2O ⇌ H++ HCO3-.

Legame dell'Ossigeno: Mioglobina vs. Emoglobina

La mioglobina lega l'ossigeno anche a pressioni modeste; nei tessuti periferici si ha una pressione (PO2) di circa 30 mmHg: la mioglobina a tale pressione non rilascia ossigeno, quindi sarebbe inefficace come trasportatrice di ossigeno. L'emoglobina, invece, ha un comportamento più elastico: lega l'ossigeno ad alte pressioni e lo rilascia quando la pressione diminuisce.

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.

Cambiamenti Conformazionali e Cooperatività

Quando una proteina è funzionalmente attiva, essa può mutare un po' la sua forma; ad esempio la mioglobina ossigenata ha una forma diversa dalla mioglobina non ossigenata e questa mutazione non influisce su quelle vicine. Il discorso è diverso nel caso di proteine associate come l'emoglobina: quando una catena si ossigena è indotta a cambiare la sua forma ma tale modificazione è tridimensionale perciò ne risentono anche le altre catene del tetrametro. Il fatto che le catene siano tra loro associate, induce a pensare che la modifica di una si ripercuota sulle altre vicine anche se in misura diversa; quando una catena si ossigena, le altre catene del tetrametro assumono un "atteggiamento meno ostile" nei riguardi dell'ossigeno: la difficoltà con cui una catena si ossigena diminuisce man mano che le catene ad essa vicine si ossigenano a loro volta. La struttura quaternaria della deossiemoglobina prende il nome di forma T (tesa) mentre quella della ossiemoglobina viene chiamata forma R (rilasciata); nello stato teso vi sono una serie di interazioni elettrostatiche piuttosto forti tra amminoacidi acidi e amminoacidi basici che portano ad una struttura rigida della deossiemoglobina (ecco il perché del "forma tesa"), mentre quando si lega l'ossigeno, l'entità di queste interazioni diminuisce (ecco il perché del "forma rilasciata").

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.

Effetto Bohr

In assenza di ossigeno, la carica dell'istidina viene stabilizzata dalla carica opposta dell'acido aspartico mentre, in presenza di ossigeno, c'è la tendenza da parte della proteina, a perdere un protone; tutto ciò comporta che l'emoglobina ossigenata sia un acido più forte dell'emoglobia deossigenata: effetto bohr. Ogni emoglobina rilascia 0,7 protoni per mole di ossigeno (O2) entrante.

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.

2,3-Bisfosfoglicerato (2,3-BPG)

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.

A pH fisiologico, il 2,3 bisfosfoglicerato è deprotonato ed ha su di sé cinque cariche negative; si va ad incuneare tra le due catene beta dell'emoglobina perché tali catene presentano un'elevata concentrazione di cariche positive.

Effetto Hamburger e Haldane

Un altro fenomeno che si verifica quando un eritrocita raggiunge un tessuto è il seguente: per gradiente, l'HCO3- (derivato dell'anidride carbonica) esce dall'eritrocita e, per bilanciare l'uscita di una carica negativa, si ha l'ingresso di cloruri che determina un aumento della pressione osmotica: per bilanciare questa variazione si verifica anche l'ingresso di acqua che causa un rigonfiamento dell'eritrocita (effetto HAMBURGER). Il fenomeno opposto si verifica quando un eritrocita raggiunge gli alveoli polmonari: si ha uno sgonfiamento degli eritrociti (effetto HALDANE).

Ruolo delle Istidine Prossimale e 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. 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.

Biochimica di Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, Jhon L. 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 gruppo eme è agganciato alla proteina attraverso istidina prossimale: l’azoto imidazolico dell’istidina si lega in quinta posizione di coordinazione del ferro ferroso. La sesta posizione rimane libera, per legare l’ossigeno, mentre le prime 4 sono utilizzate per legare la porfina. A legarsi all’ossigeno è il ferro ferroso, invece il ferro ferrico, presente nella met-globina si lega all’acqua.

Si ponga ora l’attenzione sulla struttura dell’emoglobina che è simile a quella della mioglobina perché tutte le globine sono simili tra loro sia per motivi strutturali, sia perché presentano sequenze molto simili di amminoacidi, ad esempio ogni globina presenta una istidina prossimale e una istidina distale.

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. 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.

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, l'altra per la stabilizzazione dell'ossigeno.

Tabella riassuntiva delle differenze tra Mioglobina ed Emoglobina

Caratteristica	Mioglobina	Emoglobina
Struttura	Monomero (una subunità)	Tetramero (quattro subunità)
Numero di gruppi eme	Uno	Quattro
Affinità per l'ossigeno	Alta, curva iperbolica	Variabile, curva sigmoide (cooperatività)
Funzione principale	Riserva di ossigeno nei muscoli	Trasporto di ossigeno nel sangue