Molecola del Mese
di Shuchismita Dutta
e David S. Goodsell
Trad. di Mauro Tonellato
Emoglobina

Indice 2003



Sangue rosso, Sangue Blu
Vi siete mai chiesti perché i vasi sanguigni appaiono blu? Il sangue ossigenato è rosso brillante: quando vi ferite, il sangue che vedete è sangue ossigenato rosso brillante. Il sangue deossigenato, invece, ha un colore porpora intenso: quando donate il sangue o vi fate un prelievo di sangue, questo viene conservato in una provetta al riparo dall'ossigeno dell'aria, così ne potete vedere il colore rosso porpora scuro. Comunque, il sangue deossigenato porpora scuro appare blu quando scorre attraverso le vene, specialmente nelle persone con pelle chiara. Questo è dovuto al modo in cui i diversi colori della luce viaggiano attraverso la pelle: la luce blu è riflessa dagli strati superficiali della pelle, mentre la luce rossa penetra più profondamente. Il sangue scuro nelle vene assorbe la maggior parte di questa luce rossa (così come ogni luce blu che sia penetrata così in profondità), così quella che vediamo è la luce blu che è riflessa alla superficie della pelle. Alcuni organismi come le lumache e i granchi, d'altra parte, usano il rame per trasportare l'ossigeno, così loro veramente hanno il sangue blu. L'emoglobina è la proteina che rende rosso il sangue. È composta di quattro catene proteiche, due catene alfa e due catene beta, ognuna con un eme a forma di anello che contiene un atomo di ferro. L'ossigeno si lega in modo reversibile a questi atomi di ferro e così viene trasportato attraverso il sangue. Ognuna delle catene proteiche ha una struttura simile alla mioglobina (presentata come Molecola del mese nel gennaio 2000), la proteina usata per immagazzinare l'ossigeno nei muscoli e in altri tessuti. Comunque, le quattro catene dell'emoglobina le danno alcuni vantaggi addizionali, come è descritto nella prossima pagina.

Uso e Abuso dell'Emoglobina
Oltre a trasportare l'ossigeno, l'emoglobina può legare e trasportare anche altre molecole come l'ossido nitrico e il monossido di carbonio. L'ossido nitrico è attivo sulle pareti dei vasi sanguigni e ne causa il rilassamento. Questo fatto ha come conseguenza una riduzione della pressione del sangue. Studi recenti hanno dimostrato che l'ossido nitrico si può legare a specifici residui di cisteina nell'emoglobina ed anche agli atomi di ferro nei gruppi eme, come mostrato nell'archivio PDB 1buw. Così, l'emoglobina contribuisce alla regolazione della pressione sanguigna distribuendo ossido nitrico attraverso il sangue.
Il monossido di carbonio, d'altra parte, è un gas tossico. Sostituisce rapidamente l'ossigeno nei gruppi eme, come è mostrato nell'archivio PDB 2hco, formando complessi stabili che sono difficili da rimuovere. Questo abuso dei gruppi eme impedisce il normale legame con l'ossigeno e il suo trasporto, soffocando le cellule circostanti.
(Come è mostrato negli archivi PDB 1buw e 2hco, sia l'ossido nitrico, sia il monossido di carbonio sono legati in modo obliquo sul ferro dell'eme, ma farebbero un legame molto più forte con il ferro se potessero legarsi perpendicolarmente. Sono costretti a legarsi obliquamente a causa della presenza di un amminoacido istidina posto subito sopra il ferro dell'eme. Questa istidina rappresenta una difesa per l'emoglobina che altrimenti sarebbe avvelenata anche da minime concentrazioni di monossido di carbonio.
L'ossigeno, d'altra parte, si lega spontaneamente in modo obliquo sul ferro e il suo legame non viene ostacolato dall'istidina. Nota del traduttore)

Sangue Artificiale
Le trasfusioni di sangue hanno salvato innumerevoli vite. Comunque, il bisogno di sangue del giusto tipo, la breve durata del sangue immagazzinato, e la possibilità di contaminazione sono ancora dei gravi problemi. La comprensione di come funziona l'emoglobina, basata su decenni di studi biochimici e su molte strutture cristallografiche, ha stimolato una ricerca per sostituti del sangue e per sangue artificiale. L'approccio più ovvio è usare una soluzione di emoglobina pura per sostituire il sangue perduto. Il problema principale è tenere insieme le quattro catene proteiche dell'emoglobina. Senza il guscio protettivo dei globuli rossi le quattro catene si separano rapidamente. Per evitare questo problema sono state progettate molecole di emoglobina insolite, dove due delle quattro catene sono legate fisicamente insieme, come mostrato nell'archivio PDB 1c7d. In questa struttura, due residui supplementari di glicina formano un collegamento tra due catene, impedendo la loro separazione in soluzione.

I Cugini dell'Emoglobina
Cercando negli archivi del PDB, potrete trovare molte molecole di emoglobina diverse. Potete trovare la struttura pionieristica di Max Perutz dell'emoglobina di cavallo mostrata nella figura qui sopra e disponibile nell'archivio PDB col codice 2dhb. Ci sono strutture di emoglobina umana, sia di adulto che fetali. Potete trovare anche emoglobine insolite come la leghemoglobina che è stata trovata nei legumi. Si pensa che protegga i batteri ossigeno-sensibili che fissano l'azoto nelle radici delle piante di leguminosa. In anni recenti è stata identificata una classe di cugini dell'emoglobina, le cosiddete "emoglobine troncate", come l'emoglobina dell'archivio PDB 1idr, nella quale molte porzioni della struttura classica sono state eliminate. L'unica caratteristica che è completamente conservata in questo sottogruppo di proteine è l'amminoacido istidina che si lega al ferro dell'eme.

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