Sangue rosso, sangue blu

Uso e abuso dell'emoglobina
Oltre a trasportare ossigeno, l'emoglobina può legare e trasportare anche altre molecole come l'ossido nitrico e il monossido di carbonio.
L'ossido nitrico NO 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 formando emoglobina S-nitrosilata (mdm 5/2019) ed anche agli atomi di ferro nei gruppi eme. Così, l'emoglobina contribuisce alla regolazione della pressione sanguigna distribuendo ossido nitrico attraverso il sangue.
Il monossido di carbonio CO, invece, è un gas tossico che sostituisce rapidamente l'ossigeno nei gruppi eme, formando complessi stabili dai quali è difficile da rimuovere. Questo abuso dei gruppi eme impedisce all'ossigeno di legarsi al ferro per essere trasportato ai tessuti, e può portare alla morte per soffocamento.
Come è mostrato qui sotto a sinistra (file PDB 2hco) il monossido di carbonio (sfere grigia e rossa) si lega in modo leggermente obliquo sul ferro dell'eme, ma farebbe un legame molto più forte se potesse legarsi perpendicolarmente. E' costretto a legarsi obliquamente a causa dell'ingombro di un amminoacido di 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.



Nell'immagine qui sopra sulla destra (file PDB 1hho), invece, si vede che l'ossigeno O2 (due sfere rosse) si lega obliquamente sul ferro, ma questo è il suo legame spontaneo e non viene ostacolato dall'istidina.

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 e su molte strutture cristallografiche, ha stimolato la ricerca sul sangue artificiale e su sostituti del sangue. 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 tra loro chimicamente, come mostrato nel file PDB 1c7d. In questa struttura, due residui supplementari di glicina formano un collegamento tra due catene, impedendo la loro separazione in soluzione.

Cugini dell'emoglobina
Negli archivi del PDB, ci sono molte molecole di emoglobina. Potete trovare la struttura pionieristica di Max Perutz dell'emoglobina di cavallo mostrata nella figura all'inizio della pagina (file PDB 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. Da non molto è stata identificata una classe di cugini dell'emoglobina, le cosiddete emoglobine troncate, come l'emoglobina mostrata qui sotto (filePDB 1idr) nella quale molte porzioni della struttura classica sono state eliminate. L'unica caratteristica che è sempre conservata in questo sottogruppo di proteine è l'amminoacido di istidina che si lega al ferro dell'eme da sotto.

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L'unione fa la forza
L'emoglobina è una straordinaria macchina molecolare che usa il movimento di piccole variazioni strutturali per regolare la sua azione.
L'ossigeno O2 non si lega contemporaneamente ai quattro gruppi eme nell'emoglobina. Il primo gruppo eme che lega l'ossigeno produce delle piccole modifiche nella struttura 3D della catena proteica a cui è legato. Questi cambiamenti strutturali premono leggermente le catene vicine che assumono una forma diversa, e le inducono a legare l'ossigeno più facilmente.
Così, è difficile legare la prima molecola di ossigeno, ma legare la seconda, la terza e la quarta molecola di ossigeno diventa via via sempre più facile. Questo aiuta molto la funzione dell'emoglobina. Quando il sangue è nei polmoni, dove l'ossigeno è abbondante, l'ossigeno si lega facilmente alla prima subunità e poi rapidamente riempe tutte le subunità rimanenti. Poi, quando il sangue circola attraverso il corpo, il livello di ossigeno scende velocemente mentre aumenta quello di biossido di carbonio. In questo ambiente, l'emoglobina rilascia l'ossigeno legato. Appena viene rilasciata la prima molecola di ossigeno, la proteina comincia a cambiare la sua forma. Questo induce i tre ossigeni rimanenti ad essere rilasciati rapidamente. In questo modo, l'emoglobina raccoglie il carico di ossigeno più grande possibile nei polmoni, e lo consegna tutto dove e quando ce n'è bisogno.
Nella figura animata qui a lato, il gruppo eme di una subunità, mostrato nella piccola finestra circolare, viene mantenuto fermo in modo che si possa vedere come la proteina gli si muove attorno quando l'ossigeno si lega. La molecola di ossigeno è mostrata in azzurro. Quando l'ossigeno si lega all'atomo di ferro nel centro dell'eme, tira verso l'alto insieme al ferro anche l'amminoacido istidina che si trova sul lato inferiore dell'eme. Questo sposta la posizione di un'intera alfa-elica, mostrata qui in arancione sotto l'eme. Questo moto si propaga a tutta la catena proteica e alle altre catene, provocando alla fine il grande moto di oscillazione delle due subunità mostrate in blu. Le due strutture mostrate qui sono prese dai file PDB 2hhb e 1hho.

Emoglobine difettose
I geni che codificano per le catene proteiche dell'emoglobina mostrano piccole differenze all'interno delle diverse popolazioni umane, così la sequenza degli amminoacidi dell'emoglobina è lievemente diversa da persona a persona. Nella maggior parte dei casi queste variazioni non incidono sulla funzione della proteina e spesso non si notano nemmeno. In alcuni casi, però, gli amminoacidi mutati producono grandi variazioni strutturali. Un tipico esempio è quello dell'anemia falciforme, dove l'acido glutammico 6 (codificato dalla tripletta GAA) nella catena beta è sostituito da una valina (codificata dalla tripletta GUA quindi una mutazione di un solo nucleotide). Questo mutazione induce le molecole di emoglobina deossigenata ad ancorarsi l'una all'altra, come si può vedere nella figura qui a fianco (file PDB 2hbs). Si creano così fibre rigide di emoglobina all'interno dei globuli rossi che si deformano e, invece della normale forma a disco liscio, assumono una forma a C o a falce. Le cellule deformate sono fragili e spesso si rompono portando ad una perdita di emoglobina nota come anemia falciforme. Questa condizione può sembrare che debba essere sempre un grave svantaggio, ma in una circostanza almeno, diventa un vantaggio. I parassiti che provocano la malattia tropicale della malaria, passano parte del loro ciclo vitale nei globuli rossi, ma non possono vivere nei globuli rossi falciformi pieni di fibre. Così le persone con l'anemia falciforme sono resistenti alla malaria.
Altre circostanze che portano ad emoglobine difettose derivano da un errore nella produzione delle proteine alfa o beta. La struttura dell'emoglobina richiede un'uguale produzione di entrambe le proteine. Se una di queste proteine manca, si produce una condizione chiamata talassemia.

Esplorando la struttura
Qui sotto si può vedere il sito di legame dell'ossigeno in due strutture di emoglobina umana.
La struttura sulla sinistra (file PDB 2hhb) mostra l'emoglobina senza ossigeno legato. Il gruppo eme è visto di lato con l'atomo di ferro arancione. Si può vedere che c'è un amminoacido di istidina che si trova molto vicino al lato inferiore dell'eme, e forma un legame con l'atomo di ferro. Si noti che l'atomo di ferro, a causa di questo legame, si trova leggermente sotto il piano dell'eme.
La struttura sulla destra (file PDB 1hho) mostra che, quando l'ossigeno si lega al ferro, lo tira verso l'alto portandolo leggermente sopra il piano del'eme. Il ferro, a sua volta, tira verso l'alto l'istidina, la quale trascina e deforma l'alfa elica in basso.



Questi movimenti sono trasmessi alle altre subunità e alla fine provocano la grande variazione strutturale che cambia la forza di legame dei siti vicini. La deformazione fa avvicinare anche le istidine delle altre subunità al loro eme spingendo il ferro verso l'alto nel piano dell'eme e aumentando la sua capacità di legare l'ossigeno.
Notate che l'archivio PDB 1hho contiene solamente due delle quattro catene dell'emoglobina. Per vedere il tetramero completo, scaricate il file PDB 1hho4.

Bibliografia
Perutz, M.F. (1978): Hemoglobin Structure and Respiratory Transport. Scientific American, 239 (6).
Squires, J.E. (2002): Artificial Blood. Science 295, p.1002.
Vichinsky, E. (2002): New therapies in sickle cell disease. Lancet 24, p. 629.

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