Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Emoglobina


Molecola del Mese di Maggio 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 (mdm 1-2000), la proteina usata per immagazzinare l'ossigeno nei muscoli e in altri tessuti. La struttura complessa dell'emoglobina formata da quattro catene è essenziale per il suo funzionamento, 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 nel file 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 nel file 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 nei file 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 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.
L'ossigeno, d'altra parte, si lega spontaneamente in modo obliquo sul ferro e il suo legame 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 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 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
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 (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. In anni recenti è stata identificata una classe di cugini dell'emoglobina, le cosiddete "emoglobine troncate", come l'emoglobina del file 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 di istidina che si lega al ferro dell'eme.

L'Unione fa la Forza
L'emoglobina è una straordinaria macchina molecolare che usa il movimento e piccole variazioni strutturali per regolare la sua azione. L'ossigeno 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.
In questa figura animata, 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 verde azzurro. Quando l'ossigeno si lega all'atomo di ferro nel centro dell'eme, tira verso l'alto 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. D'altra parte, in alcuni casi, gli amminoacidi mutati producono grandi variazioni strutturali. Un tipico esempio è quello dell'anemia falciforme, dove l'acido glutammico 6 nella catena beta è sostituito da una valina. Questo mutazione permette alla molecole di emoglobina deossigenata di ancorarsi l'una all'altra, come si può vedere nella figura qui a fianco (file PDB 2hbs). Questo produce fibre rigide di emoglobina all'interno dei globuli rossi che risultano deformati 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, 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 e 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 sopra si può vedere in primo piano il sito di legame dell'ossigeno in due strutture di emoglobina umana.
La struttura sulla sinistra (file PDB 2hhb) mostra l'emoglobina senza nessun ossigeno legato. Il gruppo eme è visto di lato con l'atomo di ferro colorato in giallo. 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 tutta la catena proteica. 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 corrispondenti istidine delle altre subunità al rispettivo 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.

Queste immagini sono state create con Chime (vedi chimica al computer). Anche voi potete creare immagini simili scaricando i file PDB dell'articolo, decomprimendoli e poi lanciandoli con Internet Explorer (se avete scaricato il plug-in Chime)
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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.

The Skinny on Blue Blood. Discover Magazine, December 1996.