L’emoglobina (HGB o Hb) è una proteina a struttura quaternaria. Con il termine di subunità si intendono le singole proteine che danno vita alla struttura quaternaria. Le subunità possono essere tra loro uguali o diverse. La prima proteina di cui è stata dedotta la struttura quaternaria è stata l'emoglobina, la proteina dei globuli rossi, responsabile del trasporto dell'ossigeno ai vari tessuti.
L'emoglobina è costituita da quattro subunità, ovvero quattro catene polipeptidiche: due catene alfa identiche tra loro e due catene beta anche esse identiche tra loro; le quattro catene polipeptidiche si accoppiano a due a due formando due dimeri. Tale molecola può essere considerata, quindi, come un tetramero α2β2.
Struttura dell'emoglobina: le quattro subunità che la costituiscono sono rappresentate due in blu e due in rosso.
L’emoglobina, come tutte le proteine, è formata da amminoacidi naturali uniti tra loro da un legame peptidico. Inoltre, come nella mioglobina, è presente una parte non proteica rappresentata dal gruppo prostetico eme presente in ognuno dei quattro monomeri proteici. Ogni catena contiene un gruppo prostetico chiamato eme, per un totale di quattro gruppi eme ovvero quattro molecole non proteiche legate alla proteina stessa.
Si calcola che in ogni eritrocito esistano circa 250 milioni di molecole di HGB. L’emoglobina, come la mioglobina, è una cromoproteina ed è la responsabile del colore rosso del sangue; più precisamente, è il ferro porfirinico del gruppo prostetico che determina il colore rosso del sangue. Grazie a questa proteina i globuli rossi hanno un caratteristico colore rosso.
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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. L’emoglobina si ritrova negli eritrociti (o globuli rossi o emazie) e la sua funzione principale è quella di trasportare ossigeno che captato a livello polmonare, negli alveoli, deve giungere ai tessuti periferici affinché possa essere utilizzato nelle reazioni mitocondriali per la produzione di ATP, la molecola di scambio energetico del nostro organismo. Oltre all’ossigeno l’emoglobina può trasportare altre molecole come il monossido di carbonio CO, il cianuro CN, e l’ossido nitrico NO.
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'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 che sono composti chimici in cui un atomo (o ione) centrale, forma dei 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. 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).
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Una spiegazione della presenza di più catene diverse è la seguente: nel corso del processo evolutivo degli organismi, anche l'emoglobina si è evoluta specializzandosi nel trasporto di ossigeno da zone che ne sono ricche a zone carenti. 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 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.
I singoli monomeri che realizzano la struttura quaternaria si influenzano tra loro determinando il cosiddetto effetto cooperativo che può essere positivo o negativo (a seconda se un monomero fa in modo che l’altro monomero vicino acquisisca maggiore o minore affinità per l’ossigeno). Le varie subunità della struttura quaternaria possono funzionare tra loro in modo indipendente oppure in modo cooperativo.
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").
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Inoltre, in assenza di ossigeno, la carica dell'istidina (vedi struttura) 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.
Vediamo l'effetto della temperatura. 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. 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).
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