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CAPITOLO 5: FUNZIONE DELLE PROTEINE - Coggle Diagram

- - - - Interazione proteina-ligando
        
        Le interazioni proteina-ligando possono essere descritte quantitativamente
        La funzione della mioglobina dipende dalla capacità delle proteine non solo di legare l’ossigeno, ma anche di rilasciarlo quando è necessario.
        In biochimica la funzione del legame reversibile di un ligando L a una proteina P può essere descritto da una reazione all’equilibrio: (seguono calcoli…)
        P+L <--/--> PL
        Ka= (PL)/(P)(L)
        Il termine Ka identifica la costante di associazione che indica l'equilibrio tra il complesso PL (proteina-ligando) e i componenti non legati del complesso; in pratica è una misura dell'affinità del ligando L per la proteina P.
        Il termine Ka è equivalente al rapporto tra le velocità della reazione verso destra e della reazione verso sinistra, che formano e scindono il complesso PL.
        Il termine Kd, costante di dissociazione, viene usato molto più spesso di Ka per esprimere l’affinità di una proteina per il suo ligando, ed è il reciproco di Ka.
        Kd è la costante di equilibrio della reazione di rilascio del ligando. Si noti che un valore molto basso di Kd corrisponde a un’elevata affinità della proteina per il ligando.
        Y= siti di legame occupati/totale dei siti di legame= (L)/(L)+Kd
        La matematica può ridurre questo concetto a una semplice asserzione: Kd corrisponde alla concentrazione molare di ligando a cui metà dei siti di legame disponibili è occupata dal ligando. A questo punto la proteina ha saturato metà dei suoi siti di legame. Quanto più saldamente la proteina lega il ligando, tanto più bassa è la concentrazione di ligando necessaria a occupare metà dei siti di legame, e minore è il valore di Kd.
        Negli esperimenti in cui viene usato ossigeno come ligando, viene variata la pressione parziale di questo gas, pO2, in quanto è molto più facile misurare quest’ultima che non la concentrazione del gas disciolto nella soluzione. La concentrazione di una sostanza volatile in soluzione è sempre proporzionale alla pressione parziale locale del gas.
        
        Il meccanismo di legame dei ligandi dipende dalla struttura delle proteine
        
        Il monossido di carbonio si lega alle molecole di eme libero circa 20.000 volte meglio dell’ossigeno (cioè la Kd o P50 del legame del CO all'eme libero è oltre 20.000 volte più bassa di quella dell’ossigeno), ma si lega solo 40 volte meglio quando l’eme è localizzato all’interno della mioglobina.
        La variazione di affinità relativa di CO e O2 per l’eme quando l’eme è legato a una globina è determinata dalla struttura della globina.
        Quando l’eme è legato alla mioglobina, la sua affinità per l’O2 è incrementata selettivamente dalla presenza della His distale (His64, o His7 nella mioglobina).
        Il complesso Fe-O2 è molto più polare del complesso Fe-CO; una carica negativa parziale si distribuisce sugli atomi di ossigeno dell’O2 legato, per la parziale ossidazione dell’atomo di ferro con cui interagisce. Questo complesso polare è stabilizzato elettrostaticamente da un legame idrogeno tra la catena laterale imidazolica dell’His E7 e l’O2 legato. L’affinità della mioglobina per l’O2 quindi è incrementata selettivamente di 500 volte; non si ha questo effetto per il legame Fe-CO.
        Di conseguenza, l’affinità di legame dell’eme libero per il CO, 20.000 volte maggiore rispetto a quella per l’O2, si riduce a circa 40 volte per l’eme inserito nella mioglobina.
        Il legame dell’ossigeno all'eme nella mioglobina dipende anche dai movimenti molecolari, o “respirazione”, della struttura proteica. La molecola dell’eme è immersa in profondità nel polipeptide ripiegato e l’ossigeno non ha una via diretta per passare dalla soluzione circostante al sito di legame sull’eme. Se la proteina fosse rigida, l’O2 non potrebbe entrare oppure uscire facilmente dalla tasca dell’eme. I movimenti molecolari molto rapidi delle catene amminoacidiche laterali producono cavità transitorie nella struttura della proteina e l’ossigeno evidentemente sfrutta questi spazi per entrare o uscire dalla proteina. La His distale funziona come un cancello che regola l’accesso alla tasca principale vicino all’atomo di ferro dell’eme.
  - - - Legame con l'ossigeno
        
        L’emoglobina trasporta l’ossigeno nel sangue
        Gli eritrociti umani normali sono cellule di piccole dimensioni (con un diametro di 6-9 micrometri), a forma di disco biconcavo, che originano da precursori cellulari staminali detti emocitoblasti. Durante il processo di maturazione le cellule staminali producono molte cellule figlie, che formano grandi quantità di emoglobina e perdono tutti gli organuli citoplasmatici: nucleo, mitocondri e reticolo endoplasmatico.
        Gli eritrociti sono quindi vestigia di cellule, incapaci di replicarsi e destinati a sopravvivere, almeno quelli umani, solo per circa 120 giorni. La loro funzione principale è quella di trasportare l’emoglobina disciolta nel loro citosol a una concentrazione molto elevata (circa il 34% del loro peso).
        Nel sangue arterioso che dai polmoni arriva al cuore attraverso i tessuti periferici l’emoglobina è saturata per circa il 96% di ossigeno. Nel sangue venoso che ritorna al cuore e poi ai polmoni l’emoglobina è invece saturata dall’ossigeno per circa il 64%.
        Le interazioni tra le subunità dell’emoglobina determinano variazioni nell’affinità della proteina per l’ossigeno. La modulazione del legame dell’ossigeno consente a questa proteina di rilasciare ossigeno ai tessuti in base alla loro domanda.
        
        Il legame dell’ossigeno provoca una variazione strutturale nell’emoglobina
        L’analisi ai raggi X ha messo in evidenza due differenti conformazioni dell’emoglobina: lo stato R e lo stato T. L’ossigeno si lega a entrambi gli stati dell’emoglobina, ma ha un’affinità maggiore per lo stato R. Il legame dell’ossigeno stabilizza lo stato R. In assenza di ossigeno, una condizione che si può ottenere in laboratorio, lo stato T è più stabile ed è quindi la conformazione prevalente della deossiemoglobina. Le lettere T ed R indicano rispettivamente lo stato “teso” e “rilassato”, in quanto lo stato teso viene stabilizzato da un gran numero di interazioni ioniche, molte delle quali si verificano in corrispondenza delle interfacce a1B2 e a2B1. Il legame dell’O2 a una delle subunità nello stato T dell’emoglobina innesca una variazione conformazionale, che converte la subunità nello stato R. La transizione della proteina nel suo complesso non modifica sostanzialmente le strutture delle singole subunità, ma i due monomeri aB scivolano l’uno rispetto all’altro e ruotano, restringendo così la tasca tra le subunità B. Durante questo processo alcuni legami ionici che stabilizzano lo stato T si spezzano e se ne formano altri. Max Perutz ipotizzò che la transizione T—>R venisse innescata da cambiamenti della posizione di alcuni residui chiave che circondano l’eme. Nello stato T la porfirina ha una forma a cupola e pertanto il ferro all’interno dell’eme tende a protrudere dal lato dell’stidina prossimale His F8. Il legame dell’ossigeno costringe l’eme ad assumere una conformazione più planare, modificando la posizione dell’his prossimale e dell’elica F in cui l’His è inserita. Questi cambiamenti conducono a un riposizionamento delle coppie ioniche all’interno dell’interfaccia a1B2.
        
        L’emoglobina lega l’ossigeno con un meccanismo cooperativo
        L’emoglobina deve legare in modo efficace l’ossigeno nei polmoni, dove la pO2 del gas è di circa 13,3 kPa, e rilasciare ossigeno nei tessuti, dove la pO2 è di circa 4kPa. Una proteina che lega l’ossigeno con un’elevata affinità si saturerà facilmente nei polmoni, ma non libererà molto ossigeno nei tessuti. Se invece la proteina ha una bassa affinità per l’ossigeno, potrà rilasciarlo nei tessuti, ma non sarà in grado di saturarsi nei polmoni. L’emoglobina risolve questi problemi mediante la sua transizione da uno stato a bassa affinità (lo stato T) a uno ad alta affinità (lo stato R) man mano che vengono legate più molecole di O2.
        Il risultato di questa transizione è una curva di legame dell’ossigeno ad andamento sigmoide.
        Il legame dell’ossigeno a una delle subunità dell’emoglobina può modificare l’affinità per l’O2 delle subunità adiacenti. La prima molecola di O2 che interagisce con la deossiemoglobina si lega debolmente, perché si lega a una subunità nello stato T. Questo legame determina però un cambiamento conformazionale che viene comunicato alle subunità adiacenti, rendendo più facile l’interazione con altre molecole di ossigeno. Dopo che l’ossigeno si è legato alla prima subunità, la transizione T—>R rende più facile il legame di una seconda molecola di ossigeno.
        Una proteina allosterica è appunto quella in cui il legame di un ligando a un sito modifica le proprietà di un altro sito nella stessa molecola proteica. Il termine “allosterico” deriva dal greco allos, “altro”, e steros, “solido” o “forma”. Le proteine allosteriche possono avere forme o conformazioni diverse, indotte dal legame di ligandi chiamati anche modulatori. I cambiamenti conformazionali indotti dai modulatori interconvergono tra loro forme più o meno attive della stessa proteina. Se il normale ligando di una proteina allosterica è anche un modulatore, l’interazione è detta omotropica. Se invece il modulatore è una molecola diversa dal ligando normale, l’interazione viene definita eterotropica. Alcune proteine hanno due o più modulatori e possono avere contemporaneamente interazioni omotropiche ed eterotropiche. Il legame di una molecola di ligando modifica l’affinità degli altri siti ancora vuoti e l’ossigeno in questo caso può essere considerato sia un ligando normale, sia un modulatore omotropico. Vi è un solo sito per l’ossigeno in ogni subunità, e quindi l’effetto allosterico che dà origine alla cooperatività è dovuto ai cambiamenti conformazionali trasmessi da una subunità a un’altra mediante interazioni subunità-subunità.
        Come nel caso della mioglobina, ligandi diversi dall’ossigeno si possono legare all’emoglobina. Un importante esempio è il monossido di carbonio, che è in grado di legarsi all’emoglobina circa 250 volte più saldamente dell’ossigeno (il legame idrogeno cruciale tra O2 e l’His distale nell'emoglobina umana non è forte come nella maggior parte delle mioglobine dei mammiferi, quindi il legame di O2 rispetto a quella del CO non è aumentato a sufficienza).
        
        Il legame cooperativo di un ligando può essere descritto quantitativamente
        Il legame cooperativo dell’ossigeno all’emoglobina è stato studiato per la prima volta da Archibald Hill nel 1910. Per una proteina con n siti di legame, la reazione all’equilibrio diventa:
        P+nL<—/—>PLn
        Da questa nuova relazione è ricavabile l’equazione di Hill e il grafico ad esso correlato, funzione del logaritmo:
        log(Y/1-Y)= nlog(L)-logKd
        Basandosi sull’equazione, n corrisponde alla pendenza della funzione; la pendenza determinata sperimentalmente riflette il grado di interazione tra i siti di legame. La pendenza in un grafico di Hill viene indicata con nH, il coefficiente di Hill, una misura del grado di cooperatività.
        Se nH è uguale a 1, il legame del ligando non è cooperativo, una condizione che può verificarsi anche in una proteina multimerica se le subunità che la compongono non comunicano tra loro.
        Se il valore di nH è superiore a 1, vi è invece una cooperatività positiva nel legame del ligando. Il limite teorico superiore per nH viene raggiunto nH=n; in questo caso il legame sarà completamente cooperativo: tutti i siti di legame di una proteina legheranno il ligando contemporaneamente, e in queste condizioni non vi saranno molecole proteiche solo parzialmente saturare. In pratica è impossibile raggiungere questo limite e i valori misurati di nH sono sempre inferiori al numero dei siti di legame.
        Un valore di nH inferiore all’unità indica una cooperatività negativa, in cui il legame di una molecola di ligando impedisce il legame di altre. I casi di cooperatività negativa ben documentati sono rari.
        Per adattare l’equazione di Hill al legame dell’ossigeno all’emoglobina:
        log(Y/1-Y)=nlogpO2-nlogp50
        
        Il legame cooperativo può essere descritto da due modelli
        Vi sono due modelli proposti per spiegare il meccanismo del legame cooperativo di ligandi alle proteine con più siti di legame:
        
        Il primo modello proposto nel 1965 da Jacques Monod, Jeffries Wyman e Jean-Pierre Changeux, da cui il nome di modello MWC o modello concertato. In base a questo modello, le subunità di una proteina che lega i ligandi in modo cooperativo sono funzionalmente identiche, ciascuna subunità può esistere in almeno due conformazioni e tutte le subunità vanno incontro simultaneamente a una transizione da una conformazione all’altra. Il modello concertato prevede che in una proteina multimerica le subunità non possano essere presenti in stati conformazionali diversi. Le due conformazioni sono in equilibrio tra loro. Il ligando può legarsi alle due conformazioni, ma si lega molto più strettamente allo stato R. Il successivo legame delle molecole di ligando alla conformazione T a bassa affinità (che è più stabile in assenza di ligando) sposta gradualmente l’equilibrio a favore della conformazione R.
        
        Nel secondo modello, il modello sequenziale, proposto nel 1966 da Daniel Koshland e dal suo gruppo di ricerca, il legame del ligando induce un cambiamento conformazionale in una singola subunità, che a sua volta induce un cambiamento simile in una subunità adiacente, rendendo più probabile il legame di una seconda molecola di ligando. Questo modello prevede l’esistenza di più stati intermedi rispetto al modello concertato.
        
        I due modelli non si escludono a vicenda. Il modello concertato può essere considerato come un caso limite del modello sequenziale. Sfortunatamente, dal punto di vista sperimentale i due modelli si distinguono con difficoltà.
        
        Il monossido di carbonio: un assassino furtivo
        Il monossido di carbonio, un gas inodore e incolore, è responsabile di più della metà delle morti per avvelenamento nel mondo. Il CO ha un’affinità per l’emoglobina circa 250 volte più elevata rispetto all’ossigeno. Di conseguenza, concentrazioni relativamente basse di CO possono causare effetti notevoli e tragici. Quando il CO lega l’emoglobina il complesso viene detto carbossiemoglobina, o COHb.
        Dato il forte legame del CO all’emoglobina, la COHb si può accumulare nel tempo in persone esposte a sorgenti di CO costanti, anche se di basso livello. In media una persona in buona salute poco meno dell’1% dell’emoglobina totale è presente sotto forma di COHb. Considerando che il CO è un prodotto del fumo del tabacco, molte persone che fumano hanno livelli di COHb tra il 3% e l’8% dell’emoglobina totale, e il livello può aumentare fino al 15% in chi fuma molto.
        In che modo la COHb influisce sugli esseri umani?
        Quando è presente a livelli minori del 10% rispetto all’emoglobina totale i sintomi sono raramente osservabili. Con il 15% di COHb le persone accurano un leggero mal di testa. Tra il 20 e il 30% si ha un forte mal di testa, di solito accompagnato da nausea, capogiri, confusione, disorientamento e alcuni disturbi visivi; questi sintomi sono generalmente reversibili se viene somministrato ossigeno. Se i livelli di COHb sono compresi tra il 30 e il 50% i sintomi neurologici diventano più marcati, e a livelli vicini al 50% la persona perde conoscenza e può cadere in coma. Possono seguire disfunzioni respiratorie, e in seguito a esposizioni prolungate, alcuni danni diventano irreversibili. Il decesso normalmente avviene quando il livello di COHb aumenta fino al 60%. Il legame del CO all’emoglobina è influenzato da numerosi fattori, tra cui anche l’esercizio fisico e la variazione della pressione dell’aria in relazione all’altitudine. A causa del livello basale più elevato di COHb in chi fuma, l’esposizione a una fonte di CO spesso causa la manifestazione dei sintomi più velocemente rispetto a chi non fuma. Le persone con patologie cardiache o polmonari o con malattie del sangue che possono ridurre la disponibilità di ossigeno nei tessuti presentano sintomi a livelli più bassi di esposizione al CO. I feti sono particolarmente a rischio di avvelenamento da CO, perché l’emoglobina fetale, in cui le subunità gamma sostituiscono le beta, ha un’affinità maggiore per il CO rispetto all’emoglobina dell’adulto.
        Il legame del CO all’emoglobina oltre a sequestrare proteina disponibile per il legame con l’ossigeno, influenza anche l’affinità delle rimanenti subunità di emoglobina per l’ossigeno. Non appena il CO si lega a una o due subunità del tetramero, l’affinità per l’O2 delle restanti aumenta notevolmente. Un tetramero riempito in questo modo quindi lega in modo efficiente l’ossigeno dei polmoni ma ne rilascia molto poco a livello dei tessuti. La mancanza di ossigeno nei tessuti si aggrava rapidamente; per giunta, gli effetti del CO non sono limitati all’interferenza con la funzione dell’emoglobina. Il CO si lega ai gruppi eme di altre proteine e anche a diverse metalloproteine.
        
        Il legame dell’ossigeno all’emoglobina è regolato dal 2,3-bifosfoglicerato
        L’interazione del 2,3-bifosfoglicerato (BPG) con le molecole di emoglobina regola ulteriormente la funzione dell’emoglobina e rappresenta un chiaro esempio di modulazione allosterica eterotropica. Il BPG si lega in un sito distante da quello dell’ossigeno e regola l’affinità del legame dell’O2 all’emoglobina in relazione alla pO2 nei polmoni. Il BPG è presente in concentrazioni relativamente elevate negli eritrociti. Il 2,3-bifosfoglicerato riduce fortemente l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno; c’è quindi una relazione inversa tra il legame dell’O2 e quello del BPG.
        Possiamo allora scrivere un’altra reazione di legame dell’ossigeno all’emoglobina:
        HbBPG+O2<—/—>HbO2+BPG
        Il BPG svolge una funzione importante nell’adattamento fisiologico alla bassa pO2 che si riscontra a quote elevate. A livello del mare, in una persone in salute il legame dell’ossigeno all’emoglobina è regolato in modo che l’O2 trasferito ai tessuti sia circa il 40% della qualità massima di gas che il sangue può trasportare. Immaginiamo che questa persone venga portata rapidamente su una montagna a 4500 m di altezza, dove la pressione di ossigeno è molto più bassa: il trasferimento di ossigeno ai tessuti è ora ridotto. Tuttavia, dopo soltanto poche ore di permanenza in alta quota, la concentrazione di BPG nel sangue della persone in questione comincia ad aumentare, generando una diminuzione dell’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno. Questa variazione nei livelli di BPG provoca solo un piccolo effetto sul legame dell’O2 a livello dei polmoni, ma ha un effetto molto evidente sul suo rilascio a livello dei tessuti periferici. Di conseguenza, il trasferimento di ossigeno ai tessuti torna a essere circa il 40% della quantità totale di gas che il sangue può trasportare. L’inverso avviene quando la persona ritorna a livello del mare.
        La concentrazione di BPG negli eritrociti aumenta anche nelle persone che soffrono di ipossia, dovuta a una minore ossigenazione dei tessuti periferici per effetto di un cattivo funzionamento dei polmoni o del sistema circolatorio. Il BPG si lega all’emoglobina nella cavità tra le sub-unità beta nello stato T. Questa cavità è rivestita da residui amminoacidici carichi positivamente che interagiscono con i gruppi carichi negativamente del BPG.
        Diversamente dall’ossigeno, solo una molecola di BPG si lega a ogni tetrametro di emoglobina. Il BPG abbassa l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno e stabilizza lo stato T. In assenza di BPG l’emoglobina è presente principalmente nello stato R, in cui lega l’ossigeno con efficienza nei polmoni ma ne rilascia una quantità minore nei tessuti periferici.
        La regolazione del legame dell’ossigeno all’emoglobina operata dal BPG ha una funzione essenziale nello sviluppo fetale. Dato che il feto deve ottenere l’ossigeno dal sangue materno, l’emoglobina fetale (HbF) deve avere un’affinità per l’O2 superiore a quella dell’emoglobina materna. Nei feti, anziché subunità beta sono prodotte subunità gamma, e si forma emoglobina alfa2gamma2. Questo tetramero ha un’affinità per il BPG molto più bassa di quella della normale emoglobina adulta e di conseguenza un’alta affinità per l’ossigeno.
      - Struttura
        
        Le subunità dell’emoglobina sono strutturalmente simili alla mioglobina
        L’emoglobina ha una forma quasi sferica, con un diametro di circa 5,5 nm. È una proteina tetramerica contenente quattro gruppo prostetici eme, uno per ciascuna catena polipeptidica, l’emoglobina A (emoglobina nell’adulto) contiene due tipi di globine: due catene alfa (141 residui ciascuna) e due catene beta (146 residui ciascuna). Le strutture tridimensionali dei due tipi di catene dell’emoglobina sono molto simili l’una all’altra e anche alla mioglobina, suggerendo una loro evoluzione all’interno della più ampia superfamiglia delle globine.
        La struttura quaternaria dell’emoglobina è caratterizzata da interazioni molto forti tra le subunità di tipo diverso. L’interfaccia a1B1 (come la sua controparte a2B2) comprende circa 30 residui ed è sufficientemente forte da resistere a blandi trattamenti denaturanti. Le interfacce a1B2 e a2B1, comprendono 19 residui.
        L’effetto idrofobico svolge il ruolo principale nella stabilizzazione di queste interfacce, ma ci sono anche molti legami idrogeno e alcune coppie ioniche chiamate anche ponti salini.
        
        L’anemia a cellule falciformi è una malattia delle molecole emoglobiniche
        Sono note quasi 500 varianti genetiche dell’emoglobina umana, tutte molto rare a eccezione di qualche forma particolare. La maggior parte delle varianti è costituita da molecole emoglobiniche che differiscono per un solo residuo amminoacidico. Gli effetti sulla struttura e sulla funzione dell’emoglobina spesso sono trascurabili, ma talvolta possono invece avere notevoli conseguenze. L’anemia colpisce le persone che ereditano l’allele dell’emoglobina a cellule falciformi da entrambi i genitori. Il numero degli eritrociti diminuisce e anche la loro forma risulta alterata. Oltre a un numero più elevato di cellule immature, il sangue di queste persone contiene eritrociti allungati, sottili, a forma di falce. Se l’emoglobina estratta dalle cellule falciformi (chiamata emoglobina S o HbS) viene deossigenata, forma polimeri che si aggregano in fibre tubulari e diventa insolubile. L’emoglobina normale (emoglobina A o HbA) rimane invece solubile anche dopo la deossigenazione. Le fibre insolubili dell’emoglobina S deossigenata causano la deformazione a falce degli eritrociti. La quantità di cellule a forma di falce aumenta rapidamente man mano che il sangue viene deossigenato. Le proprietà alterate dell’emoglobina S sono il risultato di una singola sostituzione amminoacidica, un residuo di Glu in posizione 6 nelle due catene beta. La sostituzione di un residuo di Glu con un residuo di Val crea un punto di contatto di idrofobo “appiccicoso” nella posizione 6 della catena beta, che si trova sulla superficie esterna della molecola. Queste zone appiccicose fanno si che le molecole di deossiemoglobina S si associano in modo anomalo l’una con l’altra, formando aggregati di fibre allungati tipici della malattia. L’anemia a cellule falciformi è una malattia grave e dolorosa. Le persone colpite vanno incontro a crisi ripetute a seguito di ogni sforzo fisico. Esse soffrono di debolezza, stati confusionali, respiro corto, soffi cardiaci e tachicardia. I livelli ematici di emoglobina sono circa la metà del valore normale, che è intorno a 15-16 g/mL, perché le cellule falciformi sono fragili e se si rompono facilmente; il risultato è una condizione di anemia. Una conseguenza ancora più grave è il blocco del flusso sanguigno nei capillari intasati dalle cellule a forma di falce, che provoca un forte dolore e altera le funzioni dell’organo colpito. E’ questa la causa principale della morte prematura delle persone colpite. Se non viene trattata, questa malattia conduce a morte durante l’infanzia. La frequenza dell’allele per l’anemia falciforme è particolarmente elevata in alcune zone dell’Africa. Studi sulla diffusione della malattia hanno evidenziato che nelle persone eterozigoti l’allele conferisce una certa resistenza verso forme di malaria anche letali. Le persone eterozigoti sono colpite da una forma blanda della malattia, chiamata tratto falciforme; solo l’1% dei loro eritrociti diventa falciforme durante la deossigenazione. Queste persone possono condurre una vita perfettamente normale, ma devono evitare sforzi muscolari violenti e altre condizioni di stress sul sistema circolatorio. La selezione naturale ha portato alla diffusione di una popolazione in cui esiste un bilanciamento tra gli effetti deleteri della condizione omozigotica e la resistenza alla malaria dovuta alla condizione eterozigotica.
      - L’emoglobina trasporta anche H+ e CO2
        L’emoglobina trasporta anche due prodotti finali della respirazione cellulare, H+ e CO2, dai tessuti ai polmoni e ai reni, dove sono escreti. Il CO2 prodotto nei mitocondri dall’ossidazione delle sostanze organiche nutrienti, viene idratato in forma di bicarbonato:
        CO2+H2O<—/—>H+HCO3-
        Questa reazione è catalizzata dall’anidrasi carbonica, un enzima particolarmente abbondante negli eritrociti. Il CO2 non è molto solubile in acqua, pertanto nei tessuti e nel sangue si potrebbero formare bollicine di questo gas se esso non venisse rapidamente convertito in bicarbonato. L’idratazione del CO2 determina un aumento della concentrazione di ioni H+ (una diminuzione del pH) nei tessuti.
        Il legame dell’ossigeno all’emoglobina è profondamente influenzato dal pH e dalla concentrazione di CO2; la conversione in bicarbonato diventa quindi un processo molto importante per la regolazione del legame dell’ossigeno e del suo rilascio nel sangue.
        L’emoglobina trasporta ai polmoni e ai reni circa il 40% degli ioni H+ totali e il 15-20% del CO2 formato dai tessuti. (Gli ioni H+ rimanenti vengono assorbiti dal tampone bicarbonato del plasma, mentre il CO2 restante viene trasportato sotto forma di HCO3- e CO2 disciolti).
        Gli effetti strutturali del legame di H+ e di CO2 all’emoglobina favoriscono lo stato T. Quindi, il legame di H+ e di CO2 all’emoglobina è inversamente proporzionale al legame dell’ossigeno. Nelle condizioni di pH relativamente basso e di elevata concentrazione di CO2 presenti nei tessuti periferici, l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno diminuisce man mano che H+ e CO2 si legano e O2 è rilasciato nei tessuti. Al contrario, nei capillari dei polmoni, man mano che il CO2 viene eliminato e si ha un incremento del pH del sangue, l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno aumenta e la proteina può legare più ossigeno da trasportare ai tessuti periferici. Questo effetto del pH e della concentrazione di CO2 sul legame e sul rilascio dell’ossigeno dall’emoglobina è detto effetto Bohr, scoperto nel 1904.
        L’equilibrio della reazione dell’emoglobina con l’O2 può essere rappresentato dalla reazione:
        HHb++O2<—/—>HbO2+H+
        Ossigeno e H+ non si legano allo stesso sito sull’emoglobina. L’ossigeno si lega agli ioni ferrosi dei gruppi eme, mentre lo ione H+ può legarsi alle catene laterali di diversi residui amminoacidici della proteina. Il principale contributo all’effetto Bohr è dato dall’His 146 o HC3 delle subunità B. Quando è protonato, questo residuo forma una coppia ionica con l’Asp 94 FG1, che contribuisce a stabilizzare la deossiemoglobina nello stato T. L’emoglobina lega anche il CO2 in maniera inversamente proporzionale al legame dell’ossigeno. Il CO2 si lega sotto forma di carbammato al gruppo alfa-amminico dell’estremità amminoterminale di ciascuna catena globinica; si genera in questo modo carboamminoemoglobina. Questa reazione produce ioni H+ e contribuisce a determinare l’effetto Bohr. I carbammati che si formano sull’emoglobina generano ponti salini che stabilizzato ulteriormente lo stato T e favoriscono il rilascio di ossigeno.