Struttura e meccanismo dell'emoglobina

L'emoglobina è un tetramero del tipo α2β2. La struttura terziaria delle due subunità α e β è considerevolmente simile ed entrambe sono simili alla mioglobina. Queste subunità si assemblano disponendosi ai vertici di un tetraedro, creando una molecola quasi sferica. Le catene polipeptidiche dell'emoglobina sono organizzate in modo da avere notevoli interazioni tra le subunità di tipo diverso. Ognuna delle catene α è in contatto con le catene β e ognuna delle catene β è in contatto con quelle α, attraverso interazioni di carattere idrofobico e numerosi legami idrogeno. Le interazioni α-α o β-β sono, invece, molto scarse e con un carattere prevalentemente polare.  La ossiemoglobina e la deossiemoglobina differiscono notevolmente per la loro struttura quaternaria. Quando l'emoglobina lega l'ossigeno all'eme, i contatti α1β2 e α2β1 vengono modificati mentre i contatti α1β1 e α2β2 rimangono immodificati, probabilmente per il fatto che sono determinati da associazioni più ravvicinate. Quando l'emoglobina passa dalla forma deossigenata a quella ossigenata, l'ossigenazione fa ruotare il dimero α1β1 di circa 15° rispetto al dimero α2β2 e alcuni atomi all'interfaccia α1β2 si spostano anche di 6 A relativamente agli altri.
La conformazione quaternaria della deossiHb viene detta stato T (teso). Quella della ossiHb, che è essenzialmente indipendente dal tipo di ligande usato per indurla, viene detta stato R (rilassato). Le forme deossiHb e ossiHb rappresentano quindi due stati conformazionali diversi. Il cambiamento conformazionale da T a R è innescato dal movimento del Fe(II) nel piano dell'eme. Nello stato T il Fe(II) è situato circa 0,6 A fuori del piano del gruppo eme sul lato dell'istidina prossimale a causa della forma a cupola dello scheletro dell'eme dei legami Fe—Nporfirina che sono troppo lunghi per consentire al Fe di giacere nel piano dell'eme. La variazione nello stato elettronico dell'eme in seguito al legame dell'O2, determina un abbassamento della cupola dell'eme ed una contrazione di circa 0,1 A dei legami Fe—Nporfirina. Passando dallo stato T allo stato R, il Fe si sposta nel centro del piano dell'eme, dove l'ossigeno può coordinarsi senza l'interferenza sterica della porfirina. Il movimento del ferro trascina con sé l'His prossimale che, a sua volta, inclina l'elica F traslocandola più vicino al piano dell'eme. Quest'ultima elica, inoltre, cambia l'orientamento dell'anello imidazolico consentendo al Fe(II) di entrare nel piano dell'eme. Nello stato T (deossiHb) i residui carbossi-terminali delle quattro subunità sono vincolati da ponti salini e da legami idrogeno che devono essere rotti per passare allo stato R. I ponti salini intrasubunità ed intersubunità contribuiscono quindi a stabilizzare lo stato T. Al contrario, nello stato R, i residui C-terminali di ogni subunità sono liberi di ondeggiare in soluzione. Le modificazioni strutturali che accompagnano la transizione T→R rompono i ponti salini in un processo guidato dall'energia di formazione del legame Fe—O2.