¿Cómo se une la molécula de hemo a la proteína globina?

¡Buena pregunta! Editado en gran medida, ¡gracias Rafael García y Giridhar Sekar!
Me gustan las imágenes, pero hay toneladas para elegir, así que escogí algunas:

Este es el hemo oxigenado y las histidinas proximales y distales de la proteína globina. Esta no es una interacción electrostática, sino un ligando de hierro coordinado (covalentemente) con cuatro nitrógenos, esencialmente de uno a uno y medio de oxígeno y otro nitrógeno. El par solitario del nitrógeno no di-alílico de la cadena lateral de imidazol de la histidina está coordinado con el Fe (II), así como con los pares solos del oxígeno anterior. Editar: También debemos tener en cuenta que hay otros aminoácidos (leucina, valina, otra histidina) que rodean el hierro complejado. Esta imagen de abajo puede ser una simplificación (solo anillo de porfirina de hemo, sin cadenas laterales), pero creo que funciona, ya que el hemo se oxigena y se representa como plano, que es el caso:
Reducción de oxígeno

Lo que he escrito arriba es clásico, pero parcialmente erróneo. Ahora bien, esto es lo que se enseña en la mayoría de los libros, pero parece que hay un mecanismo diferente en juego: la formación de un ion superóxido y el estado de oxidación +3 del átomo de hierro, basado en observaciones experimentales:

• Página de Collman Group
• Procesos de unión del ligando en la hemoglobina
• Modelos para el sitio activo de las hemoproteínas que se unen al oxígeno (Publicaciones de ACS)
• Aumento de la carga efectiva de Fe en las hemoproteínas durante la oxigenación …

Esto es lo que ahora sabemos que es el caso-
Dos formas alternativas de dibujar el plegamiento de electrones y la coordinación con el hierro y el oxígeno / ion superóxido (esta es una imagen simplificada sin grupos funcionales en el hemo o alrededores, por lo que debe imaginarse otra histidina en la parte superior de la imagen):


Reducción de oxígeno

Ahora, cuando movemos esto al espacio tridimensional, y si hacemos un acercamiento un poco más, las conformaciones de los aminoácidos implicados se vuelven un poco más claras (para el hemo oxigenado representado a continuación con sus cadenas laterales pero no la histidina proximal):

Aquí hay una imagen bastante buena alejada:
http://www.pnas.org/content/97/1…

Ahora que hemos cubierto las propiedades estructurales básicas del complejo de oxígeno con hemo, podemos analizar los diferentes estados de transición implicados en el proceso de unión de hemo a globina, y cómo eso se relaciona con el hemo disociarse de globina a pH bajo (que fue el de Rafael García segundo, pregunta sin respuesta).

Entonces, en base a la curva de disociación de O2 para la hemoglobina (y el efecto Bohr), el O2 se disocia rápidamente a un pH bastante bajo. Esto implica dos conformaciones del anillo de porfirina y aminoácidos cercanos, y solo la hemoglobina desoxigenada (desoxihemoglobina) finalmente se disociará en hemo y globina una vez que el pH es bastante bajo.

La diferencia entre el hemo oxigenado y la estructura de hemo desoxigenada es evidente aquí, ya que hay un pequeño “pliegue” angular cuando la hemoglobina está desoxigenada que se “endereza” por el oxígeno anterior cuando está presente, y la histidina terminal / distal a continuación también cambia conformación por un pequeño ángulo cuando eso sucede:
Ambas imágenes de: Conferencia 20 – Proteínas IV

Ahora, para mostrar la transición y ambos estados en general, podemos ver el complejo a una escala mayor:
Tenga en cuenta que la “transición” es un evento realmente rápido, casi instantáneo, que no es como un intermedio porque es demasiado rápido.
II. Cambios en la estructura de la hemoglobina posterior a la unión de oxígeno

Otra imagen de los dos estados:
(Es la forma T que eventualmente se disocia a pH bajo)
Voet, Pratt, Fundamentos de Bioquímica , 4e

Ahora para la respuesta a la segunda pregunta en los comentarios de Rafael: la desoxihemoglobina se divide por ácidos (división de la hemoglobina por ácidos) en el enlace hierro (II) -nitrógeno (histidina F8) y el enlace de hidrógeno entre el otro nitrógeno tendría que romperse también. El resto de la molécula es estable y se estabiliza por aromaticidad incluso con dos grupos carbonilo “desprotonados” (con carga negativa) que “flotan” en la estrecha asa de la E-hélice y la F-hélice de la globina, lo que no parece permitir ninguna unión normal o de hidrógeno adicional.
Chaperoning erythropoiesis

Aquí está la estructura del “entorno” de hemo que lo bloquea en su lugar, pero en realidad no se une mucho a él. El enlace de hidrógeno entre la histidina F8 y el átomo de Fe (II) se resalta con una flecha negra y una línea discontinua roja a continuación:

BC – Ch 7 – Hemoglobina y mioglobina

Aquí hay otra imagen de lo mismo, excepto porque el documento simulaba las interacciones con un anión de cianuro en lugar de oxígeno (pero el ‘observador’ NIH es mejor, así que úselo).
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/core…

Uf. Eso llevó un tiempo, pero espero que haya sido de ayuda.