La cooperatividad positiva del enlace del oxígeno a la hemoglobina (Hb) surge en el efecto de que un heme enlazado tiene en la afinidad de enlace de otro heme. Se sabe que, por la distancia de 25 a 37 Å, entre los hemes de la Hb que la interacción entre ellos no podrá poseer un carácter electrónico. Por tanto, estas interacciones son transmitidas mecánicamente por la proteína. En las últimas tres décadas, la elucidación de cómo el proceso de enlace del oxígeno a la Hb ocurre motivó una intensa investigación a nivel de la estructura de la Hb. El análisis estructural de los cristales de rayos X proporcionó imágenes de los estados R y T de la Hb en varios estados de enlace, sin embargo, no mostraron evidencias de cómo la proteína altera de estado. Es difícil determinar la secuencia de eventos que resulta en tales transformaciones, porque, para ello, es necesaria una profunda comprensión de los mecanismos intrínsecos de la proteína que en ese momento aún no está completamente elucidada. Sin embargo, teniendo en cuenta las estructuras de rayos X de la Hb, Max Perutz (1914 – 2002) formuló un mecanismo de oxigenación de la Hb, conocido como el Mecanismo de Perutz.
Mecanismo de Perutz
En el estado T, el Fe (II) está situado a 0.6 Å fuera del plano heme, del lado de la histinida proximal, por la estructura piramidal del esqueleto de la porfirina y porque los enlaces Fe-Nporfirina son demasiado largos para permitir que el Fe esté en el plano de la porfirina. La alteración del estado electrónico del grupo heme en el enlace al O2 hace que los enlaces del Fe-Nporfirina contraigan cerca de 0.1 Å. Consecuentemente, moviéndose del estado T para el estado R, el Fe (II) se mueve para el centro del plano del heme donde el O2 puede coordinar con él sin una interferencia estérica de la porfirina. El movimiento del Fe arrastra a la histidina proximal con él, lo que provoca el doblamiento de la hélice F y su desplazamiento en 1 Å a lo largo del plano heme. Este movimiento lateral ocurre porque, en el estado T, el anillo imidazol de la histidina proximal está orientado de una forma en que el movimiento de 0.6 Å relativamente al plano del heme provoca su colisión con el heme; sin embargo, la hélice F orienta el anillo imidazol, permitiendo, de este modo, que el Fe (II) se mueva en el plano del heme. Además de esto, en el estado T, en la subunidad β, la Valina E11 obstruye parcialmente el sitio de enlace del O2, haciendo con que ésta tenga que ser movida antes de ocurrir el enlace al O2.
Las diferencias entre las conformaciones R y T de la Hb ocurren, principalmente, en el interfaz α1-β2 (y en el α2-β1), que es compuesto por una hélice C y un segmento FG de la subunidad α1, contactando, respectivamente, con el segmento FG y la hélice C de la subunidad β2. La alteración de la estructura cuaternaria resulta en un cambio relativo de 6 Å en la interfaz α1C-β2FG. En el estado T, la histidina FG4(97)β está en contacto con la treonina C6(41)α, mientras en el estado R contacta con la treonina C3(38)α. En ambas conformaciones, las protuberancias de una subunidad encajan con las depresiones de la otra. Se cree que una posición intermediaria entre estos dos estados (T y R) sea extremamente tenso porque llevaría a que la histidina FG4(97)β y la treonina C6(41)α estuviesen demasiado juntas, haciendo con que estas protuberancias no se encajen de una forma armoniosa.
El estado R es estabilizado por el enlace del ligando. Sin embargo, en la ausencia del ligando el estado T es más estable que el estado R. En los mapas de densidad electrónica referentes al estado R de la Hb, los residuos C-terminal de cada subunidad (arginina 141α e histidina 146β) aparecen como una mancha, sugiriendo que estos residuos estén libres para moverse en la solución. Por otro lado, los mapas de la estructura T muestran que estos residuos están firmemente anclados a través de puentes salinas, que evidentemente ayudan a estabilizar la estructura T. las alteraciones estructurales que acompañan la transición del estado T para el R eliminan estos puentes salinos en un proceso conducido por la energía de formación del enlace Fe-O2.
Por tanto, el enlace del O2 a la Hb requiere una serie de movimientos altamente coordinados:
1) El Fe (III) de cualquier subunidad no se puede mover del plano del heme sin la reorientación de su histidina proximal;
2) La histidina proximal está tan rígidamente empaquetada por sus grupos vecinos que no se consigue reorientar, a no ser que este movimiento sea acompañado por el movimiento lateral de la hélice F a lo largo del plano del heme;
3) El movimiento de la hélice F sólo es posible con la alteración de la estructura cuaternaria que hace con que el enlace α1C-β2FG se doble a lo largo de la hélice α1C.
4) La inflexibilidad de las interfaces α1-β1 e α2-β2 requiere que estas alteraciones estructurales ocurran simultáneamente en las interfaces α1-β2 e α2-β1.
De este modo, ninguna subunidad o dímero puede alterar su conformación independientemente de la de los otros. En realidad, las dos posiciones estables del enlace α1C-β2FG hace con que la Hb esté limitada a dos estructuras cuaternarias, el estado R y el estado T.
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