Scopri Tutto sull’Emoglobina: Struttura, Funzione e Segreti dei Gruppi Eme!

L'emoglobina è una metalloproteina contenuta nei globuli rossi, deputata al trasporto di ossigeno nel torrente ematico.

Struttura dell'Emoglobina

L'emoglobina è infatti costituita da una porzione proteica chiamata globina ed un complesso ferro/porfirina chiamato appunto eme. L'emoglobina degli animali superiori ha peso molecolare attorno a 68,000 ed è costituita da una proteina (la globina) legante quattro gruppi prostetici (gruppi eme) per molecola. La globina è diversa da specie a specie per qualità e disposizione degli amminoacidi costitutivi (circa 575); vi sono poi differenze individuali, e nell'uomo, nello stesso individuo esiste una globina di tipo fetale, una di tipo adulto ed una di tipo intermedio.

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). Le quattro subunità dell’emoglobina non sono tutte uguali, ma sono a due a due. Due monomeri sono detti alfa e due monomeri sono detti beta. Fra loro differiscono a livello della capacità di legare l’ossigeno. Due monomeri sono detti alfa e due monomeri sono detti beta.

Gruppo Eme: Struttura e Composizione

Il gruppo eme è costituito nella emoglobina da un tetrapirrolo, la protoporfirina IX (H. Fischer) ed ha in posizione centrale un atomo di ferro ferroso. SI tratta di un complesso costituito da un atomo di ferro al centro di una protoporfirina.

SI tratta di una tipologia di porfirine, molecole biologiche note per la loro capacità di formare chelati con gli ioni metallici. La protoporfirina che dà la struttura al gruppo eme si chiama protoporfirina IX. Questa forma è molto diffusa in natura sia nei pigmenti respiratori sia in enzimi quali ossigenasi e ossidasi.

La protoporfirina IX è formata a sua volta da quattro anelli pirrolici che sono legati fra loro da gruppi metilenici. SI tratta del legame di tipo -CH=, doppio. Nella sua struttura sono compresi anche due gruppi vinilici (CH2=CH-), quattro gruppi metilici singoli (-CH3) e due propionici, per esteso -CH2-CH2-COO-.

Ione ferroso e protoporfirina uniti formano il gruppo eme, con un legame di coordinazione. Si utilizza questo termine qualora uno ione o un atomo forma un numero di legami maggiore rispetto al proprio numero di ossidazione. La formula molecolare del complesso è C34H32FeN4O4 e la sua massa molare risulta perciò pari a 616,5 grammi.

I legami formati in questo complesso sono deboli e reversibili e qualora l’eme venga ossidato la molecola si definisce emina. All’interno dell’emoglobina il gruppo costituisce la parte prostetica della molecola, ovverossia non proteica. Ci sono più forme possibili per l’eme, ma la più diffusa è indicata con la lettera b.

Dei 6 posti di coordinazione dell'atomo di ferro, 4 sono legati agli atomi di azoto degli anelli pirrolici, uno si lega ad un atomo di azoto imidazolico della globina ed il sesto lega nella ossigenazione una molecola di ossigeno ed in assenza di ossigeno probabilmente una molecola di acqua. Nella ossigenazione della emoglobina intervengono profonde modificazioni della configurazione elettronica della molecola di ossigeno che viene legata e dell'atomo di ferro che la lega; l'emoglobina ridotta è paramagnetica, la ossigenata diamagnetica; gli spettri delle due sostanze sono molto diversi. Ogni gruppo eme può dunque legare una molecola di ossigeno e quindi ogni molecola di emoglobina può legare fino a 4 molecole di ossigeno.

Sintesi del Gruppo Eme

Nell’organismo umano come già accennato l’eme è fondamentale per la sintesi dell’emoglobina che verrà poi immagazzinata nei globuli rossi. I centri del corpo in cui si produce sono due: il midollo osseo e il fegato. Nelle ossa l’85% delle molecole sintetizzate viene impiegato per l’emoglobina e la parte restante per la mioglobina. Il fegato produce il 5% del totale del composto e lo utilizza nei citocromi.

I siti cellulari dove avviene la sintesi del gruppo sono il citosol e i mitocondri. La prima reazione della catena di montaggio del gruppo eme comprende l’enzima ALA sintasi che dà origine all’omonimo composto. Dai mitocondri ALA passa al citoplasma e diventa porfobilinogeno grazie all’intervento dell’ALA deidratasi. Dalla condensazione di quattro molecole di questo composto si genera poi il preuroporfirinogeno.

Attraverso altre reazioni si arriva alla stabilizzazione dei quattro gruppi metilici e al coproporfirinogeno 3. La coproporfinirogeno ossidasi porta alla forma protoporfirinogeno 9. Con un’ulteriore ossidazione si arriva in dirittura d’arrivo con la protoporfirina 9. A questo punto basta poco: si creano i doppi legami grazie alla protoporfirinogeno ossidasi e si inserisce lo ione con la ferro chelasi.

Il gruppo eme si genera grazie al catabolismo dell’emoglobina di cui si riciclano delle componenti, prima di tutto il ferro. Per la parte globinica è necessario un sufficiente apporto di amminoacidi essenziali; in caso di carenza di questi l'organismo riduce prima la sintesi di altre proteine che non quella della emoglobina ("priorità" della emoglobina). Per la sintesi del tetrapirrolo è necessaria la presenza di glicina (che l'organismo sa ricavare da altri amminoacidi). Il ferro viene fornito dai depositi di ferritina, una proteina legante il 20% in peso di ferro e che si trova soprattutto nel fegato, nella milza e nel midollo osseo. Alla sintesi della emoglobina è necessaria anche la presenza del rame.

La sintesi avviene negli eritroblasti, che poi maturano a globuli rossi. Per questa sintesi è necessaria la presenza del nucleo cellulare. Il globulo rosso circolante ha un corredo emoglobinico che dura quanto la sua vita (circa 120 giorni): al disfacimento del globulo si accompagna la disgregazione della molecola emoglobinica; il ferro viene assunto ancora nei depositi di ferritina, il nucleo tetrapirrolico dà luogo ai pigmenti biliari, la rottura della globina ai comuni prodotti del catabolismo proteico.

Funzione dell'Emoglobina

La funzione dell'emoglobina nel sangue è quella di trasportare l'ossigeno ai tessuti. Più del 98% dell'ossigeno presente nel sangue è legato all'emoglobina, che a sua volta circola nel torrente ematico allocata all'interno dei globuli rossi. Considerato il ruolo centrale di questo metallo, la sintesi di emoglobina richiede un adeguato apporto di ferro con la dieta.

Ogni gruppo eme può dunque legare una molecola di ossigeno e quindi ogni molecola di emoglobina può legare fino a 4 molecole di ossigeno. Caratteristica di questa interazione tra ossigeno ed emoglobina è la reversibilità della reazione. Durante il passaggio del sangue nei capillari degli alveoli polmonari, l'emoglobina lega a sé l'ossigeno, che successivamente cede ai tessuti nella circolazione periferica.

Tale scambio avviene poiché i legami dell'ossigeno con il ferro del gruppo EME sono labili e sensibili a molti fattori, il più importante dei quali è la tensione o pressione parziale di ossigeno. Nei polmoni, la tensione di ossigeno plasmatica aumenta a causa della diffusione del gas dagli alveoli al sangue (↑PO2); tale aumento fa sì che l'emoglobina si leghi avidamente all'ossigeno; il contrario avviene nei tessuti periferici, dove la concentrazione di ossigeno disciolto nel sangue diminuisce (↓PO2) ed aumenta la pressione parziale di anidride carbonica (↑CO2); ciò induce l'emoglobina a rilasciare ossigeno caricandosi di CO2.

Il legame del ferro all’ossigeno avviene a livello degli alveoli polmonari. L’emoglobina trasporta il gas fino ai tessuti periferici dove invece inseguito al rilascio dell’O2 si lega al complesso l’anidride carbonica. Normalmente la quantità di ossigeno disciolto nel sangue è molto bassa proprio per influenzare l’affinità del gruppo eme per l’ossigeno. La sua cessione avviene grazie all’effetto Bohr, ossia dell’influenza della presenza più elevata di CO2.

A sua volta anche il pH sanguigno può avere effetti sul legame con l’ossigeno. Più sono concentrati gli ioni H+ minore sarà la forza del legame tra ione ferroso e ossigeno. Negi alveoli si riscontra un pH alcalino e l’ossigeno si lega all’emoglobina con buona affinità, l’inverso avviene nei tessuti dove l’ambiente è più acido. Un ultimo fattore anche se meno determinante è la temperatura corporea. Più è freddo più l’affinità è alta, più è caldo minore questa risulterà in proporzione.

Emoglobina in Azione

Emoglobina e mioglobina contengono rispettivamente quattro gruppi eme e un complesso singolo. Entrambe hanno un ruolo cruciale nell’organismo dei mammiferi per trasportare ossigeno ai tessuti e consentire la respirazione cellulare.

Mentre l’emoglobina è un tetramero, e quindi conta quattro subunità proteiche, la mioglobina invece è una proteina globulare a sé stante. La mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno.

E la mioglobina? Piccola rispetto alla sorella ma a sua volta con un ruolo chiave. Per la precisione veicolare l’ossigeno a livello dei mitocondri delle cellule muscolari. Ha una presenza preponderante perciò anche a livello della pompa del sangue, il muscolo cardiaco. Il colore che conferisce ai tessuti è sempre un rosso intenso, dovuto all’ossidazione del ferro del gruppo eme.

La mioglobina risulta importante nelle analisi del sangue soprattutto perché la sua presenza nel sangue può indicare danni cardiaci. SI tratta di un importante marker poiché si innalza rapidamente poco dopo l’infarto. Se un paziente presenta sintomi tipici si procede subito al controllo. Il picco di mioglobina nel sangue si raggiunge circa 10 ore dopo l’ischemia ma entro 24 ore ritorna a livelli basali. Controllare dopo quindi potrebbe inficiare la diagnosi.

Rispetto all’emoglobina questo monomero presenta un’affinità per l’ossigeno più alta, come si vede dalla sua curva di saturazione. Infatti riesce a legarlo in una regione corporea in cui la pressione del gas è più bassa rispetto agli alveoli, dove si associa al gruppo eme dell’emoglobina.

Avvelenamento da Monossido di Carbonio

L'ossido di carbonio agisce come veleno perché il CO forma un complesso con l'emoglobina molto più stabile di quello dell'ossigeno. Anche concentrazioni abbastanza basse di CO nell'aria possono provocare morte per soffocamento, bloccando la maggior parte della emoglobina nella corrente sanguigna.