Emoglobina: Formula Chimica, Struttura Completa e Funzioni Sorprendenti Svelate!

L'emoglobina (Hb) è una metalloproteina contenuta nei globuli rossi, essenziale per il trasporto di ossigeno nel torrente ematico. L'ossigeno, infatti, è solo moderatamente solubile in acqua; pertanto, le quantità disciolte nel sangue (meno del 2% del totale) non sono sufficienti a soddisfare le richieste metaboliche dei tessuti. Più del 98% dell'ossigeno presente nel sangue è legato all'emoglobina, che a sua volta circola nel torrente ematico all'interno dei globuli rossi.

Un principio conduttore aiuta a sintetizzare la grande quantità di materiale accumulato negli ultimi anni sull'emoglobina. La sintesi di emoglobina richiede un adeguato apporto di ferro con la dieta, considerando il ruolo centrale di questo metallo. Per ogni molecola di emoglobina troviamo quindi quattro gruppi EME avvolti dalla relativa catena proteica globulare.

Struttura dell'Emoglobina

Le emoglobine contengono due paia di catene polipeptidiche differenti: le subunità α, che sono costituite da 141 residui di amminoacidi, e le subunità non-α (cioè le catene β dell'HbA, le catene γ dell'HbF e le catene δ dell'HbA2), che sono composte da 146 residui; la sequenza degli amminoacidi (struttura primaria) delle catene α, β, e δ di emoglobina provenienti da numerose specie animali è ora completamente nota.

Un confronto fra le strutture primarie delle differenti subunità mostra che solo sei posizioni, su un totale di circa 140, sono sempre occupate dallo stesso amminoacido. A questi residui invarianti che, con un paio di eccezioni, si trovano nel ripiegamento proteico che contiene il gruppo eme e nella zona di contatto fra le subunità, è stato attribuito un ruolo molto importante nel determinare le proprietà strutturali e funzionali dell'emoglobina. La conoscenza dettagliata della struttura tridimensionale di questa proteina è in gran parte basata su studi cristallografici.

Le caratteristiche generali sono simili per le quattro catene polipeptidiche:

la maggior parte degli amminoacidi, sia delle subunità α che β, è disposta in regioni elicoidali; ciascuna catena contiene otto (subunità β) o sette (subunità α) di queste regioni, ripiegate una sull'altra e unite da brevi zone non-elicoidali, così da assumere una forma approssimativamente sferica;
la struttura tridimensionale delle subunità è tenuta insieme da legami deboli non-covalenti, come ponti salini, interazioni a idrogeno e molte interazioni non-polari;
i residui degli amminoacidi polari si trovano per lo più esposti al solvente, mentre i residui non-polari giacciono nell'interno della molecola o nelle regioni di contatto fra le subunità.

Le quattro catene sono unite fra loro in modo da formare un tetraedro irregolare con i gruppi eme ai quattro vertici. Il ripiegamento proteico, dove sono parzialmente incassati gli emi, è costituito, oltre che da due istidine apparentemente essenziali, da residui idrofobici che sono a contatto con le catene laterali dell'anello porfirinico. Una delle istidine, detta prossimale, coordina direttamente il ferro eminico ed è presente in tutte le emoglobine capaci di combinarsi reversibilmente con l'ossigeno; questo gas si lega all'atomo di ferro sul lato dell'eme opposto alla istidina prossimale. Il secondo residuo di istidina, detta distale, non è legato all'atomo di ferro, ma giace, rispetto al piano dell'eme, dallo stesso lato dell'ossigeno ed è situato in modo da poter interagire con i leganti. La natura idrofobica del sito dell'eme è della massima importanza per la stabilità del complesso con l'ossigeno.

La relazione fra ciascuna catena e le altre due di tipo diverso non è identica. Così il numero di punti di contatto fra le subunità α1 e β1 (34 residui di amminoacidi) è maggiore di quello fra le subunità α1 e β2 (19 residui di amminoacidi). Le conformazioni di ciascuna catena polipeptidica mostrano differenze significative nello stato ossigenato e in quello desossigenato della molecola. L'atomo di ferro è coplanare all'anello porfirinico del gruppo eme nell'ossiemoglobina, mentre nella desossiemoglobina esso giace fuori del piano di circa 0,6 Å.

È stato ipotizzato che il movimento dell'atomo di ferro, che avviene con l'ossigenazione, dia l'avvio a variazioni conformazionali della parte proteica, trasportando con sé il segmento polipeptidico a cui appartiene l'istidina prossimale. Le estremità carbossiliche di ciascuna catena polipeptidica, che si trovano in vicinanza dei gruppi eme, sono libere di ruotare nell'ossiemoglobina, mentre sono immobilizzate nella configurazione desossigenata; queste differenze strutturali coinvolgono variazioni nelle interazioni elettrostatiche (ponti salini) di gruppi ionizzabili che giocano un ruolo importante nei meccanismi molecolari dell'emoglobina.

Le quattro subunità delimitano una cavità centrale che attraversa la molecola lungo l'asse binario del tetramero; questa cavità, ripiena di acqua, è tappezzata da numerosi residui di amminoacidi polari. La posizione relativa delle catene polipeptidiche cambia con l'ossigenazione e l'effetto globale di questa variazione conformazionale è quello di lasciare le subunità α nella medesima posizione relativa e di aumentare la separazione delle subunità β.

Dissociazione in Subunità

La molecola dell'emoglobina in soluzione è in equilibrio di associazione-dissociazione con le sue subunità. Le condizioni che facilitano questa dissociazione sono: bassi valori di pH o, più esattamente, la presenza di acidi carbossilici indissociati, alti valori di pH e alte concentrazioni di sali. La reazione di mercuriali con i sei gruppi sulfidrilici dell'emoglobina induce una maggiore dissociazione che coinvolge anche le singole catene polipeptidiche.

In queste ultime condizioni è possibile separare, con elettroforesi o cromatografia, la subunità α dalle β, in uno stato nativo, cioè possono essere isolate le subunità in grado di reagire reversibilmente con l'ossigeno.

Funzione dell'Emoglobina

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 fatto che la regione plateu sia così ampia pone un importante margine di sicurezza alla massima saturazione dell'emoglobina durante il passaggio nei polmoni. Sebbene la pO2 a livello alveolare sia normalmente pari a 100 mm Hg, notiamo infatti come anche ad una pressione parziale di ossigeno pari a 70 mmHg (evenienza tipica di alcune malattie o della permanenza in alta quota), le percentuali di emoglobina saturata restino vicine al 100%.

In condizioni di riposo, la PO2 nei liquidi intracellulari è pari a circa 40 mmHg; in tale sede, per le leggi dei gas, l'ossigeno disciolto nel plasma diffonde verso i tessuti più poveri di O2 attraversando la membrana del capillare. Di conseguenza, la tensione plasmatica di O2 scende ulteriormente e ciò favorisce la liberazione di ossigeno dall'emoglobina.

Fattori che influenzano l'affinità per l'ossigeno

Diversi fattori influenzano l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno:

pH: Lo stesso effetto si ottiene acidificando il sangue: tanto più diminuisce il pH ematico e tanto meno ossigeno rimane legato all'emoglobina; nel sangue l'anidride carbonica si trova disciolta prevalentemente in forma di acido carbonico, che si dissocia.
Temperatura: In particolare, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce con l'aumento della temperatura corporea.
2,3 difosfoglicerato (DPG): Se le sue concentrazioni all'interno del globulo rosso aumentano, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce, facilitando quindi il rilascio di ossigeno ai tessuti. Le concentrazioni eritrocitarie di 2,3 difosfoglicerato aumentano, ad esempio, nelle anemie, nell'insufficienza cardio-polmonare e durante il soggiorno in altura.

L'effetto Bohr risulta molto importante durante il lavoro muscolare intenso; in simili condizioni, infatti, nei tessuti maggiormente esposti allo sforzo si assiste ad un aumento locale della temperatura e della pressione di anidride carbonica, quindi dell'acidità ematica. Per quanto esposto, tutto ciò favorisce la cessione di ossigeno ai tessuti, spostando verso destra la curva di dissociazione dell'emoglobina.

Origine dei Fenomeni Cooperativi ed Effetti Allosterici

La forma sigmoide della curva di equilibrio dell'emoglobina con i leganti riflette un aumento di affinità man mano che aumenta il grado di saturazione; in altre parole, la combinazione successiva delle quattro molecole di ossigeno con ciascuna molecola di emoglobina è resa sempre più facile. Questo fenomeno d'interazione cooperativa (la cosiddetta interazione tra gli emi) dipende appunto dalle variazioni conformazionali indotte dal legame dell'ossigeno.

Forse l'aspetto più importante per la comprensione dei meccanismi molecolari alla base del trasporto dei gas respiratori è la scoperta che l'emoglobina può esistere in almeno due conformazioni ben distinte, corrispondenti allo stato desossigenato (conformazione a bassa affinità per i leganti allo stato T nella terminologia dei modelli allosterici) e allo stato ossigenato (conformazione ad alta affinità per i leganti o forma R). Queste conformazioni, che in soluzione sono in equilibrio termodinamico, si differenziano tra loro, come già detto, nella posizione di residui laterali delle singole catene polipeptidiche e specialmente nella posizione relativa delle subunità.

La differenza di struttura tra l'emoglobina ossigenata e quella desossigenata è considerata la base fisica della cooperatività nei vari modelli proposti per descrivere i fenomeni d'interazione che dominano le reazioni di questa proteina. La combinazione dei leganti con la forma desossigenata dell'emoglobina induce variazioni della struttura terziaria delle singole subunità che si legano con l'ossigeno; ciò conduce a una progressiva rottura dei ponti salini fra le estremità carbossiliche, che a un certo punto determina la transizione dalla struttura quaternaria T, a bassa affinità per i leganti, a quella R, ad alta affinità.

Effetto del Solvente sull'Equilibrio con l'Ossigeno

Sebbene sia noto da tempo che la composizione del solvente (cioè la concentrazione e il tipo di soluti, oltre la proteina) influenzi le proprietà funzionali dell'emoglobina, solo recentemente si è giunti all'identificazione dei gruppi atomici sulla parte proteica coinvolti nell'interazione con le molecole del solvente. Inoltre è stato chiarito che alcuni soluti rivestono un importante significato fisiologico a livello molecolare; in particolare l'effetto del 2,3-disfofoglicerato (DPG) sull'affinità per i leganti ha assunto un preciso significato fisiologico, accoppiando il trasporto dell'ossigeno ai processi metabolici intraeritrocitari.

Il DPG si lega all'emoglobina in un rapporto di uno per tetramero. L'affinità per la forma desossigenata, a bassa forza ionica, è molto alta (circa 104-106M-1), mentre quella per la forma ossigenata è da 1 a 2 ordini di grandezza più piccola; in condizioni fisiologiche, l'interazione con l'ossiemoglobina è tuttavia trascurabile. La diminuzione dell'affinità per l'ossigeno, determinata dalla presenza di fosfati organici nel solvente, implica che la desossiemoglobina ha una maggiore affinità della forma ossigenata per queste molecole.

La formazione del complesso del DPG con la desossiemoglobina infatti è accompagnata da una variazione di energia libera (circa −6,5 kcal/mole), che determina appunto la stabilizzazione della conformazione desossigenata responsabile della resistenza all'ossigenazione che l'emoglobina mostra in presenza di questo cofattore. Studi di diffrazione dei raggi X hanno permesso l'identificazione del sito dove il DPG si lega alla desossiemoglobina: esso si trova nella cavità centrale della proteina e coinvolge numerosi gruppi caricati positivamente che formano ponti salini con le cariche negative del DPG.

La conformazione del sito di legame è distorta con l'ossigenazione e la perdita della complementarietà della distribuzione delle cariche elettriche spiega la ridotta affinità dei fosfati organici per l'ossiemoglobina: il medesimo effetto del DPG può essere riprodotto anche con molti anioni inorganici, come i cloruri e i fosfati; solo il DPG è però capace di esercitare la sua influenza a concentrazioni (5 mM) compatibili con l'equilibrio osmotico dell'eritrocita.

I protoni costituiscono un altro importante componente del solvente che modifica l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno (effetto Bohr). L'effetto Bohr alcalino è una conseguenza del fatto che la conformazione desossigenata si combina con i protoni più facilmente di quella ossigenata; poiché nei tessuti, come risultato dei processi metabolici, si ha una maggiore concentrazione di protoni, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce ed è così facilitata la liberazione di questo gas.

I gruppi atomici responsabili dell'effetto Bohr sono pochi e fra essi sono stati identificati la valina, che si trova in posizione amminica-terminale nelle subunità α, e l'istidina, situata all'estremità carbossilica delle subunità β. La forza acida di questi gruppi è normale nell'ossiemoglobina, dove sono liberi di muoversi a contatto con il solvente, mentre nella deossiemoglobina la loro forza acida diminuisce, poiché la forma protonata è stabilizzata da ponti salini.

È ben noto che l'anidride carbonica, disciolta nel solvente, influenza l'affinità dell'emoglobina. È stato ora chiarito che una frazione significativa di anidride carbonica (circa il 15% del totale) si combina direttamente all'emoglobina. Poiché la formazione di carbammati è più pronunciata con la desossiemoglobina che con il derivato ossigenato, l'anidride carbonica legata in questa maniera fa diminuire l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno con il medesimo meccanismo del DPG e dei protoni, favorendo cioè la conformazione desossigenata.

Il trasporto dell'ossigeno da parte dell'emoglobina è così sotto il controllo di almeno questi tre cofattori: DPG, protoni e anidride carbonica.

Emoglobine Anormali

Anormali sono definite le emoglobine caratterizzate da un'alterazione della parte proteica della molecola. Sono state scoperte circa 200 varianti dell'emoglobina umana e si conosce anche il tipo e la posizione dell'amminoacido coinvolto; di esse oltre 30 mostrano proprietà funzionali anormali.

Fattori che influenzano l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno
Fattore	Effetto sull'affinità	Meccanismo
pH (aumento acidità)	Diminuisce	Stabilizzazione della desossiemoglobina
Temperatura (aumento)	Diminuisce	Modifiche conformazionali
2,3-DPG (aumento)	Diminuisce	Legame preferenziale alla desossiemoglobina
Anidride carbonica (aumento)	Diminuisce	Formazione di carbammati e stabilizzazione della desossiemoglobina