L'emoglobina è una metalloproteina contenuta nei globuli rossi, deputata al trasporto di ossigeno nel torrente ematico. 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.
Struttura dell'Emoglobina
Per poter parlare in modo comprensibile dell'emoglobina (Hb), è utile occuparsi prima della mioglobina (Mb) che è molto simile all'emoglobina ma è molto più semplice. Tra emoglobina e mioglobina ci sono stringenti relazioni di parentela: entrambe sono proteine coniugate ed il loro gruppo prostetico (parte non proteica) è il gruppo eme.
L'emoglobina è infatti costituita da una porzione proteica chiamata globina ed un complesso ferro/porfirina chiamato appunto eme. L'atomo di ferro nell'eme è nello stato di ossidazione ferroso (Fe2+). 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). Una spiegazione della presenza di più catene diverse è la seguente: nel corso del processo evolutivo degli organismi, anche l'emoglobina si è evoluta specializzandosi nel trasporto di ossigeno da zone che ne sono ricche a zone carenti.
Il Gruppo Eme: Struttura e Composizione
Il gruppo eme è 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 (-CH=). 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.
Sintesi del Gruppo Eme
Nell’organismo umano, 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.
Funzione dell'Emoglobina
La funzione principale dell'emoglobina è il trasporto di ossigeno. 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.
L'emoglobina, invece, ha un comportamento più elastico: lega l'ossigeno ad alte pressioni e lo rilascia quando la pressione diminuisce. Quando una proteina è funzionalmente attiva, essa può mutare un po' la sua forma; ad esempio la mioglobina ossigenata ha una forma diversa dalla mioglobina non ossigenata e questa mutazione non influisce su quelle vicine. Il discorso è diverso nel caso di proteine associate come l'emoglobina: quando una catena si ossigena è indotta a cambiare la sua forma ma tale modificazione è tridimensionale perciò ne risentono anche le altre catene del tetrametro.
Il fatto che le catene siano tra loro associate, induce a pensare che la modifica di una si ripercuota sulle altre vicine anche se in misura diversa; quando una catena si ossigena, le altre catene del tetrametro assumono un "atteggiamento meno ostile" nei riguardi dell'ossigeno: la difficoltà con cui una catena si ossigena diminuisce man mano che le catene ad essa vicine si ossigenano a loro volta.
Effetto Bohr
Lo stesso effetto si ottiene acidificando il sangue: tanto più diminuisce il pH ematico e tanto meno ossigeno rimane legato all'emoglobina; non a caso, nel sangue l'anidride carbonica si trova disciolta prevalentemente in forma di acido carbonico, che si dissocia. 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.
La struttura quaternaria della deossiemoglobina prende il nome di forma T (tesa) mentre quella della ossiemoglobina viene chiamata forma R (rilasciata); nello stato teso vi sono una serie di interazioni elettrostatiche piuttosto forti tra amminoacidi acidi e amminoacidi basici che portano ad una struttura rigida della deossiemoglobina (ecco il perché del "forma tesa"), mentre quando si lega l'ossigeno, l'entità di queste interazioni diminuisce (ecco il perché del "forma rilasciata"). Inoltre, in assenza di ossigeno, la carica dell'istidina (vedi struttura) viene stabilizzata dalla carica opposta dell'acido aspartico mentre, in presenza di ossigeno, c'è la tendenza da parte della proteina, a perdere un protone; tutto ciò comporta che l'emoglobina ossigenata sia un acido più forte dell'emoglobia deossigenata: effetto bohr. Ogni emoglobina rilascia 0,7 protoni per mole di ossigeno (O2) entrante.
Altri fattori che influenzano l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno
Tra gli altri fattori in grado di modificare l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno ricordiamo la temperatura. In particolare, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce con l'aumento della temperatura corporea. Il 2,3 difosfoglicerato è un intermedio della glicolisi che influenza l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. 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. Non a caso, le concentrazioni eritrocitarie di 2,3 difosfoglicerato aumentano, ad esempio, nelle anemie, nell'insufficienza cardio-polmonare e durante il soggiorno in altura.
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. 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. 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. Qui infatti è prevalente la pressione parziale del gas ‘di scarto’. 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.
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.
Mioglobina
La Mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno. La mioglobina è una proteina globulare costituita da una singola catena di circa centocinquanta amminoacidi (dipende dall'organismo) ed il suo peso molecolare è di circa 18 Kd. L'eme è un anello tetrapirrolico (protoporfirina): presenta quattro anelli pirrolici tenuti insieme da gruppi metilenici (-CH=); a completare la struttura ci sono due gruppi vinilici (CH2=CH-), quattro gruppi metilici (-CH3) e due propionici (-CH2-CH2-COO-). Il legame tra protoporfirina e ferro è un legame tipico dei composti detti di coordinazione che sono composti chimici in cui un atomo (o ione) centrale, forma dei legami con altre specie chimiche in numero superiore al suo numero di ossidazione (carica elettrica). Il numero di coordinazione (numero di legami di coordinazione) del ferro è sei: ci possono essere sei molecole attorno al ferro che mettono in condivisione gli elettroni di legame. Quando il ferro è sotto forma di ione libero, i suoi orbitali di tipo d hanno tutti la stessa energia; nella mioglobina, lo ione ferro è legato alla protoporfirina e all'istidina: tali specie perturbano magneticamente gli orbitali d del ferro; l'entità della perturbazione sarà diversa per i vari orbitali d a seconda della loro orientazione spaziale e di quella delle specie perturbanti.
Tabella Riassuntiva
| Caratteristica | Emoglobina | Mioglobina |
|---|---|---|
| Struttura | Tetramero (4 subunità) | Monomero (1 subunità) |
| Gruppi Eme | 4 | 1 |
| Funzione primaria | Trasporto di ossigeno nel sangue | Riserva di ossigeno nei muscoli |
| Affinità per l'ossigeno | Variabile, influenzata da pH, CO2, temperatura | Alta, non influenzata da pH, CO2, temperatura |
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