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.
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. L'ossigeno, essendo poco solubile in acqua, non può essere trasportato a livello dei tessuti nel plasma sanguigno. Per questo è necessario che l'ossigeno si leghi a qualche molecola nel torrente circolatorio. Invece, il ferro in forma ionica e precisamente nello stato di ossidazione +2, è meno reattivo del ferro metallico.
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.
Struttura dell'Emoglobina
L'emoglobina è costituita da 4 subunità. Per ogni molecola di emoglobina troviamo quindi quattro gruppi EME avvolti dalla relativa catena proteica globulare. Il sangue contiene i globuli rossi o eritrociti, i quali contengono l'emoglobina e quindi trasportano e rilasciano l'ossigeno. Durante il processo di maturazione a partire da cellule staminali, gli emocitoblasti, vengono prodotte le cellule figlie, che producono grandi quantità di emoglobina e perdono gli organelli citoplasmatici, come i mitocondri e il nucleo.
L'emoglobina A è quella tipica degli adulti e contiene due tipi di globine, quindi le 4 subunità sono due catene α, costituite ognuna da 141 amminoacidi, e due catene β, costituite ognuna da 146 amminoacidi. La struttura tridimensionale di queste due subunità è simile a quella della mioglobina, che pure varia in quanto a struttura primaria. L'interfaccia tra le subunità α1 e β1 e quella tra α2 e β2 sono costituite ognuna da circa 30 residui amminoacidici ed è abbastanza forte.
Dall'analisi ai raggi X, è stato possibile vedere che l'emoglobina è presente in due conformazioni: lo Stato R (rilassato) e lo Stato T (teso). In questo modo essa subisce una modificazione conformazionale che influenza anche le subunità adiacenti, facilitando quindi l'interazione delle altre subunità con l'ossigeno. Quindi, l'emoglobina è una proteina allosterica. Il legame cooperativo dell'ossigeno all'emoglobina venne scoperto nel 1910 da Hill.
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.
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").
Fattori che influenzano l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno
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.
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.
Invece, ad alta quota, la pressione di ossigeno è molto più bassa e il trasferimento di ossigeno ai tessuti si riduce. I feti hanno un'emoglobina differente. Al posto delle subunità β, sono presenti subunità γ. L'emoglobina fetale, che ha un'affinità molto bassa per il BPG, presenta un'elevata affinità per l'ossigeno.
Anomalie dell'Emoglobina
Sono note almeno 500 varianti genetiche dell'emoglobina umana, di cui alcune molto rare. Molte differiscono per un solo amminoacido, quindi subiscono mutazioni puntiformi. L'anemia falciforme colpisce soggetti che ereditano l'allele dell'emoglobina a cellule falciformi da entrambi i genitori.
L'emoglobina normale, chiamata emoglobina A, è molto più solubile di questo tipo di emoglobina, l'emoglobina S. L'emoglobina S contiene un residuo di valina anziché un residuo di glutammato nelle due catene β. La valina non ha la carica elettrica negativa che possiede il glutammato in catena laterale, quindi forma un'interazione idrofobica, che porta a un'anomalia strutturale della proteina.
Chi soffre di anemia falciforme presenta i seguenti sintomi: debolezza, respiro corto, problemi cardiaci, tachicardia e anche stati confusionali. Essi presentano solo la metà di emoglobina normale perché le cellule sono fragili e si rompono facilmente.
La malaria è causata dal parassita protozoo Plasmodium, che, inoculato dalla puntura della zanzara Anopheles, penetra nei globuli rossi più piccoli, spessi e deformati. Quindi la selezione naturale ha portato alla diffusione di una popolazione anemica.
Mioglobina ed Emoglobina: un confronto
Per poter parlare in modo comprensibile dell'emoglobina è utile occuparsi prima della mioglobina 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. 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. La Mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno.
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 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.
La funzione principale dell'emoglobina è il trasporto di ossigeno; un'altra funzione del sangue in cui è coinvolta l'emoglobina, è il trasporto di sostanze ai tessuti. 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.
La mioglobina, lega l'ossigeno anche a pressioni modeste; nei tessuti periferici si ha una pressione (PO2) di circa 30 mmHg: la mioglobina a tale pressione non rilascia ossigeno, quindi sarebbe inefficace come trasportatrice di ossigeno. L'emoglobina, invece, ha un comportamento più elastico: lega l'ossigeno ad alte pressioni e lo rilascia quando la pressione diminuisce.
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