Emoglobina: Scopri la Struttura Sorprendente e le Funzioni Vitali che Non Conoscevi!

Per comprendere appieno l'emoglobina (Hb), è utile analizzare prima la mioglobina (Mb), una proteina molto simile ma più semplice. Tra emoglobina e mioglobina esistono strette relazioni: entrambe sono proteine coniugate e il loro gruppo prostetico (parte non proteica) è il gruppo eme.

Mioglobina: Un Analogo Strutturale

La mioglobina è una proteina globulare costituita da una singola catena di circa centocinquanta amminoacidi (a seconda dell'organismo) e ha un peso molecolare di circa 18 Kd.

Il Gruppo Eme

L'eme è un anello tetrapirrolico (protoporfirina) con quattro anelli pirrolici tenuti insieme da gruppi metilenici (-CH=). La struttura è completata da 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, in cui un atomo (o ione) centrale forma 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.

La mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno.

Emoglobina: Struttura Quaternaria e Funzione

L'emoglobina è un tetramero, ovvero 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). 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.

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 tetramero.

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 tetramero 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").

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'emoglobina deossigenata: effetto Bohr. Ogni emoglobina rilascia 0,7 protoni per mole di ossigeno (O2) entrante.

Vediamo l'effetto della temperatura. A pH fisiologico, il 2,3 bisfosfoglicerato è deprotonato ed ha su di sé cinque cariche negative; si va ad incuneare tra le due catene beta dell'emoglobina perché tali catene presentano un'elevata concentrazione di cariche positive.

Un altro fenomeno che si verifica quando un eritrocita raggiunge un tessuto è il seguente: per gradiente, l'HCO3- (derivato dell'anidride carbonica) esce dall'eritrocita e, per bilanciare l'uscita di una carica negativa, si ha l'ingresso di cloruri che determina un aumento della pressione osmotica: per bilanciare questa variazione si verifica anche l'ingresso di acqua che causa un rigonfiamento dell'eritrocita (effetto Hamburger). Il fenomeno opposto si verifica quando un eritrocita raggiunge gli alveoli polmonari: si ha uno sgonfiamento degli eritrociti (effetto Haldane).

L'emoglobina è una metalloproteina contenuta nei globuli rossi, deputata al 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 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. Per ogni molecola di emoglobina troviamo quindi quattro gruppi EME avvolti dalla relativa catena proteica globulare.

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. Anidride carbonica è presente nel sangue e meno ossigeno rimane legato all'emoglobina.

Sebbene la quantità di ossigeno fisicamente disciolto nel sangue sia molto bassa, essa ricopre quindi un ruolo fondamentale. 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, osservando la figura 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.

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. 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. 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. 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.

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 è costituita da 4 subunità.

Struttura dell'Emoglobina

Le quattro subunità che la costituiscono sono rappresentate due in blu e due in rosso. 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.

L'anidride carbonica prodotta dalla respirazione mitocondriale in seguito all'ossidazione delle molecole organiche, subisce reazione di idratazione, formando in maniera reversibile protoni e ioni bicarbonato. Questa reazione è catalizzata dall'enzima anidrasi carbonica, presente in grandi quantità nei globuli rossi. L'anidride carbonica è poco solubile in acqua e quindi deve essere convertita in bicarbonato (HCO3−). Nei polmoni, invece, l'anidride carbonica viene espulsa e, quindi, si trova presente in scarsa quantità.

La funzione dell'emoglobina è regolata anche dal 2,3-bisfosfoglicerato (BPG), il quale è presente in alte concentrazioni nei globuli rossi. L'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno è minore quando la concentrazione di BPG aumenta. 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.

Varianti Genetiche e Patologie

Sono note almeno 500 varianti genetiche dell'emoglobina umana, di cui alcune molto rare. Molte differiscono per un solo amminoacido, quindi subiscono mutazioni puntiformi.

Anemia Falciforme

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.

Talassemia

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.

Valori di emoglobina al di sotto di queste soglie sono correlati prevalentemente ad anemia, carenza di ferro o gravidanza. Meno frequentemente, bassi livelli di emoglobina sono indice di patologie tumorali, come la leucemia, o di avvelenamento da piombo.

Emoglobinopatie

Nei Mammiferi l’emoglobina è una molecola con peso molecolare di circa 68.000, costituita da 4 catene polipeptidiche uguali a due a due, due catene α e due catene β. A ciascuna catena dell’emoglobina è legata una molecola di eme, un complesso del ferro con la protoporfirina IX: ogni molecola di emoglobina porta legate 4 molecole di eme, ciascuna in grado di trasportare una molecola di O2 . A seconda dello stato di ossidazione del ferro, le emoglobine si possono suddividere in emoglobine contenenti ferro ferroso (ridotto) ed emoglobine contenenti ferro ferrico (ossidato).

Le principali emoglobine contenenti ferro ferroso sono la desossiemoglobina (Hb), nella quale le molecole di ossigeno sono rimpiazzate da molecole d’acqua, l’ ossiemoglobina (HbO2), che è la forma ossigenata dell’emoglobina, e la carbossiemoglobina (HbCO), nella quale l’ossigeno è sostituito da una molecola di monossido di carbonio (l’elevata tossicità del monossido di carbonio deriva dal fatto che per esso l’emoglobina ha un’affinità circa 50 volte maggiore di quella per l’O2).

L’analisi della struttura tridimensionale ha rivelato che l’emoglobina ha una conformazione spaziale quasi sferica con numerosi tratti a elica e che le 4 subunità presentano numerosi punti di contatto, che variano durante la reazione dell’emoglobina con l’O2. In ciascuna catena sono presenti regioni caratteristiche, che consentono all’emoglobina di svolgere la sua funzione di trasportatrice di ossigeno e permettono la regolazione della sua affinità per l’O2 da parte di una serie di effettori allosterici positivi e negativi. Infatti, a una determinata pressione parziale di ossigeno presente nel mezzo in cui è disciolta l’emoglobina, la frazione di emoglobina.

Nell’uomo, in particolare, il ruolo principale di regolatore dell’affinità dell’emoglobina per l’O2 è svolto dall’acido 2,3-difosfoglicerico. Nella reazione di legame dell’emoglobina con l’O2 bisogna ricordare il cosiddetto fenomeno dell’interazione fra emi (o effetto cooperativo dell’emoglobina) che provoca cambiamenti di conformazione che avvengono in seguito al legame di una molecola di O2 con una delle 4 catene dell’emoglobina; questi cambiamenti favoriscono e accelerano il legame delle successive 3 molecole di O2 ai siti di legame liberi sugli emi delle altre 3 catene.

Le caratteristiche strutturali e funzionali consentono quindi che nell’uomo l’emoglobina trovi negli alveoli polmonari le condizioni per essere totalmente ossigenata (elevata pressione parziale di O2, pH leggermente alcalino, bassa pressione parziale di CO2) e, una volta giunta ai tessuti, sia in grado di cedere l’O2 necessario per il metabolismo aerobio cellulare in seguito ad alcuni fattori che ne diminuiscono l’affinità (bassa pressione parziale di O2, pH leggermente acido, elevata pressione parziale di CO2).

Nell’uomo adulto la componente principale dell’emoglobina normale è la cosiddetta HbA1, che rappresenta circa il 95% del contenuto emoglobinico, formata da due catene α e due β (α2β2) costituite rispettivamente da 141 e 146 amminoacidi. Il rimanente 5% è formato dalla HbA1−c, forma glicosilata dell’HbA1 (un residuo glicosidico è legato all’estremità N-terminale di ciascuna catena β dell’emoglobina), che riveste una particolare importanza poiché il suo contenuto aumenta fino a tre volte nei soggetti diabetici, dalla HbA2, costituita da due catene α e due δ, e dalla MetHb.

Nei feti umani di età superiore alle 12 settimane il componente emoglobinico principale è l’ e. fetale (HbF), costituita da due catene α e due γ. L’e. fetale è presente nel sangue neonatale anche dopo la nascita, ma viene rapidamente sostituita dall’HbA1 (nell’adulto sono presenti solo tracce di HbF). Negli eritrociti umani normali sono contenuti circa 31 g di emoglobina per 100 ml di globuli rossi, corrispondenti a circa 13,5-15 g di emoglobina.

La conoscenza della sequenza amminoacidica di un gran numero di emoglobine (provenienti da specie molto distanti fra loro) ha permesso di stabilire l’esistenza di una notevole somiglianza nella struttura primaria delle varie emoglobine e di costruire un albero filogenetico che indica la loro origine da una proteina ancestrale comune.

L’ emoglobinemia è l’abnorme presenza di emoglobina. L’ emoglobinuria è l’abnorme presenza di emoglobina nelle urine, le quali appaiono di colore variabile dal rosa al bruno. Condizione necessaria è l’emolisi e il concomitante passaggio di emoglobina nel plasma e quindi nell’urina. Può verificarsi in corso di malattie infettive (malaria, tetano, tifo ecc.), intossicazioni (da chinino, solfammidici, fosforo, veleni di serpenti, funghi velenosi ecc.), difetti enzimatici ereditari (per es. favismo), in seguito a trasfusioni di sangue, o a introduzione endovenosa di sostanze ipotoniche rispetto al siero di sangue.

Le alterazioni di origine genetica della struttura primaria della molecola dell’emoglobina vanno sotto il nome di emoglobinopatie, termine generico designante uno stato patologico connesso con la presenza di una emoglobina patologica. Uno dei moderni metodi per la diagnosi è l’elettroforesi, che permette di determinare eventuali diversità di carica elettrica dovuta a sostituzioni di amminoacidi nell’emoglobina patologica. Per es., nell’emoglobina S, responsabile della falcemia, l’acido glutammico è sostituito dalla valina; per l’emoglobina C, spesso associata all’emoglobina S, si tratta della sostituzione dell’acido glutammico con la lisina.

Per le talassemie α e β l’alterazione dei rapporti quantitativi fra le catene di globina deriva da vari tipi di mutazioni a carico dei geni per la globina α o per la β. Tali mutazioni sono, per es., delezioni di parte del gene, crossing over asimmetrico (e. L’emoglobina normale ha una uguale quantità di α-globina e di β-globina, mentre gli individui affetti da α-talassemia o da β-talassemia presentano uno sbilancio rispettivamente nella quantità di globina α o β.

Le α-talassemie derivano da anomalie nel dosaggio genico: le persone normali hanno 2 geni e quindi 4 alleli della α-globina (genotipo αα/αα). Le persone con 2 alleli dell’α-globina presentano sintomi lievi (genotipo α-/α- oppure αα/--); quelle che hanno solo un allele α hanno la malattia in forma grave (α -/-), mentre la mancanza di tutti i geni (genotipo --/--) è letale per l’insorgenza dell’idrope fetale. Alcune forme di α-talassemia sono causate da instabilità dell’RNAm o dell’emoglobina. Per es., la Hb Constant Spring presenta una mutazione in un codone di stop dell’α-globina, pertanto la traduzione della proteina continua per altri 30 codoni e determina un prodotto proteico instabile.

In un altro caso la mutazione è nella sequenza segnale di poliadenilazione dell’RNAm. Una varietà rara di α-talassemia è causata da una mutazione associata al cromosoma X, il che dimostra l’esistenza sul cromosoma X di un fattore di controllo dell’espressione della α-globina. Le mutazioni identificate nel gene che codifica la β-globina e che danno luogo a β-talassemie sono molteplici: per es., mutazioni non-senso che determinano l’interruzione prematura della sintesi della globina; mutazioni nel promotore del gene; mutazioni che eliminano normali siti di splicing o attivano nuovi siti di splicing (detti siti criptici di splicing).

In un tipo di β-talassemia, l’ e. Lepore, i prodotti genici sono codificati da un gene di fusione formato da sequenze del gene δ e del gene β. Questo gene di fusione conserva il promotore a bassa attività del gene δ e questo porta a β-talassemia. La gravità della β-talassemia è spesso ridotta dalla persistenza ereditaria dell’emoglobina fetale (HPFH, hereditary persistence of fetal hemoglobin).

Le sostituzioni di amminoacidi che alterano le proprietà ma non la produzione delle globine producono fenotipi la cui varietà ha fornito molte informazioni sulla funzione delle emoglobine. Oltre all’anemia falciforme (➔ falcemia), causata dalla sostituzione nella β-globina dell’acido glutammico con la valina, vi sono altre forme di anemia causate da diverse mutazioni del gene che codifica la globina.

Nell’emoglobina la transizione dalla forma ossigenata a quella non ossigenata è accompagnata da importanti cambiamenti nella struttura terziaria; la sostituzione di un amminoacido può modificare questo equilibrio e pertanto l’emoglobina mutata, con alta affinità per l’ossigeno, non riesce a portare ossigeno ai tessuti, causando una eritrocitosi solitamente benigna, mentre quella con bassa affinità per l’ossigeno determina anemia e cianosi. Molte varianti emoglobiniche sono instabili a causa dell’indebolimento della loro struttura terziaria o quaternaria dovuto a variazioni nelle catene di amminoacidi.

In alcuni casi l’emoglobina instabile precipita formando aggregati intracellulari (corpi di Heinz). Questo causa l’anemia emolitica cronica, un’affezione spesso lieve, ma gravemente esacerbata da determinati farmaci e infezioni. Le emoglobine M sono caratterizzate da cambiamenti nella conformazione tridimensionale della molecola nell’ansa che trattiene il gruppo eme; l’atomo di ferro in questo caso assume lo stato ferrico non fisiologico.

Per mantenere i livelli di emoglobina normali, mangia cibi ricchi di ferro come carne rossa, pesce, legumi e verdure a foglia verde. Questi alimenti sono come il “carburante” per il tuo corpo, per mantenere il sistema di trasporto dell’ossigeno sempre efficiente. L’emoglobina è un elemento fondamentale per il nostro corpo, proprio come una rete di trasporto per ossigeno. Se non funziona come dovrebbe, ci sentiamo stanchi e senza energia. Ricorda che una dieta sana e controlli regolari possono aiutarti a mantenere i tuoi livelli di emoglobina ottimali, per fare in modo che il tuo “sistema di trasporto” funzioni sempre al meglio.