Scopri la Magia della Struttura Quaternaria: Come l'Emoglobina Trasforma la Vita!

L’emoglobina, come tutte le proteine, è formata da amminoacidi naturali uniti tra loro da un legame peptidico. Il chimico Linus Pauling nel 1930 compì degli studi riguardanti la struttura dell'emoglobina. L’emoglobina è una proteina di forma sferica, con un diametro di circa 5,5 nm. 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.

Struttura e Composizione

Entrambe possiedono il gruppo Eme: l’emoglobina ne possiede 4, uno per ogni subunità; la mioglobina uno. Ogni catena contiene un gruppo prostetico chiamato eme, per un totale di quattro gruppi eme ovvero quattro molecole non proteiche legate alla proteina stessa. 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-).

L’emoglobina è composta da quattro subunità proteiche (ha quindi una struttura quaternaria) due subunità chiamate α e due β, la mioglobina è formata da una singola unità proteica (perciò si ferma ad avere una struttura terziaria). Presenta una struttura tetramerica, cioè formata da quattro subunità, ognuna delle quali chiamata globina; è composta da 2 globine chiamate alfa e due globine chiamate beta, tenute insieme da legami particolarmente forti.

Funzione Principale: Trasporto dell'Ossigeno

La funzione dell’emoglobina è il trasporto dell’ossigeno all’interno dei globuli rossi, i quali legano l’ossigeno nei polmoni e lo rilasciano nei tessuti. L’emoglobina si arricchisce di ossigeno durante l’attraversamento dei capillari polmonari e in seguito, attraverso il lavoro del cuore e il flusso sanguigno, viene distribuita a tutti i tessuti dell’organismo. Grazie a questa proteina i globuli rossi hanno un caratteristico colore rosso. Oltre all’ossigeno l’emoglobina può trasportare altre molecole come il monossido di carbonio CO, il cianuro CN, e l’ossido nitrico NO.

Durante l’atto inspiratorio riempiamo i polmoni di ossigeno, questo negli alveoli passa nel sangue e nello specifico si lega all’emoglobina dentro gli eritrociti. L’emoglobina lo trasporta a tutti i tessuti poiché l’ossigeno è necessario a tutte le cellule per compiere la respirazione cellulare e produrre energia. L’ossigeno è poco solubile in acqua, è una molecola idrofoba che nel sangue può avere una concentrazione di 7,15 mg/L mentre l’emoglobina ne porta 357 mg/L.

Una volta ceduto l’ossigeno agli organi, l’emoglobina lega l’anidride carbonica, uno dei principali prodotti di scarto del metabolismo, facendosi carico del trasporto ai polmoni mediante il circolo venoso.

Mioglobina vs. Emoglobina

Quando c’è tanto ossigeno la mioglobina lo lega facilmente e quando ce n’è poco lo lascia andare altrettanto facilmente. L’emoglobina si lega all’ossigeno in modo più debole rispetto alla mioglobina e lo rilascia più facilmente, per questo motivo non ha un andamento acceso-spento ma presenta delle condizioni intermedie e la sua rappresentazione cinetica è una curva sigmoide (blu nell’immagine). La mioglobina è efficiente nel legame ma non nel trasporto mentre l’emoglobina è efficiente in entrambe le cose. Graficamente la sua cinetica è rappresentata da una curva iperbolica (rossa nell’immagine).

Cooperatività dell'Emoglobina

Quando si fa riferimento alla cooperatività dell’emoglobina si intende il fatto che proteina e ossigeno cooperino per far sì che essa si carichi o scarichi di ossigeno: ad ogni ossigeno che lega aumenta la probabilità che l’emoglobina diventi in forma R; il fatto che sia in forma R aumenta la probabilità di legare ossigeno.

Ruolo del 2,3-Bisfosfoglicerato (2,3-BPG)

Il 2,3 bisfosfoglicerato (2,3-BPG, isomero dell’1,3 BPG che è un intermedio della glicolisi) è un composto anionico presente negli eritrociti approssimativamente alla stessa concentrazione dell’emoglobina. Questa molecola si lega all’emoglobina in modo allosterico: si lega, cioè, in un sito diverso da quello principale dell’ossigeno (gruppo Eme) limitando però l’attitudine della proteina a legarsi a quest’ultimo.

In altre parole, diminuisce l’affinità per l’ossigeno stabilizzando la forma T (deossi-emoglobina) e lo fa legandosi in uno spazio “vuoto” tra le quattro subunità di emoglobina che è più ampio in forma T e meno ampio nella forma R.

Effetto Bohr

Riprendiamo la reazione che avviene negli eritrociti ad opera dell’anidrasi carbonica: CO2 + H2O ⇌ H++ HCO3- , questa reazione libera ioni idronio (H+) che abbassano il pH (lo rendono più acido). Questo è molto importante perché il pH acido rende l’emoglobina meno affine all’ossigeno, perciò giungendo ai tessuti periferici dove c’è un alta concentrazione di anidride carbonica che si traduce in un abbassamento del pH all’interno dell’eritrocita, l’emoglobina è spinta al rilascio di ossigeno a quegli stessi tessuti.

Al contrario quando la CO2 raggiunge i polmoni e viene rilasciata, il pH sale e l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno cresce.

Tabella comparativa: Mioglobina ed Emoglobina

Caratteristica	Mioglobina	Emoglobina
Struttura	Monomerica (terziaria)	Tetramerica (quaternaria)
Subunità	Una	Quattro (due α e due β)
Gruppi Eme	Uno	Quattro
Affinità per l'O2	Alta	Modulabile
Funzione	Riserva di ossigeno nei muscoli	Trasporto di ossigeno nel sangue

Valori di Emoglobina e Condizioni Cliniche

Durante lo sviluppo l’essere umano esprime diversi tipi di emoglobina, a seconda dei geni che vengono attivati in quel determinato periodo di vita. Queste emoglobine presentano una struttura quaternaria diversa, ma in linea generale svolgono la stessa funzione, pur presentando affinità differenti per l’ossigeno.

Le alterazioni dei valori di emoglobina, soprattutto le carenze, sono riscontri laboratoristici molto comuni. Quando i valori di emoglobina sono troppo bassi si parla di anemia. Il riscontro di valori alti di emoglobina è molto meno frequente, e, essendo una condizione perlopiù asintomatica, viene spesso rilevata casualmente in analisi del sangue effettuate per altri motivi.

Fattori che influenzano i livelli di emoglobina

Fattori nutrizionali: carenza di alcuni composti alimentari per malnutrizione, anoressia o diete particolari come il vegetarianismo non correttamente pianificato.
Sanguinamenti.
Problemi nella sintesi dei globuli rossi e dell’emoglobina.
Persistenza per lunghi periodi in luoghi ad alta quota.
Doping.

Importanza del controllo dei livelli di emoglobina

Controllo di routine: valutare i valori di emoglobina è uno dei metodi più semplici e diffusi per verificare lo stato di salute generale di un soggetto.
Diagnosi di una patologia: la valutazione dei valori di emoglobina viene richiesta come primo approccio diagnostico quando si manifestano segni e sintomi di anemia, tra cui stanchezza, vertigini, fiato corto e palpitazioni.