Emoglobina: Scopri la Struttura Sorprendente e le Funzioni Vitali che Devi Conoscere!

L'emoglobina (Hb) è una metalloproteina contenuta nei globuli rossi, essenziale per il trasporto di ossigeno nel torrente ematico. La capacità di ossigeno del sangue è linearmente connessa al suo contenuto in emoglobina e varia da 1 ml.% per certi molluschi a 21 ml. per l'uomo ed a 40 ml.

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.

Struttura dell'Emoglobina

L'emoglobina degli animali superiori ha un peso molecolare attorno a 68,000 ed è costituita da una proteina (la globina) legante quattro gruppi prostetici (gruppi eme) per molecola. Ogni globulo rosso umano contiene circa 300 milioni di molecole di emoglobina. La globina è diversa da specie a specie per qualità e disposizione degli amminoacidi costitutivi (circa 575); vi sono poi differenze individuali, e nell'uomo, nello stesso individuo esiste una globina di tipo fetale, una di tipo adulto ed una di tipo intermedio.

Il Gruppo Eme

Il gruppo eme è costituito nella emoglobina da un tetrapirrolo, la protoporfirina IX (H. Fischer) ed ha in posizione centrale un atomo di ferro ferroso. Dei 6 posti di coordinazione dell'atomo di ferro, 4 sono legati agli atomi di azoto degli anelli pirrolici, uno si lega ad un atomo di azoto imidazolico della globina ed il sesto lega nella ossigenazione una molecola di ossigeno ed in assenza di ossigeno probabilmente una molecola di acqua.

Ogni gruppo eme può dunque legare una molecola di ossigeno e quindi ogni molecola di emoglobina può legare fino a 4 molecole di ossigeno. Caratteristica di questa interazione tra ossigeno ed emoglobina è la reversibilità della reazione.

In particolari condizioni il ferro ferroso della emoglobina si trasforma in ferrico dando luogo a metaemoglobina, una sostanza incapace di fungere da trasportatore di ossigeno, paramagnetica, con spettro particolare. Questa trasformazione è reversibile.

Mioglobina e Emoglobina: Un Confronto

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. 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'emoglobina, invece, 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). 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.

Funzione dell'Emoglobina

La funzione dell'emoglobina nel sangue è quella di trasportare l'ossigeno ai tessuti. 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.

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").

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.

Fattori che Influenzano l'Affinità dell'Emoglobina per l'Ossigeno

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

Pressione parziale dell'ossigeno (PO2): Nei polmoni, l'alta PO2 favorisce il legame dell'ossigeno all'emoglobina, mentre nei tessuti periferici la bassa PO2 ne favorisce il rilascio.
Concentrazione di anidride carbonica (CO2): Tanto più anidride carbonica è presente nel sangue e meno ossigeno rimane legato all'emoglobina.
pH: Lo stesso effetto si ottiene acidificando il sangue: tanto più diminuisce il pH ematico e tanto meno ossigeno rimane legato all'emoglobina.
Temperatura: L'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce con l'aumento della temperatura corporea.
2,3-difosfoglicerato (2,3-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.

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.

Effetto Hamburger

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).

Effetto Haldane

Il fenomeno opposto si verifica quando un eritrocita raggiunge gli alveoli polmonari: si ha uno sgonfiamento degli eritrociti (effetto HALDANE).

Sintesi dell'Emoglobina

L'emoglobina viene sintetizzata dall'organismo stesso. Per la parte globinica è necessario un sufficiente apporto di amminoacidi essenziali; in caso di carenza di questi l'organismo riduce prima la sintesi di altre proteine che non quella della emoglobina ("priorità" della emoglobina). Per la sintesi del tetrapirrolo è necessaria la presenza di glicina (che l'organismo sa ricavare da altri amminoacidi). Il ferro viene fornito dai depositi di ferritina, una proteina legante il 20% in peso di ferro e che si trova soprattutto nel fegato, nella milza e nel midollo osseo. Alla sintesi della emoglobina è necessaria anche la presenza del rame.

La sintesi avviene negli eritroblasti, che poi maturano a globuli rossi. Per questa sintesi è necessaria la presenza del nucleo cellulare. Il globulo rosso circolante ha un corredo emoglobinico che dura quanto la sua vita (circa 120 giorni): al disfacimento del globulo si accompagna la disgregazione della molecola emoglobinica; il ferro viene assunto ancora nei depositi di ferritina, il nucleo tetrapirrolico dà luogo ai pigmenti biliari, la rottura della globina ai comuni prodotti del catabolismo proteico.

Negli anni recenti i biochimici sono stati in grado di chiarire gli stadi principali nella biogenesi dell'eme. Due molecole di quest'ultimo condensano assieme in una reazione analoga alla sintesi di Knorr del pirrolo, portando a un pirrolo sostituito noto come porfobilinogeno. Quattro molecole di porfobilinogeno vengono condensate assieme, con perdita di ammoniaca, portando a un composto chiamato uroporfirina III, che, come implica il nome, è stata anche isolata dalle urine.

Occorre notare che la condensazione che forma la uroporfirina III è insolita perché una delle quattro unità pirroliche ha l'orientamento opposto a quello delle altre unità, portando così a una porfirina sostituita in modo non simmetrico.

Considerato il ruolo centrale di questo metallo, la sintesi di emoglobina richiede un adeguato apporto di ferro con la dieta.

Avvelenamento da Monossido di Carbonio

L'ossido di carbonio agisce come veleno perché il CO forma un complesso con l'emoglobina molto più stabile di quello dell'ossigeno. Anche concentrazioni abbastanza basse di CO nell'aria possono provocare morte per soffocamento, bloccando la maggior parte della emoglobina nella corrente sanguigna.