Emoglobina: Scopri la Struttura, Funzione e Ruolo Vitale nel Corpo Umano

L'emoglobina (Hb) è una proteina fondamentale per il trasporto dell'ossigeno nel sangue dei vertebrati e di molti invertebrati. 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.

Struttura dell'Emoglobina

Nei mammiferi, l'emoglobina è una molecola con un peso molecolare di circa 68.000. 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.

La molecola è costituita da quattro catene polipeptidiche, identiche a due a due: due catene α e due catene β. 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.

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.

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.

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 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. 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. La formula molecolare del complesso è C₃₄H₃₂FeN₄O₄ e la sua massa molare risulta perciò pari a 616,5 grammi.

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.

Funzioni dell'Emoglobina

La funzione principale dell'emoglobina è il trasporto di ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici e il trasporto di anidride carbonica dai tessuti ai polmoni. La capacità di ossigeno del sangue è linearmente connessa al suo contenuto in emoglobina.

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).

Infatti, a una determinata pressione parziale di ossigeno presente nel mezzo in cui è disciolta l'emoglobina, la frazione di emoglobina.

Legame con l'Ossigeno e Fattori Influenzanti

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.

Il legame cooperativo dell'ossigeno all'emoglobina venne scoperto nel 1910 da Hill. 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.

Il ruolo principale di regolatore dell'affinità dell'emoglobina per l'O₂ è svolto dall'acido 2,3-difosfoglicerico nell'uomo. 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.

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.

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.

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. Negli 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.

Emoglobina Fetale

Nei feti umani di età superiore alle 12 settimane il componente emoglobinico principale è l'emoglobina fetale (HbF), costituita da due catene α e due γ. L'emoglobina fetale è presente nel sangue neonatale anche dopo la nascita, ma viene rapidamente sostituita dall'HbA1 (nell'adulto sono presenti solo tracce di HbF). 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.

Emoglobinopatie e Talassemie

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. Sono note almeno 500 varianti genetiche dell'emoglobina umana, di cui alcune molto rare.

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.

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.

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'emoglobina Lepore, i prodotti genici sono codificati da un gene di fusione formato da sequenze del gene δ e del gene β. La gravità della β-talassemia è spesso ridotta dalla persistenza ereditaria dell'emoglobina fetale (HPFH, hereditary persistence of fetal hemoglobin).

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.

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 Riferimento dell'Emoglobina

I valori normali di emoglobina variano a seconda del sesso e dell'età. 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.

La differente concentrazione di globuli rossi e di emoglobina nei due sessi è dovuta alla maggiore presenza di testosterone nell'organismo maschile.

Emoglobina e Mioglobina: Proteine Affini

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 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.

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.

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.

Ha una presenza preponderante perciò anche a livello della pompa del sangue, il muscolo cardiaco. Il colore che conferisce ai tessuti è sempre un rosso intenso, dovuto all’ossidazione del ferro del gruppo eme. La mioglobina risulta importante nelle analisi del sangue soprattutto perché la sua presenza nel sangue può indicare danni cardiaci.

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.