Emoglobina e mioglobina sono proteine che legano l'ossigeno in maniera reversibile. Possiamo in qualche maniera assimilarle agli enzimi, le loro caratteristiche nei riguardi del ligando sono infatti molto simili a quelle che si instaurano tra enzima e substrato. In questo articolo, ci concentreremo sulle differenze sostanziali dal punto di vista strutturale e funzionale di queste due molecole, trattando il ruolo, la funzione e la struttura dell'emoglobina, spiegando anche la legge della cooperatività.
Struttura e Gruppo Eme
Sia emoglobina che mioglobina per poter legare l'ossigeno hanno un gruppo prostetico, il gruppo eme, atto al legame con l'ossigeno. Con il gruppo eme si stabilisce un legame covalente in un processo detto ossigenazione (N.B. non ossidazione), un legame che si stabilisce tra un gruppo eme nello stato di ossidazione Fe+2 e uno degli elettroni liberi dell'ossigeno. 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 stata così chiamata perché è stata isolata dai muscoli e perché è in grado di legare ossigeno, attraverso gruppi non proteici, detti prostetici: i gruppi eme. La mioglobina è una molecola presente nel muscolo la cui struttura è simile ad uno dei monomeri di Hb con una parte proteica simile alla catena beta e un gruppo eme (la mioglobina ha la struttura di un monomero) Questa struttura è di fondamentale importanza dal momento che rappresenta una "riserva" di O2 per il muscolo nel momento in cui l'attività muscolare è a livelli tali da portare la saturazione dell'Hb a percentuali molto basse. In questi casi dunque la Mb cede parte dell’O2 immagazzinato rendendo possibili ancora per un po'le attività metaboliche delle cellule.
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 legame tra protoporfirina e ferro è un legame tipico dei composti detti di coordinazione che sono composti chimici in cui un atomo (o ione) centrale, forma dei 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.
Il gruppo eme è agganciato alla proteina attraverso istidina prossimale: l’azoto imidazolico dell’istidina si lega in quinta posizione di coordinazione del ferro ferroso. La sesta posizione rimane libera, per legare l’ossigeno, mentre le prime 4 sono utilizzate per legare la porfina. A legarsi all’ossigeno è il ferro ferroso, invece il ferro ferrico, presente nella met-globina si lega all’acqua.
Si ponga ora l’attenzione sulla struttura dell'emoglobina che è simile a quella della mioglobina perché tutte le globine sono simili tra loro sia per motivi strutturali, sia perché presentano sequenze molto simili di amminoacidi, ad esempio ogni globina presenta una istidina prossimale e una istidina distale. 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). Entrambe possiedono il gruppo Eme: l’emoglobina ne possiede 4, uno per ogni subunità; la mioglobina uno. La zona in cui si lega l’ossigeno è una zona apolare che si trova in una sacca della struttura terziaria. Spazialmente, vicino all’ossigeno legato al gruppo Fe2+, troviamo un istidina detta istidina distale che protegge il gruppo Eme impedendo che si formino ponti ossigeno Eme-O-Eme. Inoltre, l’istidina distale abbassa l’affinità del gruppo Eme per sostanze come il cianuro (CN-) e il monossido di carbonio (CO) che vi si legano in modo quasi irreversibile causando soffocamento.
Funzioni: Trasporto e Riserva di Ossigeno
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. La Mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno. L'emoglobina 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.
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’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. 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. Come prodotto di scarto della respirazione cellulare si ottiene anidride carbonica (CO2) che entra nel globulo rosso e qui viene trasformato in ione idrogenocarbonato (HCO3-) dall’enzima anidrasi carbonica (in grado di trasformare 106 molecole di CO2 al secondo) secondo la reazione: CO2 + H2O ⇌ H++ HCO3-.
Affinità per l'Ossigeno e Cooperatività
L'affinità dell’O2 nei confronti dell’Hb non è sempe uguale ma varia al variare della pressione del gas. La saturazione continuerà ad aumentare fino a un punto (80% di siti di legame saturati) oltre il quale la saturazione avverrà con molta difficoltà perchè molti siti di legame sono già occupati da molecole di 02 ma comunqe si potrarrà fino a completa saturazione (100% valore in percentuale che corrisponde a valori di pO2 che ritroviamo nei capillari polmonari a livello del mare sui 100mmhg). Si noti come per percentuali molto basse è in grado di saturarsi in percentuale elevata attorno al 70% (per pO2di 20mmhg la molecola risulta praticamente satura contro i 100mmhg che occorrono a livello alveolare per saturare completamente l'Hb).
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 c’è tanto ossigeno la mioglobina lo lega facilmente e quando ce n’è poco lo lascia andare altrettanto facilmente, quindi è avida e satura quando la pressione parziale di ossigeno è alta ed è generosa e scarica quando la pressione parziale è bassa. Graficamente la sua cinetica è rappresentata da una curva iperbolica. 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. La mioglobina è efficiente nel legame ma non nel trasporto mentre l’emoglobina è efficiente in entrambe le cose.
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.
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. 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").
Effetto Bohr e 2,3-Bisfosfoglicerato
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.
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.
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.
Emoglobina Fetale (HbF)
La differenza sostanziale tra l'HbF (emoglobina fetale), HbA (adulta largamente presente nel nostro organismo) e l'HbA2 (presente in meno del5% ) sta nell'approvvigionamento dell'02 ovvero nella "avidità" che questi tetrameri emoglobinici hanno nei confronti del gas.
Tabella Comparativa: Mioglobina vs. Emoglobina
| Caratteristica | Mioglobina | Emoglobina |
|---|---|---|
| Struttura | Monomero | Tetramero (due subunità α e due β) |
| Numero di Gruppi Eme | 1 | 4 |
| Funzione Principale | Riserva di ossigeno nei muscoli | Trasporto di ossigeno nel sangue |
| Affinità per l'Ossigeno | Alta | Variabile (dipendente dalla pressione parziale dell'ossigeno e da altri fattori) |
| Curva di Dissociazione | Iperbolica | Sigmoide (cooperativa) |
Concludendo abbiamo esaminato le differenze sia strutturali e funzionali di queste due proteine, e possiamo dire che tali differenze rispecchiano il loro diverso ruolo a livello organico. L'Hb infatti presenta una struttura molto più complessa che vede la presenza di quattro monomeri che cooperano tra loro e che vanno a formare diversi tetrameri emoglobinici mentre la mioglobina presenta una struttura più essenziale formando un solo monomero.
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