Scopri Tutto sull'Emoglobina: Struttura, Composizione e Funzioni Essenziali!

Per comprendere appieno l'emoglobina (Hb), è utile esaminare prima la mioglobina (Mb), una proteina strettamente correlata ma 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.

Mioglobina: Struttura e funzione

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

Gruppo Eme: Struttura e composizione

Il gruppo 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-). Si tratta di 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. Si utilizza questo termine qualora uno ione o un atomo forma un numero di legami maggiore rispetto al proprio numero di ossidazione. La formula molecolare del complesso è C34H32FeN4O4 e la sua massa molare risulta perciò pari a 616,5 grammi.

I legami formati in questo complesso sono deboli e reversibili e qualora l’eme venga ossidato la molecola si definisce emina. 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.

Legame del ferro

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.

Sintesi del gruppo Eme

Nell’organismo umano come già accennato 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.

Emoglobina: struttura e funzione

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.

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.

Nei Mammiferi l’e. 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’e. è legata una molecola di eme, un complesso del ferro con la protoporfirina IX: ogni molecola di e. porta legate 4 molecole di eme, ciascuna in grado di trasportare una molecola di O2 . A seconda dello stato di ossidazione del ferro, le e. si possono suddividere in e. contenenti ferro ferroso (ridotto) ed e. contenenti ferro ferrico (ossidato).

Le principali e. 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’e., 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’e. ha un’affinità circa 50 volte maggiore di quella per l’O2).

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).

Emoglobina A

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.

Stati conformazionali dell'emoglobina

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.

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.

Legame dell'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. La sua cessione avviene grazie all’effetto Bohr, ossia dell’influenza della presenza più elevata di CO2. A sua volta 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.

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.

Fattori che influenzano l'affinità per l'ossigeno

A una determinata pressione parziale di ossigeno presente nel mezzo in cui è disciolta l’e., la frazione di e. Il ruolo dell’e. Nell’uomo, in particolare, il ruolo principale di regolatore dell’affinità dell’e. per l’O2 è svolto dall’acido 2,3-difosfoglicerico. Nella reazione di legame dell’e. con l’O2 bisogna ricordare il cosiddetto fenomeno dell’interazione fra emi (o effetto cooperativo dell’e.) che provoca cambiamenti di conformazione che avvengono in seguito al legame di una molecola di O2 con una delle 4 catene dell’e.; 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’e. 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).

Normalmente la quantità di ossigeno disciolto nel sangue è molto bassa proprio per influenzare l’affinità del gruppo eme per l’ossigeno. La sua cessione avviene grazie all’effetto Bohr, ossia dell’influenza della presenza più elevata di CO2. A sua volta 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. Negi 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.

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.

2,3-difosfoglicerato

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.

Effetto Bohr

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.

Emoglobine speciali

Emoglobina fetale

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. 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).

Varianti genetiche dell'emoglobina

Sono note almeno 500 varianti genetiche dell'emoglobina umana, di cui alcune molto rare. Molte differiscono per un solo amminoacido, quindi subiscono mutazioni puntiformi. Le alterazioni di origine genetica della struttura primaria della molecola dell’e. vanno sotto il nome di emoglobinopatie, termine generico designante uno stato patologico connesso con la presenza di una e. 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’e. patologica. Per es., nell’e. S, responsabile della falcemia, l’acido glutammico è sostituito dalla valina; per l’e. C, spesso associata all’e. S, si tratta della sostituzione dell’acido glutammico con la lisina.

Patologie correlate all'emoglobina

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

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’e. 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.

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’e. 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.

Emoglobinemia ed Emoglobinuria

L’ emoglobinemia è l’abnorme presenza di e. 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 e. 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.