Emoglobina

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Emoglobina, catena α1
Gene
HUGO HBA1
Entrez 3039
Locus Chr. 16 p13.3
Proteina
OMIM 141800
UniProt Q3MIF5
Emoglobina, catena α2
Gene
HUGO HBA2
Entrez 3040
Locus Chr. 16 p13.3
Proteina
OMIM 141850
Emoglobina, catena β
Gene
HUGO HBB
Entrez 3043
Locus Chr. 11 p15.5
Proteina
OMIM 141900
UniProt P68871
Omeostasi di eritrociti ed emoglobina

L'emoglobina è una proteina globulare la cui struttura quaternaria consta di quattro sub-unità. È solubile, di colore rosso (è una cromoproteina), ed è presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati, esclusi alcuni pesci antartici. Ê responsabile del trasporto dell'ossigeno molecolare da un compartimento ad alta concentrazione di O2 ai tessuti che ne hanno bisogno. Ognuno dei suoi 4 globuli proteici, detto globina, ha al suo interno una molecola di protoporfirina che coordina uno ione ferro Fe (II), posto leggermente al di fuori del piano della molecola, nell'insieme chiamata Gruppo Eme. L'emoglobina è inoltre una proteina allosterica.

L'emoglobina (che si indica con il simbolo Hb) viene sintetizzata inizialmente a livello dei proeritroblasti policromatofili (precursori dei globuli rossi), rimanendo poi in alte concentrazioni all'interno dell'eritrocita maturo. Le alterazioni di origine genetica della struttura primaria della molecola, che ne alterano la funzione, o della sua espressione che alterano la quantità in circolo, vanno sotto il nome di emoglobinopatie (come l'anemia falciforme e la talassemia).

La proteina[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Istidina prossimale e Istidina distale.
Struttura dell'emoglobina.

L'emoglobina è stata soggetto di innumerevoli lavori. Il primo che riuscì a cristallizzarla e a determinarne la struttura con la cristallografia a raggi X fu Max Perutz nel 1959.

L’artista Julian Voss-Andreae ha creato nel 2005 una scultura dal titolo Cuore d'Acciaio (Heart of Steel), basata sulla struttura della proteina stessa. La scultura è realizzata in vetro e acciaio patinato. L’arrugginimento intenzionale dell’opera, inizialmente lucida, riflette la reazione chimica fondamentale dell’emoglobina, che lega l'ossigeno al ferro. Le immagini mostrano la scultura, alta 1,60 m, subito dopo l’installazione, dopo 10 giorni e dopo alcuni mesi di esposizione agli agenti atmosferici[1][2].

Struttura quaternaria e geni[modifica | modifica sorgente]

È un'oloproteina tetramerica solubile, pesante circa 64.000 dalton. Le catene del tetramero fisiologicamente sono a due a due uguali (vedi emoglobinopatia per le aberrazioni): due appartenenti alla classe α (in giallo nella figura) e due alla classe β (in rosso). Del gruppo α fanno parte le catene α1, α2 e ζ mentre del gruppo β fanno parte le catene β, Aγ, Gγ (queste due molto simili per struttura ed espressione), δ, e infine ε. Nell'uomo i geni delle catene α si trovano sul cromosoma 16 e sono intervallati da 2 pseudogeni mentre quelli del gruppo β sono sul cromosoma 11 con interposto un unico pseudogene.

Vi sono contatti di ogni subunità con le altre: α11 (e α22) con interazioni che coinvolgono 35 amminoacidi; α12 (e α21) che ne coinvolgono 19; l'interfaccia tra α12 e β12 è formata da un basso numero variabile di residui, in quanto è interposto un canale acquoso centrale.

Struttura primaria e secondaria[modifica | modifica sorgente]

I monomeri hanno una struttura secondaria quasi totalmente identica nonostante gli amminoacidi in comune siano intorno al 20%. Sono tutte formate da 8 α eliche (indicate con le lettere da A a H) intervallate da brevi segmenti di congiunzione indicate con la coppia di lettere delle eliche che la precedono e la seguono (Es. ansa BC). Un'eccezione è data dalla catena α che manca del segmento D.

Struttura terziaria[modifica | modifica sorgente]

Ogni monomero ha una struttura terziaria simile a quella della mioglobina. Ogni catena peptidica di cui è composta ospita in una tasca idrofobica il gruppo prostetico (il gruppo eme), vero cuore della macromolecola, legato alla proteina per mezzo dei suoi sostituenti laterali per interazioni ioniche e idrofobiche, ma anche l'eme stesso si lega tramite interazioni π-π con un residuo di fenilalanina e anche per il legame dativo del ferro con un'istidina responsabile di importanti funzioni che verranno esaminate in seguito. Ogni eme è costituito da un complesso ferro-protoporfirina IX responsabile del legame facilmente reversibile con l'ossigeno. Nella proteina l'eme deossigenato assume una struttura lievemente concava (vedi figure). La molecola del cofattore, al legame con l'ossigeno subisce un cambiamento: si appiattisce. Il "collasso della cupola" provoca lo spostamento di 0,6Å dello ione ferroso e dell'istidina a esso legata, quest'ultima fa muovere l'α elica a cui è legata rispetto alle parti di proteina (idealmente fisse) che legano il gruppo prostetico provocando un cambiamento conformazionale che coinvolge tutte e quattro le subunità, le cui conseguenze saranno viste in dettaglio nella prossima sezione.

L'emoglobina nella respirazione[modifica | modifica sorgente]

L'emoglobina (come altre per altri animali) è necessaria, nonostante l'ossigeno si sciolga nell'acqua, perché la quantità normalmente solubilizzata sarebbe troppo bassa per le esigenze metaboliche di un animale di dimensioni superiori a 1 mm; la presenza della proteina che reagisce con l'ossigeno permette di svincolarsi dalla legge di Henry, facendo seguire il flusso dell'ossigeno dalla fase gassosa alla fase liquida il flusso dato dalla reazione chimica, permettendo il mantenimento del flusso.[non chiaro]

Le reazioni di scambio gassoso sono rese possibili dalla presenza di ioni ferro(II) in ogni gruppo. Questo cofattore lega l'ossigeno durante il passaggio del sangue nei polmoni, e lo cede successivamente ai tessuti nella circolazione periferica. Il passaggio dell'ossigeno (O2) avviene perché i legami con l'eme sono labili e perché, nei tessuti, viene prodotta anidride carbonica, gas che riduce l’affinità tra emoglobina e ossigeno per il cambiamento del pH e perché si lega all'estremità amminica delle molecole di Hb. Tale regolazione viene detta effetto Bohr.

La saturazione dell'emoglobina[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Saturazione emoglobinica arteriosa.

Quando si lega all'ossigeno l'emoglobina viene chiamata ossiemoglobina, nella forma non legata deossiemoglobina.

La saturazione emoglobinica indica il rapporto percentuale tra il numero medio di molecole di ossigeno (O2) realmente legate alle molecole di emoglobina, ed il massimo numero di molecole di ossigeno che potrebbero essere legate alle stesse molecole di emoglobina. Non indica, come erroneamente spesso si crede, la mera percentuale di ossigeno legata all'emoglobina rispetto all'ossigeno totale del sangue. Sebbene esista una piccola percentuale di ossigeno non legata all'emoglobina (pari a circa 0,3 ml / 100 ml di sangue), il resto dell'ossigeno è legato e trasportato dall'emoglobina. La saturazione emoglobinica indica quindi la percentuale di emoglobina impiegata nel trasporto di ossigeno rispetto al totale impiegabile.

Ogni molecola di emoglobina è in grado di legarsi, al massimo, con 4 molecole di O2 e quando ciò accade si dice che è «satura». Se tutte le molecole di emoglobina fossero legate a 4 molecole di O2, allora la saturazione sarebbe pari al 100%; se invece, per esempio, mediamente ogni molecola di emoglobina fosse legata a 2 molecole di ossigeno, allora la saturazione sarebbe pari al 50%.

Fattori che influenzano la saturazione[modifica | modifica sorgente]

La saturazione dell'emoglobina per l'ossigeno è influenzata dalla pressione parziale dell'ossigeno che con legame cooperativo aumenta l'affinità dell'emoglobina verso l'ossigeno in risposta a un aumento della quantità di ossigeno per cui l'emoglobina cambia conformazione passando da uno stato conformazionale a bassa affinità per l'ossigeno, definito Stato T (teso) a uno ad alta affinità per l'ossigeno, definito Stato R (rilasciato), ciò si verifica a livello alveolare permettendo la cattura dell'ossigeno da parte dell'emoglobina mentre il contrario succede a livello periferico dove l'emoglobina passa dallo stato R allo stato T rilasciando ossigeno ai tessuti che possono così assumerlo per utilizzarlo attraverso le ossidazioni. L'emoglobina ha un comportamento altamente cooperativo: coefficiente di Hill=2,8.

Altre influenze sulla saturazione dell'emoglobina per l'ossigeno sono: la temperatura e il 2,3-bisfosfoglicerato, quest'ultimo presente nei globuli rossi riduce l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno perché stabilizza la sua forma deossigenata. La sua quantità presente nel globulo rosso è regolata dalla pressione parziale dell'ossigeno nell'ambiente per un ottimale rilascio ai tessuti. Per cui se una persona che vive a livello del mare si sposta in montagna, dove la pressione dell'ossigeno è minore, ha nei primi giorni una carenza di DPG e quindi una ridotta capacità a fare lavoro perché l'emoglobina ha un'elevata affinità per l'ossigeno e non ne rilascia abbastanza nei capillari. Man mano che la concentrazione di DPG aumenta nei suoi eritrociti diminuendo l'affinità per l'ossigeno, può fare più lavoro e si dice che acquista il "passo del montanaro". Il DPG, svolge anche un importante ruolo nell'approvvigionamento di ossigeno al feto. Infatti, l'emoglobina fetale, ha un'affinità per la DPG nettamente inferiore a quella dell'individuo adulto. Questo permette il passaggio dell'ossigeno dal sangue della madre a quello del feto.

Veleni respiratori[modifica | modifica sorgente]

Fisiologicamente o per azione di determinate sostanze ossidanti (acqua ossigenata, permanganato di potassio, nitrito (NO2-), ecc.) o di certi farmaci e di alcune sostanze contenute nelle fave (vedi favismo), lo ione ferro(II) (ione ferroso) si trasforma in ione ferro(III) (ione ferrico) (Fe3+) e l'emoglobina si trasforma in metaemoglobina (MetHb), con l'ossigeno legato al ferro mediante legame forte (covalente) che lo rende non disponibile ai tessuti (anemia funzionale). Nel sangue è normale una presenza del 2% di MetHb, se questa percentuale sale, la respirazione viene compromessa. La riconversione a ione ferroso avviene tramite un meccanismo enzimatico riducente (enzima metaemoglobina reduttasi) basato su di una reazione a catena che comporta l'ossidazione del NADPH per ridurre il glutatione che mantiene la cellula in uno stato riducente prevenendo la formazione di MetHb

Un altro pericolo per la respirazione è il monossido di carbonio (CO): l'emoglobina ha una affinità 200 volte superiore per questo gas che per l'ossigeno: si lega quindi rapidamente e praticamente in modo irreversibile al CO. Se nell'aria è presente una percentuale di CO pari a 1/200 quella dell'ossigeno (circa una parte per mille di aria), la metà dell'emoglobina si combinerà con l'ossido di carbonio, dando luogo a carbossiemoglobina (HbCO), incapace di legare ossigeno. La carbossiemoglobina viene prodotta in quantità minime anche all'interno dei tessuti, in quanto il CO ha funzione di trasmettitore di segnali.

L'emoglobina umana[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Lista di emoglobine.

L'emoglobina si può presentare in varie isoforme fisiologiche: Hb di Portland, Hb Gower, HbF, HbA, HbA2.

Esistono poi forme di emoglobine patologiche: Hb di Barts, HbH, HbS, HbC, HbSC, HbE, Hb Lepore, Hb Philly, Hb Genova, Hb Köln, Hb Yakima, Hb Kansas.

I legami chimici dell'emoglobina ne determinano vari stati chimico-fisici:

L'emoglobina nelle fasi della vita[modifica | modifica sorgente]

Periodo intrauterino[modifica | modifica sorgente]

La composizione della molecola di Emoglobina varia nel corso della vita intrauterina ed è diversa da quella degli adulti (che si inizia a formare nei primi mesi di vita)

La differenza principale consiste nella predominanza della HbF con una affinità, in vivo, molto elevata per l'O2. Questa differenza porta, in condizioni fisiologiche, a un passaggio favorevole dell'O2 dall'HbA della madre all'HbF del feto. Il fatto non è stato chiarito fino alla scoperta che un'altra molecola, il 2,3-bisfosfoglicerato (DPG), era presente in condizioni fisiologiche e si lega alle deossiemoglobine. La HbF lega più debolmente il DPG della HbA, dal momento che le due subunità γ dell'emoglobina fetale contengono un numero inferiore di aminoacidi capaci di carica positiva che possano interagire con le cariche negative del 2,3DPG; poiché il 2,3DPG diminuisce l'affinità per l'O2 delle emoglobine il risultato nella HbF è un aumento dell'affinità per l'O2 della stessa. Lo stesso DPG è inoltre implicato nell'adattamento dell'emoglobina in condizioni di ipossia (patologica o anche dovuta all'alta quota) [...]

Adulto[modifica | modifica sorgente]

L'emoglobina nell' adulto è di tipo HbA: 96% è α2β2, l'HbA2 α2δ2 è il 3% e l'HbF α2γ2 1%.

Il valore diagnostico dell'emoglobina[modifica | modifica sorgente]

Per gli adulti il valore dev'essere compreso tra 12,0 e 16,0 g/dl per le donne, e tra 13,5 e 17,0 g/dl per gli uomini. Per i bambini può considerarsi normale il valore minimo di 10 g/dl. Nel caso in cui siano sottoposti a chemioterapia il valore può scendere considerevolmente e in questo caso la maggioranza dei medici procede con una trasfusione di sangue[senza fonte].

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Constance Holden, Blood and Steel (PDF) in Science, vol. 309, nº 5744, 30 settembre 2005, p. 2160, DOI:10.1126/science.309.5744.2160d.
  2. ^ Moran L, Horton RA, Scrimgeour G, Perry M, Principles of Biochemistry, Boston, MA, Pearson, 2011, p. 127, ISBN 0-321-70733-8.
  3. ^ Solfoemoglobina sull'Enciclopedia Treccani

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]