Emoglobina
| Emoglobina, catena α1 | |
|---|---|
| Gene | |
| HUGO | HBA1 |
| Entrez | 3039 |
| Locus | Chr. 16 p13.3 |
| Proteina | |
| Numero CAS | |
| OMIM | 141800 |
| UniProt | Q3MIF5 |
| Emoglobina, catena α2 | |
|---|---|
| Gene | |
| HUGO | HBA2 |
| Entrez | 3040 |
| Locus | Chr. 16 p13.3 |
| Proteina | |
| Numero CAS | |
| OMIM | 141850 |
| Emoglobina, catena β | |
|---|---|
| Gene | |
| HUGO | HBB |
| Entrez | 3043 |
| Locus | Chr. 11 p15.5 |
| Proteina | |
| Numero CAS | |
| OMIM | 141900 |
| UniProt | P68871 |
L'emoglobina è una proteina globulare di struttura quaternaria solubile di colore rosso presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati, 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. Quando si lega all'ossigeno viene chiamata ossiemoglobina, nella forma non legata deossiemoglobina.
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.
L'emoglobina nella respirazione
Questa molecola (come altre per altri animali) è necessaria nonostante l'ossigeno si sciolga nell'acqua perché la quantità così solubilizzata sarebbe troppo bassa per le esigenze metaboliche di un animale di dimensioni superiori ad 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.
Le reazioni di scambio gassoso sono rese possibili dalla presenza di ioni ferro 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. Tale regolazione viene detta effetto Bohr.
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 ad 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) ad 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-difosfoglicerato, 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.
La proteina
L'emoglobina è stata soggetto di innumerevoli lavori. Il primo che riuscì a cristallizzarla ed a determinarne la struttura con la cristallografia a raggi X fu Max Perutz nel 1959.
Struttura quaternaria e geni
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, ed 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: α1-β1 (e α2-β2) con interazioni che coinvolgono 35 amminoacidi; α1-β2 (e α2-β1) che ne coinvolgono 19; l'interfaccia tra α1-α2 e β1-β2 è formata da un basso numero variabile di residui, in quanto è interposto un canale acquoso centrale.
Struttura terziaria
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 ed 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 ad 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.
Struttura secondaria e primaria
I monomeri hanno anche 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.
Veleni respiratori
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 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.
Tipi di emoglobina umana
- Forme fisiologiche:
- Hb di Portland, ζ2γ2, forma embrionale.
- Hb Gower, due forme embrionarie: ζ2ε2 l'Hb Gower I, e α2ε2 l'Hb Gower II.
- HbF, α2γ2, forma fetale.
- HbA, α2β2, è l'Hb fisiologica dell'adulto.
- HbA2, α2δ2, Hb dell'adulto presente in bassissime quantità (2%).
- Emoglobine patologiche:
- Hb di Barts, γ4 forma presente nell'alfa talassemia.
- HbH, β4, forma presente in caso di delezione di tutti i quattro geni emoglobinici alfa.
- HbS, α2β2 (dall'inglese Sickle, falce) nella quale però un aminoacido è stato cambiato (da glutammato a valina in posizione 6). È tipica dell'anemia falciforme.
- HbC, α2β2, nella quale però un aminoacido è stato cambiato (da glutammato a lisina in posizione 6).
- HbE: in posizione 26 il glutammato viene sostituito da una lisina.
- Hb Lepore è dovuta a un crossover ineguale, per cui si fondono i geni beta e delta: la forma sarà α2(δβ)2.
- Hb Philly, nel cui gene beta è presente una mutazione puntiforme in posizone 35, da tirosina a fenilalanina.
- Hb Genova, in posizione beta 28 vi è sostituzione di una leucina con prolina.
- Hb Köln, in beta 98 una valina viene sostituita con una metionina.
- Hb Yakima, che ha in posizione beta 99 un'istidina al posto dell'aspartato.
- Hb Kansas, dove l'asparagina in beta 102 è sostituita con treonina.
- Altro:
- ossiemoglobina, quando si lega all'O2.
- deossiemoglobina (o emoglobina ridotta), quando ha ceduto l'O2.
- carbodiossiemoglobina (o carbammemoglobina), quando ha ceduto l'O2 ed ha captato una parte dell'anidride carbonica (CO2). È funzione fisiologica, sebbene non precipua, quella dell'Hb di trasportare, come tutte le proteine, i bicarbonati, svolgendo funzione tampone.
- carbossiemoglobina, Hb che lega CO. La CO ha un'affinità per l'Hb maggiore di 240 volte rispetto all'ossigeno.
- metaemoglobina, quando il ferro presente nella molecola si ossida, passando dallo stato ferroso 2+ a ferrico 3+, provocando un caratteristico colore marrone-bluastro, con tendenza al grigio.
- cianoemoglobina, Hb ridotta, a cui, cioè, è legato uno ione H+<sup!>. Quando è presente più del 5% di riduzione si ha cianosi.
L'emoglobina nelle fasi della vita
Periodo intrauterino
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, ad 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-difosfoglicerato (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
L'emoglobina nell' adulto è di tipo HbA 96% α2β2, HbA2 α2δ2 3% e HbF α2γ2 1%
Il valore diagnostico dell'emoglobina
Per gli adulti il valore dev'essere compreso tra 12,0 e 16,0 g/dl per le donne, e tra 13,5 e 16,7 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 ed in questo caso la stragrande maggioranza dei medici procede con una trasfusione di sangue.
