l’emoglobina degli eritrociti è una proteina di
trasporto indispensabile per veicolare l’ossigeno e
l’anidride carbonica tra i polmoni e i tessuti
(Mioglobina, proteina di deposito, presente nelle fibrocellule del
miocardio e del muscolo scheletrico, ha la funzione di trasferire
l’ossigeno della emoglobina del sangue alla citocromo-ossidasi
mitocondriale. Ha infatti una affinità per l’ossigeno superiore a quella
dell’emoglobina).
gli organismi superiori necessitano di un sistema di
trasporto per l’ossigeno, in quanto tale molecola è
scarsamente idrosolubile
l’emoglobina
importante,
costante in
quindi anche
assolve ad una funzione estremamente
contribuisce a mantenere il valore di pH
condizioni fisio-patologiche, funzionando
da sistema tampone
L’emoglobina dell’adulto (HbA) è un tetramero costituito
da 4 catene a due a due uguali (2a e 2b); ogni subunità
porta un gruppo eme (gruppo prostetico contenente un
nucleo di Ferro bivalente)
Legame dell’ossigeno all’emoglobina
Nel sangue intero l’emoglobina è per metà saturata ad una pressione di
ossigeno di 26 torr. Le pO2 indicate sono considerate a livello del mare
(la pO2 atmosferica a livello del mare è di 151-160 torr): Per un
confronto nella figura è riportata la curva di legame dell’ossigeno alla
mioglobina. La curva iperbolica tratteggiata si riferisce ad una ipotetica
proteina con la stessa p50 dell’emoglobina.
La saturazione (Y) è definita come la frazione di
siti occupati dall’ossigeno.
Y = 0 tutti i siti sono vuoti
Y = 1 tutti i siti sono occupati
p50 = pressione parziale dell’ossigeno a cui il 50% dei siti
sono occupati.
p50 per la mioglobina circa 1 torr
p50 per l’emoglobina circa 26 torr
La mioglobina ha una affinità per l’ossigeno maggiore di
quella della emoglobina.
La curva di dissociazione dell’ossigeno presenta un
andamento iperbolico per la mioglobina e sigmoide per la
emoglobina
N.B.: Dalle curve prima riportate si desume che se l’emoglobina fosse anch’essa
monomerica, cederebbe ai tessuti quantità irrilevanti di ossigeno.
Significato fisiologico dell’interazione tra emoglobina e O2
E’ possibile valutare quantitativamente il significato fisiologico
della natura sigmoidale della curva di legame dell’emoglobina, o,
in altre parole l’importanza fisiologica del fenomeno di
cooperatità.
L’equazione di Hill : y/(1-y) = (p02/p50)n
y = frazione dei siti occupati dall’ossigeno
per Y = 1, tutti i siti sono occupati
per Y = 0, nessun sito è occupato
n = indice di Hill (indica il grado di sigmoidicità della curva ed il
grado di cooperatività a p50.
n = 1, per la mioglobina (iperbole, nessuna cooperatività)
n = 2.8, per la emoglobina (sigmoide, cooperatività)
La
forma
ad
S
italica
è dovuta
interdipendenza funzionale dei suoi 4 emi.
alla
Il primo eme si combina lentamente con l’ossigeno,
il secondo per influenza del primo (già ossigenato) si
combina più velocemente e così via (effetto
cooperativo).
Tale
modalità
è
caratteristica
della
quaternaria e costituisce un esempio di
allosterica.
struttura
regolazione
l’ossigeno si lega agli atomi di ferro bivalenti
(normalmente lo stato di ossidazione del ferro
non cambia, la metaemoglobina trivalente,
formatasi per ossidazione del nucleo di ferro,
non è in grado di trasportare O2)
l’eme ha una struttura tetrapirrolica, il ferro
centrale crea 4 legami di coordinazione con gli
atomi di azoto dell’anello tetrapirrolico, uno
con un residuo istidinico della globina e un
sesto legame di coordinazione avviene con la
molecola dell’ossigeno (ossiemoglobina)
struttura dell’eme
l’emoglobina è stata la prima proteina di
cui sono stati osservati effetti allosterici
(modificazioni strutturali)
questa può infatti assumere 2
conformazioni, la forma R (“relaxed”
o rilassata) e la forma T (“tense” o
tesa); il passaggio dall’una all’altra
forma è data da interazioni
elettrostatiche che dipendono dalla
presenza o l’assenza di legami fra
l’eme e la molecola di ossigeno
Durante il legame dell’emoglobina con l’ossigeno si ha una riduzione
della lunghezza nel legame ad idrogeno fra le subunità a e b,
determinando così 2 conformazioni possibili, la forma R (relaxed,
rilassata) o ossiHb e la forma T (tense, tesa) o deossiHb
Le interazioni tra le singole subunità possono essere perturbate dal
legame del tetramero con l’ossigeno, causando una modificazione
conformazionale
Movimenti
dell’eme
e
dell’elica F durante la
transizione T
R
nell’emoglobina. Nella forma
T (in blu) il Fe è 0.6 Å al di
fuori del piano dell’eme, che
assume una forma a cupola,
con il Fe al centro. Quando
l’emoglobina assume la forma
R (in rosso), il Fe si muove
verso il piano dell’eme e la
porfirina diventa planare. In
questa posizione il Fe lega
saldamente una molecola di
ossigeno. L’His F8 e l’elica F
sono costrette a seguire il
movimento del Fe
MODELLO DI
PERUTZ
aumentando la pressione parziale
dell’ossigeno, un numero sempre più
crescente di molecole assume forma
R, più affine all’ossigeno; la
cooperatività tra le subunità, e quindi
anche l’affinità verso l’ossigeno,
cresce all’aumentare della pressione
parziale dell’ossigeno
altri effettori allosterici
possono
influenzare
l’equilibrio fra le 2
forme
Legami salini tra le subunità nella deossiemoglobina. Questi
legami elettrostatici non covalenti vengono spezzati durante
l’ossigenazione
 l’emoglobina partecipa al trasporto dell’anidride carbonica
dai tessuti ai polmoni; circa il 90% della CO2 non viene
trasportata come tale ma viene prima convertita in ione
bicarbonato HCO3-, molto più solubile
 nei polmoni lo ione HCO3- viene riconvertito in CO2 che
viene eliminata con l’espirazione
 i 2 processi sono rispettivamente accoppiati alla
deossigenazione e all’ossigenazione dell’emoglobina (HbH,
HbO2)
 a questi 2 processi interviene anche l’anidrasi carbonica,
presente negli eritrociti, che permette l’interconversione tra
acido carbonico in CO2 e viceversa
Effettori allosterici dell’emoglobina
(modificazioni strutturali)
• ossigeno: effettore positivo (omotropico)
• H+: effettore negativo (effetto Bohr)
H-Hb + O2
HbO2 + H+
•2,3-bis-fosfoglicerato: effettore negativo
Hb-2,3-BPG + 4 O2
• CO2: effettore negativo
CO2 + +H3N-globina
Hb(O2)4 + 2,3 - BPG
-OOCHN-globina
+ 2H+
la CO2 è un prodotto del metabolismo aerobico e deve essere
trasportato ai polmoni per essere rilasciato dal nostro organismo
la maggior parte della CO2 viene convertita in bicarbonato,
HCO3-, mediante l’azione dell’anidrasi carbonica e quindi
rilasciato nel plasma
CO2 + H2O
H2CO3
HCO3- + H+
la restante CO2 si lega reversibilmente all’emoglobina
attraverso la formazione di un legame carbamidico con gli
a-amino gruppi della porzione N-terminale dei polipeptidi della
globina
CO2 + +H3N-globina
-OOCHN-globina
+ 2H+
L’effetto Bohr non è altro che il rilascio di ossigeno da parte
dell’emoglobina che si osserva quando la concentrazione di
ioni H+ aumenta (il pH diminuisce). L’effetto Bohr è
fisiologicamente importante, in quanto i tessuti che stanno
ossidando grandi quantità di sostanze nutrienti, e che di
conseguenza hanno bisogno di grandi quantità di ossigeno,
generano ioni H+, rilasciando CO2 nel sangue:
CO2 + H2O
H2CO3
HCO3- + H+
Facilitando il rilascio di ossigeno, questi ioni H+ consentono il
deposito di O2 extra in quei tessuti che stanno consumando
molto attivamente
Emoglobina e trasporto di CO2
L'emoglobina partecipa anche al trasporto del
biossido di carbonio (CO2) dai tessuti ai polmoni. Circa
il 90% della CO2 non viene trasportata come tale, ma
viene trasformata in idrogenocarbonato (HCO3-)
molto
più
solubile
in
acqua.
Nei
polmoni
l'idrogenocarbonato viene ritrasformato in CO2 che
viene eliminato con l'espirazione.
I due processi - la formazione di HCO3- nei tessuti e
la liberazione di CO2 nei polmoni - sono
rispettivamente accoppiati alla deossigenazione e
all'ossigenazione dell'emoglobina. La deossiemoglobina
è
una
base
marcatamente
più
forte
dell'ossiemoglobina e lega quindi protoni (circa 0,7 H+
per tetramero) favorendo così nei capillari dei tessuti
la formazione di HCO3- da CO2.
segue
Partecipa al processo anche l'anidrasi carbonica,
presente in alte concentrazioni negli eritrociti.
L'HCO3- formato viene rilasciato per la maggior parte
nel plasma in cambio di Cl- e con il plasma va ai polmoni
dove le reazioni descritte avvengono in direzione
opposta: la deossiemoglobina viene ossigenata e cede
protoni che spostano l'equilibrio HCO3-/H2CO3 e
favoriscono così il rilascio di CO2.
Una piccola parte di CO2 (circa il 5%) viene trasportata,
legata
covalentemente
con
l'emoglobina,
come
carbammino-Hb (non riportato). Si calcola che i
meccanismi descritti siano responsabili per il 60% del
trasporto di CO2.
gli ioni H+ producono uno spostamento verso destra della curva
di saturazione dell’ossigeno (effetto Bohr)
Nei capillari dei tessuti extrapolmonari, gli eritrociti trasformano
in HCO3- la CO2 prodotta dal metabolismo dei tessuti; l’HCO3- così
prodotto esce dagli eritrociti per scambio con il Cl-.
Nei capillari polmonari, l’ HCO3- penetra negli eritrociti per
scambio con il Cl-. Dentro gli eritrociti, l’ HCO3- viene trasformato
in CO2, che quindi diffonde fuori dagli eritrociti e viene espirata
Effetto tampone dell’emoglobina
 Il 2,3-BPG deriva dall’ 1,3-BPG, un intermedio della
glicolisi eritrocitaria
ogni molecola di 2,3-BPG lega ciascuna molecola di
emoglobina; la sua concentrazione nell’eritrocita è quasi
identica a quella dell’emoglobina
 un incremento del 2,3-BPG stabilizza la forma T
(deossiHb) e quindi favorisce il rilascio di O2
 un incremento di 2,3-BPG interviene in risposta a
ipossia tissutale (dovuta a: anemia, disfunzione
polmonare, fumo di sigarette, elevate altitudini)
in assenza di effettori allosterici, nel caso di emoglobina purificata, la
curva di saturazione di questa proteina tende ad assumere un andamento
simile a quello della mioglobina. In definitiva, quindi, gli effettori negativi
risultano di fondamentale importanza per il rilascio dell’ossigeno.
La mioglobina, presente nelle fibre muscolari, ha un’affinità verso
l’ossigeno maggiore rispetto all’emoglobina, l’andamento della
curva non è sigmoidale in quanto l’affinità non è influenzata da
effettori allosterici come BPG e H+
Il paradosso fetale
Il feto deve ottenere ossigeno dal sangue materno attraverso
la placenta. Lo scambio può avvenire grazie al fatto che il
sangue fetale presenta un’affinità maggiore rispetto al
sangue della madre
Come è possibile?
Il sangue fetale contiene un tipo di emoglobina differente
rispetto a quella dell’adulto (HbA), l’HbF infatti è costituita
da un tetramero di tipo a2g2 . La subunità g differisce
rispetto alla b-globina in quanto presenta un residuo neutro
di serina al posto del residuo carico His143. Questa differenza
fa si che l’HbF è estremamente meno affine al 2,3-BPG
(effettore allosterico negativo) rispetto all’HbA, di
conseguenza l’HbF lega l’ossigeno con maggiore affinità
Le sindromi talassemiche
Sono la conseguenza di anormalità o non-funzionamento dei geni
per la codifica delle globine, l’insufficiente sintesi dei diversi tipi
di globina porta ad un’anemia emolitica. La severità del danno è
funzione dei numeri di geni mutati.
Si distinguono 2 tipi di talassemia:
b-talassemia – bassi livelli (b+) o completa assenza (b0) di bglobina. Si può verificare un’overproduzione compensatoria di
HbF (a2g2)
a-talassemia – bassi livelli di a-globina. Questa forma risulta
essere più complicata poiché vengono coinvolti 2 tipi di geni che
codificano per l’a-globina. Le vie compensatorie determinano la
produzione di 2 tipi di emoglobina, l’HbH (b4) e l’Hb di Bart (g4)
che non esibiscono transizioni allosteriche, effetto Bohr, inoltre
queste rimangono sempre nello stato R
Anemia falciforme
L’anemia falciforme è una patologia ereditabile;
manifestazioni comuni: anemia emolitica e dolore ricorrente
basi biochimiche: mutazione puntiforme del gene per la bglobina, il residuo di Glu6 risulta essere sostituito da una Val
(valina)
Lo scambio di questo aminoacido riduce la solubilità,
promuove la polimerizzazione di molecole di emoglobina di
tipo S deossigenata (HbS)
Spettro dei genotipi:
anemia falciforme (HbSS) – quadro clinico severo
anemia falciforme di tipo lieve (HbAS) – minori problemi
clinici
anemia falciforme – b+talassemia – coesistenza delle 2 varianti
di emoglobina con quadro clinico davvero complicato
La severità della patologia dipende dalla quantità di HbA e di
HbF presenti