Biochimica, dietistica (Samaja)

Emoglobina

Componenti del sangue

Il sangue è un tessuto connettivo fluido costituito sostanzialmente da due fasi:

• Plasma: è un liquido trasparente dalla colorazione fisiologica debolmente gialla. Un colore aranciato o rosso indica l’anomala presenza di emoglobina dovuta all’emolisi, ossia la rottura, degli eritrociti che la contengono; esso, invece, assume un aspetto torbido per l’elevata concentrazione di lipoproteine, fisiologica dopo un pasto. Tale torbidità ostacola molte analisi effettuate sul plasma e per questa ragione è necessario effettuare
• Fase corpuscolata: è la porzione cellulare del sangue ed è composta per il 99,9% da eritrociti. Gli eritrociti sono state le prime cellule ad essere osservate al microscopio (nel 1668), hanno la forma di un disco biconcavo dal diametro di 6-8 μm. Essi non possiedono né nuclei né mitocondri, per cui il loro metabolismo è del tutto anaerobico e non varia a seconda della concentrazione di insulina e glucosio concentrazione. In un secondo circa 2 milioni di eritrociti vengono prodotti nel midollo osseo rosso (nell’embrione le RBC sono prodotte nel fegato) e non essendo in grado di sintetizzare le proprie proteine ogni danno, frequente a causa dello stress a cui viene sottoposto, non può essere riparato. Essi hanno dunque una vita media piuttosto breve, di 120 gg. A mano a mano che un eritrocita scorre nei vasi sanguigni, dove la dimensione ridotta dei capillari li costringe a stirarsi per poi ritornare alla loro forma originale, porzioni di citoscheletro e membrana vengono perse ed esso assume dimensioni via via inferiori; quando diviene sufficientemente piccolo esso viene assorbito dal reticolo endoteliale per essere poi demolito. La velocità di sintesi dei globuli rossi è sotto il controllo dell’ormone eritropoietina. Queste cellule hanno la capacità di trasportare ossigeno ai tessuti grazie ad una molecola contenuta in grande quantità al loro interno: l’emoglobina.

Struttura e funzione dell'emoglobina

L’emoglobina è la prima proteina ad essere studiata in quanto è una delle più abbondanti del corpo umano e la sua struttura presenta le caratteristiche peculiari di questa categoria di composti, in particolare la sua struttura è strettamente associata alla sua funzione.

Essa funge da trasportatore di ossigeno ai tessuti attraverso il circolo sanguigno, infatti gli organismi pluricellulari non sono in grado di assorbirlo per diffusione. Il legame fra emoglobina ed ossigeno deve essere debole e reversibile poiché quest’ultimo deve essere ceduto alla mioglobina, nel muscolo, o ai mitocondri, negli altri tessuti, che hanno con esso un’affinità maggiore. La mioglobina è una proteina che funge da riserva di ossigeno nel muscolo ed è composta da una singola subunità di forma globulare, fortemente solubile in acqua; ciò significa che può essere presente in grandi concentrazioni in ambiente acquoso senza precipitare. La presenza nei muscoli di mioglobina è dovuta al fatto che il loro consumo di ossigeno varia drasticamente a seconda che essi siano a riposo o in attività, mentre per gli altri tessuti è pressoché costante.

Essa presenta al suo interna al suo interno un gruppo prostetico, detto eme che contiene un atomo di ferro a cui è dovuta la capacità di legare l’ossigeno. L’emoglobina è, invece, costituita da 4 subunità, due α e due β molto simili fra loro, ognuna delle quali presenta un gruppo eme. Il gruppo eme è una molecola planare composto da protoporfirina IX al centro della quale è presente un atomo di ferro bivalente (Fe²⁺) il quale può formare 6 legami: quattro dei quali si formano con la protoporfirina, uno con l’emoglobina e il rimanente può:

• Non formarsi dando la deossiemoglobina, la quale ha un colore rosso-violaceo;
• Formarsi con l’ossigeno dando l’ossiemoglobina, la quale ha un colore rosso vivo;
• Formarsi con il monossido di carbonio CO dando la carbossiemoglobina, dal colore molto simile all’ossiemoglobina.

Questa variazione di colore è sfruttata nell’ossimetria, un’analisi che sfrutta il diverso colore dell’emoglobina per misurare la quantità di sangue ossigenato presente in circolo.

Affinità dell'emoglobina per l'ossigeno

L’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno varia in maniera caratteristica in funzione della pressione parziale di quest’ultimo. Ciò è necessario in quanto nei polmoni l’ossigeno deve legarsi all’emoglobina mentre nei tessuti esso deve essere ceduto ai mitocondri o alla mioglobina, la quale deve conseguentemente avere un’affinità maggiore per l’ossigeno.

Osservando il grafico della saturazione delle due proteine in funzione della pO₂ si osserva che sebbene entrambe abbiano un andamento crescente, la della mioglobina è un ramo d’iperbole mentre quella dell’emoglobina ha una andamento particolare, sigmoide, cresce meno rapidamente e prevede un punto di flesso. Ciò è dovuto all’esistenza di una forma di allosterismo che regola l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno in cui l’effettore allosterico è l’ossigeno stesso. P₅₀ è la pressione parziale dell’ossigeno alla quale la saturazione è 50% di quella massima: la mioglobina ha una P₅₀ è 3 mmHg e l’emoglobina di 28 mmHg. Nel sangue arterioso la pO₂ è circa 100 mmHg (150 mmHg nell’aria) valore tale per cui sia l’emoglobina che la mioglobina risultano sature. Nel sangue venoso la pO₂ dell’ossigeno è circa 40 mmHg valore per cui la mioglobina risulta ancora satura, mentre l’emoglobina no, infatti questa cede l’ossigeno alla prima o ai mitocondri che hanno un’affinità per l’ossigeno perfino superiore della mioglobina.

Effettori allosterici dell'emoglobina

Esistono anche altri effettori allosterici che influenzano l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno. Questi effettori si dividono in:

• Negativi, che diminuiscono tale affinità e aumentano il valore del P₅₀:
  • Aumento di temperatura, come accade nel muscolo in attività favorendo così la cessione di ossigeno da parte dell’emoglobina.
  • Diminuzione del pH, come accade nel muscolo che, in carenza di ossigeno, produce acido lattico il quale provoca una diminuzione di pH che determina una minor affinità dell’emoglobina per l’ossigeno il quale viene ceduto al tessuto.
  • Aumento di concentrazione di CO₂ che, essendo un prodotto di scarto della respirazione cellulare, indica un incremento dell’attività della cellula.
  • Aumento della concentrazione di 2,3-difosfoglicerato il quale avviene per esempio ad alta quota dove la pressione parziale dell’ossigeno è minore. Esso è prodotto negli eritrociti a partire dall’1,3-difosfoglicerato reazione catalizzata dell’enzima 2,3-difosfoglicerato mutasi. Esso, avendo una forte affinità per l’emoglobina si lega ad esso abbassando l’affinità per l’ossigeno.
• Positivi, che aumentano l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno e diminuiscono il valore del P₅₀:
  • Presenza anche lieve di CO che somigliando all’ossigeno molecola simula una maggiore pO₂. Il monossido di carbonio è un gas incolore e inodore presente nei vapori di scarico delle automobili e nel fumo delle sigarette. Esso è un effettore allosterico positivo e, inoltre, si lega al gruppo eme con un’affinità trecento volte maggiore di quella dell’ossigeno. L’unica cura possibile per l’intossicazione da monossido di carbonio è la ventilazione al 100% di ossigeno molecolare associata a potenti antiossidanti.

Genetica dell'emoglobina

Le catene α e β dell’emoglobina e la catena della mioglobina, pur essendo molto simili, sono codificate da tre geni diversi, collocati rispettivamente sul cromosoma 16, 11 e 22. La loro somiglianza fa pensare che esse derivino dallo stesso gene ancestrale attraverso un processo evolutivo che risulta ancora in atto; per questa ragione esistono centinaia di varianti (185) di emoglobina dovuta a mutazioni, molto spesso incompatibili con la vita. Ciascuna forma mutata esiste in una frazione molto piccola della popolazione e presenta il nome della città in cui è stata individuata, i loro portatori spesso muoiono prima di poterle diffondere mettendo in atto un processo di selezione naturale. Per identificare la presenza di mutazioni sull’emoglobina si può utilizzare l’elettroforesi oppure la spettrografia.

La forma mutata più diffusa è l’emoglobina S presente nel 8% della popolazione africana e determinante una patologia nota come anemia falciforme. Essa è stata la prima malattia di cui si è scoperta la base molecolare ed è dovuta alla presenza di valina, apolare, al posto del glutammato, polare, nella catena B dell’emoglobina. Ciò provoca un’alterazione nella sua struttura la quale, anziché assumere la classica struttura globulare, polimerizza a formare fasci fibrosi e insolubili. Questa aggregazione in fibre insolubili è più marcata nell’emoglobina deossigenata e dunque, nel passaggio dal sangue arterioso a venoso, essa precipita ostruendo i capillari e provocando l’emolisi degli eritrociti. Essa è così diffusa, nonostante la gravità, poiché i soggetti affetti da anemia falciforme, in particolare nella forma eterozigote, sono immuni alla malaria.

Emoglobina fetale

L’emoglobina fetale è composta da due subunità α e due subunità γ le quali non potendo legare il 2,3-difosfoglicerato hanno un’affinità maggiore per l’ossigeno rispetto alle catene β, che iniziano ad essere sintetizzate nelle settimane successive al parto. Questa maggiore affinità all’ossigeno fa si che questo passi spontaneamente dal sangue materno al sangue embrionale.

Principi di analisi

I parametri relativi alla composizione del sangue che vengono analizzati per valutare lo stato di salute dell’individuo sono:

• Numero di eritrociti per unità di volume, o conta eritrocitaria, valutato attraverso un esame di microscopia. Si misura in 10¹²/L, ossia in milioni di eritrociti per microlitro.
• Quantità di emoglobina per unità di volume, valutata attraverso un esame spettrofotometrico che analizza il colore del sangue. Si misura in g/L.
• Ematocrito, ossia il rapporto fra volume dei globuli rossi e volume del sangue, il quale viene valutato per centrifugazione. È un numero puro espresso in %.
• MCH (mean cell hemoglobin): è la quantità media di emoglobina contenuta in un singolo globulo rosso. Il valore di riferimento per un soggetto adulto sano è 29 pg (±2).
• MCV (mean cell volume): è il volume medio di un eritrocita valutato come rapporto fra il valore dell’ematocrito e la conta eritrocitaria. Il valore di riferimento per un soggetto adulto sano è 90 fL (±7).
• MCHC (mean corpuscolar hemoglobin concentration): è la misurazione della quantità di emoglobina presente in ogni singolo eritrocita in relazione alla dimensione dell'eritrocita stesso. Si valuta come rapporto fra la concentrazione cellulare media di emoglobina (MCH) e l’ematocrito. Il valore di riferimento per un soggetto adulto sano è 340 g/L (±20).

Esistono analizzatori, detti cell counter, in grado di esprimere una valutazione che tenga conto congiuntamente della conta eritrocitaria, della quantità di emoglobina e dell’ematocrito.

Nella vita fetale, l’embrione presenta una quantità di emoglobina elevata, in modo che sia favorito il passaggio di ossigeno dal sangue materno, e tale permane per qualche settimana dopo il parto per poi diminuire e rimanere pressoché stabile fino alla vita adulta. L’emoglobina può legarsi al glucosio formando complessi, detti aldimmine, secondo una reazione rapida e reversibile, e questi, spontaneamente, si trasformano in complessi, detti chetammine, secondo una reazione irreversibile e molto lenta. Poiché il tempo di emivita dell’emoglobina è di circa 4 mesi ed essa reagisce con il glucosio nell’arco di alcune settimane, la concentrazione di chetammine è un marcatore della quantità di glucosio circolante nel sangue nel corso dei mesi precedenti al prelievo.

Metabolismo dell'emoglobina

Il nostro organismo produce circa 2 milioni di eritrociti al secondo e tale produzione deve essere compensata dalla loro distruzione. Alla morte di un globulo rosso la sua membrana plasmatica si lide e l’emoglobina viene liberata nel plasma. L’intera molecola può formare con la proteina aptoglobina complessi che vengono endocitati dal reticolo endoteliale delle pareti dei vasi. Il gruppo eme, invece, se presente libero nel plasma forma con la proteina emopexina complessi che vengono recepiti e sequestrati dal fegato. Infine, il ferro, se libero nella circolazione sanguigna, si lega con la proteina transferrina a formare complessi che vengono sequestrati e rimossi dal midollo osseo.

Sintesi del gruppo eme

Il gruppo prostetico eme è una molecola avente numerosi dieni coniugati, ragion per cui risulta intensamente colorata, che viene, in piccola parte, assunto con la dieta mentre per la maggior parte è di origine endogena. Vengono, infatti, prodotti circa 250-300 mg/di eme al giorno e la sintesi avviene in tutte le cellule, soprattutto nel fegato (15%) e nel midollo osseo (70-80%). La prima reazione della sua sintesi avviene nel mitocondrio e prevede che il succinil-CoA reagisca con la glicina a dare l’acido δ-aminolevulinico. Questa reazione è catalizzata dall’enzima ALA sintasi (aminolevulinic acid synthase) che utilizza come cofattore la vitamina B6 la cui carenza, dunque, provoca anemia; tale enzima ha un tempo di semivita di 1-3 h e la sua stessa sintesi è inibita retroattivamente dall’accumulo di emoglobina. I passaggi successivi avvengono in parte nel mitocondrio e in parte nel citoplasma e prevedono numerosissimi enzimi, molti dei quali risultano inibiti dal piombo e da altri metalli pesanti, responsabili anch’essi di anemie. Poiché questo processo richiede moltissimi enzimi la probabilità che uno di essi, per fattori genetici o danni epatici, non sia perfettamente funzionante è piuttosto elevata. Esiste, infatti, una classe di malattie, dette le porfirie, causate ad un parziale deficit di uno degli enzimi della biosintesi dell’eme; esse provocano l’accumulo di porfirine, i composti intermedi della sintesi dell’eme, le quali determinano, per la loro capacità di indurre fotosensibilizzazione, la formazione di ROS, con conseguenti dolori addominali, ipersensibilità cutanea alla luce e sintomi neurologici (allucinazioni, riflessi attenuati e perdita di sensibilità). La cura per tali patologie consiste nella somministrazione di emetina (Eme-Fe³⁺).