L' emoglobina , comunemente simboleggiata Hb , a volte Hgb è un pigmento respiratorio (famiglia molecolare di metalloproteine , qui contenenti ferro ) presente principalmente nel sangue dei vertebrati , nei loro globuli rossi e nei tessuti di alcuni invertebrati . La sua funzione è quella di trasportare ossigeno O 2dal sistema respiratorio ( polmoni , branchie ) al resto del corpo . La quantità di emoglobina è un parametro misurato durante un esame emocromocitometrico .
L'emoglobina rilascia ossigeno nei tessuti per la respirazione cellulare aerobica che, attraverso il metabolismo , fornisce energia per i processi biologici essenziali alla vita.
Nel umana , emoglobina è una proteina etero - tetramero formato da catene peptidiche sono identici a due a due. L'emoglobina A (HbA) rappresenta circa il 95% delle molecole di emoglobina negli adulti, costituita da due catene α e due catene β; esiste anche un'emoglobina A 2 (HbA 2 ) di formula α 2 δ 2e un'emoglobina F (HbF, fetale) di formula α 2 γ 2. Ciascuno dei quattro canali è associato a un gruppo protesico chiamato eme e costituito da un catione di ferro complessato con una porfirina . L'emoglobina è quindi un'emoproteina .
Nei mammiferi , l'emoglobina costituisce quasi il 96% della massa di sostanza secca dei globuli rossi e circa il 35% del loro contenuto totale, inclusa l'acqua. Ogni molecola di emoglobina può legare fino a quattro molecole di ossigeno O 2e l'emoglobina nel sangue può trasportare 1,34 mL di O 2per grammo di proteine, che gli consente di trasportare 70 volte più ossigeno rispetto alla quantità di O 2sciolto nel sangue. L'emoglobina è anche coinvolta nel trasporto di gas diversi dall'ossigeno. In particolare, assicura il trasporto di parte dell'anidride carbonica CO 2prodotta dalla respirazione cellulare, e trasporta anche ossido nitrico NO, che svolge un ruolo significativo nella segnalazione cellulare di certi fisiologici processi , e che viene rilasciato insieme ossigeno dopo essere trasportato su un tiolo gruppo del apoprotein .
la maggior parte dell'emoglobina si trova nei globuli rossi, che sono essi stessi prodotti dal midollo osseo. Tuttavia, non tutta l'emoglobina è concentrata nei globuli rossi. Si trova così, ad esempio, nei neuroni dopaminergici del gruppo A9 della substantia nigra , nei macrofagi , nelle cellule alveolari e, nei reni , nelle cellule del mesangio . In questi tessuti l'emoglobina svolge un ruolo antiossidante e un regolatore del metabolismo del ferro .
L'emoglobina e varie molecole correlate sono presenti anche in un gran numero di invertebrati, funghi e piante . In questi organismi, la funzione dell'emoglobina è quella di trasportare l'ossigeno O 2, ma può anche fungere da trasportatore e regolatore di altre specie chimiche come l'anidride carbonica CO 2, monossido di azoto NO, acido solfidrico HS e anione solfuro S 2– . Una variante dell'emoglobina, chiamata legemoglobina , rimuove l' ossigeno dai sistemi anaerobici , ad esempio i noduli di Rhizobium nelle fabaceae , prima di inattivarli.
L'emoglobina ha una struttura quaternaria caratteristica di molte proteine con subunità globulari . La maggior parte dei suoi residui di amminoacidi sono coinvolti in eliche α unite da segmenti non elicoidali. Le sezioni elicoidali sono stabilizzate da legami idrogeno che conferiscono alla proteina la sua caratteristica struttura tridimensionale, chiamata globin folding in quanto si trova anche in altre globine a gruppo protesico eme come la mioglobina . Questa caratteristica piegatura presenta una cavità nella quale è strettamente inserita una molecola eme costituente il gruppo protesico della proteina. L'emoglobina contiene quindi una molecola di eme per subunità.
Rappresentazione generica di una molecola di emoglobina, che mostra le quattro subunità, identiche a coppie, ciascuna con una molecola di eme inserita nelle cavità all'interno delle subunità.
Nella maggior parte dei vertebrati, la molecola di emoglobina è un assemblaggio di quattro subunità globulari in una disposizione approssimativamente tetraedrica . Queste subunità sono tenute insieme da legami idrogeno, legami ionici e per effetto idrofobo . Negli esseri umani adulti, il tipo più comune di emoglobina è l'emoglobina A, costituita da due subunità α e due subunità β, ciascuna composta rispettivamente da 141 e 146 residui di amminoacidi. Questa struttura è simbolizzata da α 2 β 2. Queste subunità sono strutturalmente molto simili e hanno approssimativamente le stesse dimensioni. Ciascuno ha un peso molecolare di circa 16 kDa , o 64 kDa ( 64 458 g · mol -1 ) per l'intera lunghezza della proteina. Nei bambini, l'emoglobina principale è chiamata emoglobina F (fetale), di formula α 2 γ 2, le catene γ vengono gradualmente sostituite da catene β durante la crescita.
Heme è composto da un catione di ferro ( II ) coordinato a quattro atomi di azoto di una porfirina , un tetrapirrolo la cui molecola è planare. Questo catione Fe 2+ è anche legato covalentemente al residuo istidina F8 della globina in cui è inserito l'eme; questo residuo, chiamato istidina prossimale , si trova al di sotto del piano dell'eme. Fe 2+ può anche legarsi in modo reversibile attraverso un legame covalente coordinato a una molecola di ossigeno O 2sopra il piano eme, opposto all'istidina prossimale, completando la geometria di coordinazione ottaedrica a sei leganti del catione ferro ( II ) nell'ossiemoglobina; in assenza di ossigeno, nella deossiemoglobina, questo sesto sito è occupato da una molecola d' acqua molto debolmente legata.
Il ferro ferroso della deossiemoglobina è in uno stato di spin elevato , vale a dire che i suoi cinque orbitali d sono occupati, principalmente da singoli elettroni, da cui un raggio ionico dell'ordine di 92 pm , mentre, nell'ossiemoglobina, il ferro ferroso è in uno stato di spin basso , cioè i suoi orbitali d sono occupati da sei elettroni accoppiati che sono limitati ai tre orbitali a energia più bassa, quindi un raggio ionico di soli 75 pm . Per questo motivo, lo ione Fe 2+ è spostato di circa 40 µm dal piano dell'eme nella deossiemoglobina, ma solo di 10 µm nell'ossiemoglobina. Questa variazione è alla base del passaggio tra la forma tesa e la forma rilassata dell'emoglobina.
(it) Diagramma schematico del legame di una molecola di ossigeno O 2sulla eme , simboleggiata qui da una linea spessa. Lo ione superossido O 2• - il risultato è legato da un lato al catione di ferro ( III ) da un legame covalente coordinato e dall'altro lato all'istidina distale. Il catione Fe ( II ) della deossiemoglobina è nello stato di spin elevato e spostato dal piano eme verso l'istidina prossimale, ma viene riportato in questo piano passando allo stato di spin basso dal legame con l'ossigeno L., che si sposta l'istidina prossimale all'eme e promuove lo spostamento del resto della proteina dalla forma tesa (T) alla forma rilassata (R).
Il catione di ferro può trovarsi allo stato di ossidazione +2 o +3: in quest'ultimo caso si tratta di metaemoglobina , che si lega all'ossigeno in modo meno reversibile rispetto all'emoglobina, e con minore affinità. Infatti, quando si lega all'eme ferroso, la molecola di ossigeno O 2tende a ridursi a ione superossido O 2• - mentre il catione Fe 2+ tende ad ossidarsi a Fe 3+ , meccanismo che si inverte durante il rilascio di ossigeno; al contrario, il legame dell'ossigeno all'eme ferrico è essenzialmente irreversibile e tende a bloccare la proteina della forma R, che impedisce il rilascio di ossigeno e inibisce la sua funzionalità di trasporto dell'ossigeno. La citocromo b 5 reduttasi , o metaemoglobina reduttasi, è l' enzima che garantisce la riduzione dell'emoglobina funzionale metaemoglobinica mediante riduzione del catione Fe 3+ a Fe 2+ , rendendolo un enzima essenziale nel mantenimento delle proprietà del sangue.
L'emoglobina deossigenata (deossiemoglobina) ha una cosiddetta conformazione T, o tesa , mentre l'emoglobina ossigenata (ossiemoglobina) ha una cosiddetta conformazione R, o rilassata . La forma T ha una bassa affinità per l'ossigeno e quindi tende a rilasciarlo, mentre la forma R ha un'alta affinità per l'ossigeno e tende a legarlo. Diversi fattori favoriscono l'una o l'altra di queste conformazioni. Pertanto, la forma T è favorita da un pH basso ( acido ), un'alta concentrazione di CO 2e un alto livello di 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG), che favorisce il rilascio di ossigeno mentre il sangue circola attraverso i tessuti , mentre la forma R è favorita da un pH elevato, una pressione parziale bassa di CO 2e un basso livello di 2,3-BPG, che promuove l'assorbimento di ossigeno quando il sangue circola a livello degli alveoli polmonari .
Rappresentazione schematica del passaggio dell'emoglobina tra le forme T (deoxy) e R (ossi). I movimenti dell'eme e dell'istidina prossimale sono chiaramente visibili nelle subunità α 1 e β 2 .
Tasso di saturazione di O 2emoglobina in funzione della pressione parziale di O 2 ; a volte chiamata curva di Barcroft , è sigmoidea a causa dell'effetto cooperativo che accompagna il legame dell'ossigeno all'emoglobina.
Il passaggio tra la forma T e la forma R dell'emoglobina è un cosiddetto meccanismo cooperativo , cioè allosterico , perché il legame di una molecola di ossigeno alla forma T induce un cambiamento conformazionale che si propaga parzialmente alle subunità adiacenti, la cui affinità poiché l'ossigeno aumenta gradualmente man mano che altre molecole di ossigeno si legano all'emoglobina, fino a quando tutta la proteina assume la conformazione R; viceversa, il rilascio di una molecola di ossigeno dalla forma R induce un cambiamento conformazionale che si propaga parzialmente alle subunità adiacenti, la cui affinità per l'ossigeno diminuisce gradualmente man mano che l'emoglobina rilascia ossigeno, fino a quando tutta la proteina adotta la conformazione T. Questo è il motivo per cui il la curva di legame dell'ossigeno all'emoglobina in funzione della pressione parziale dell'ossigeno ha forma sigmoidea , mentre sarebbe iperbolica in assenza di allosteria.
È consuetudine tracciare il tasso di saturazione dell'emoglobina nell'ossigeno O 2rappresentato sull'asse y in funzione della pressione parziale di ossigeno O 2, riportato in ascissa . In questa rappresentazione, la curva è sigmoidea e tende a scorrere a sinistra quando l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno aumenta ea destra quando diminuisce. La pressione parziale dell'ossigeno alla quale l'emoglobina è satura al 50% di ossigeno è chiamata p 50 : minore è il suo valore, maggiore è l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. Come guida, la p 50 dell'emoglobina in un adulto sano è tipicamente di 3,5 kPa , spesso scritta 26,6 mmHg , mentre quella della mioglobina è tipicamente 130 Pa .
Diversi fattori aumentano la p 50 e quindi fanno scorrere questa curva verso destra:
Questi effetti sono reversibili e l'inversione della direzione di variazione di questi fattori fa sì che la curva scivoli a sinistra.
Oltre all'ossigeno O 2, che si lega all'emoglobina in un cosiddetto meccanismo cooperativo , questa proteina trasporta anche altri ligandi , alcuni dei quali sono inibitori competitivi , come il monossido di carbonio CO, e altri sono ligandi allosterici come l' anidride carbonica CO 2e monossido di azoto NO. CO 2reversibilmente si lega al amminici gruppi in apoprotein a forma carbaminoemoglobina , che si ritiene di fornire circa il 10% di CO 2 trasportinei mammiferi , il resto viene trasportato principalmente sotto forma di ioni bicarbonato HCO 3- . L'ossido nitrico si lega reversibilmente ai gruppi tiolici dell'apoproteina per formare un S- nitrosotiolo . Il trasporto dell'ossido nitrico può mediare indirettamente il trasporto dell'ossigeno da parte dell'emoglobina agendo come vasodilatatore nei tessuti dove la pressione parziale dell'ossigeno è bassa.
Inibitori per competizione con l'ossigenoIl legame dell'ossigeno all'emoglobina è efficacemente bloccato dal monossido di carbonio CO, ad esempio dal fumo di sigaretta , dagli scarichi o dalla combustione incompleta da parte di una caldaia . Il monossido di carbonio compete con l'ossigeno nel sito di legame di quest'ultimo sull'eme. L' affinità dell'emoglobina per il monossido di carbonio è 230 volte maggiore di quella dell'emoglobina per l'ossigeno, per cui piccole quantità di monossido di carbonio sufficienti a ridurre significativamente l'ossigenazione dell'emoglobina nell'ematosi , e quindi la capacità del sangue di ossigenare il corpo. L' ipossia che deriva quindi dalla continua esposizione allo 0,16% di CO nell'aria provoca vertigini , nausea , cefalea e tachicardia entro 20 minuti e porta alla morte entro due ore; L'1,28% di CO nell'aria provoca perdita di coscienza dopo appena due o tre respiri e morte in meno di tre minuti. Se combinata con il monossido di carbonio, l'emoglobina è una proteina chiamata carbossiemoglobina il cui colore rosso molto brillante rischia di colorare di rosa la pelle delle vittime morte per avvelenamento da monossido di carbonio , che altrimenti avrebbero la carnagione pallida o bluastra.
Allo stesso modo, l'emoglobina mostra, nel suo sito di legame dell'ossigeno, un'affinità competitiva per lo ione cianuro CN - , il monossido di zolfo SO e lo ione solfuro S 2– , come con il solfuro di idrogeno H 2 S. Questi si legano al catione ferro dell'eme senza modificarne lo stato di ossidazione, ma inibiscono comunque il legame dell'ossigeno all'eme, da qui la loro elevata tossicità.
Leganti allosterici dell'emoglobinaL' anidride carbonica CO 2si lega più facilmente alla deossiemoglobina, che ne facilita l'eliminazione dall'organismo. Questo è chiamato effetto Haldane .
Inoltre, CO 2disciolto nel sangue viene convertito in anione bicarbonato HCO 3- mediante anidrasi carbonica , a seconda della reazione:
CO 2+ H 2 O→ H 2 CO 3→ HCO 3- + H + .Ne consegue che il sangue ricco di CO 2è anche più acido , cioè il suo pH è abbassato per effetto dell'acido carbonico . Il legame dei protoni H + e delle molecole di CO 2l'emoglobina induce un cambiamento conformazionale che favorisce la forma T, e quindi il rilascio di ossigeno. I protoni si legano a diversi siti dell'emoglobina, mentre l'anidride carbonica si lega ai gruppi α- ammino per formare la carbamminoemoglobina . La diminuzione dell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno in presenza di CO 2e il pH acido è chiamato effetto Bohr .
Le persone acclimatate ad alta quota hanno un aumento del livello ematico di 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG). Quest'ultimo è un effettore eteroallosterico che ha l'effetto di ridurre l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno stabilizzando la forma T: ad una pressione parziale di ossigeno inferiore al livello del mare, un calo dell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno ha l'effetto di aumentare la complessiva efficienza del trasporto di ossigeno da parte dell'emoglobina. Più in generale, si osserva un aumento del livello di 2,3-BPG quando la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce nei tessuti periferici, ad esempio in caso di ipossiemia , malattie respiratorie croniche, anemia o anche insufficienza cardiaca . Al contrario , il tasso di 2,3-BPG diminuisce in caso di shock settico e ipofosfatemia (in) .
La biosintesi dell'emoglobina comporta una complessa serie di passaggi. L' eme deriva da una serie di reazioni che iniziano nei mitocondri e continuano nel citosol degli eritrociti immaturi, mentre l' apoproteina è prodotta nei ribosomi citosol. La produzione di emoglobina si verifica nelle prime fasi dell'eritropoiesi , dallo stadio proeritroblastico allo stadio dei reticolociti nel midollo osseo . È qui che gli eritrociti dei mammiferi perdono il loro nucleo , mentre il nucleo rimane negli eritrociti negli uccelli e in molte altre specie . La biosintesi dell'apoproteina continua invece dopo la perdita del nucleo perché nella cellula rimane l' RNA messaggero , che può essere tradotto dai ribosomi del citosol fino all'attivazione dell'eritrocita nell'apparato cardiovascolare .
Nei vertebrati , gli eritrociti che hanno raggiunto la fine della loro vita a causa della loro senescenza o deterioramento vengono rimossi dal sangue per fagocitosi dai macrofagi nella milza e nel fegato . In caso di emolisi nel sangue , l'emoglobina si lega all'aptoglobina , mentre l' eme libero è legato dall'emopexina , che limita l'effetto ossidativo. L'emoglobina parzialmente degradata o rilasciata in grandi quantità dai globuli rossi danneggiati può ostruire i vasi sanguigni , come i capillari dei reni , che possono causare malattie renali . L'emoglobina rilasciata viene eliminata dal sangue dalla proteina CD163 , espressa esclusivamente nei monociti e nei macrofagi. L'emoglobina viene scomposta in queste cellule e il ferro eme viene riciclato, mentre una molecola di monossido di carbonio viene rilasciata per molecola di eme degradata: la scomposizione dell'eme è uno dei pochi processi naturali che producono monossido di carbonio nel corpo umano ed è responsabile del presenza di CO nel sangue di persone che respirano anche l'aria più pura. Questo processo forma la biliverdina , quindi la bilirubina , che è di colore giallo. Insolubile, viene rilasciato dai macrofagi nel plasma sanguigno , dove si lega all'albumina sierica , che la trasporta agli epatociti . Questi ultimi lo solubilizzano per coniugazione con acido glucuronico e lo secernono nell'intestino con la bile . L'intestino metabolizza la bilirubina in urobilinogeno , che viene escreto nelle feci come stercobilina e nelle urine . Quando la bilirubina non può essere escreta, la sua concentrazione nel sangue aumenta e viene eliminata principalmente attraverso l'urina, che diventa scura mentre le feci sono scolorite.
Il ferro prodotto dalla degradazione dell'eme viene immagazzinato nelle ferritine dei tessuti e trasportato nel plasma sanguigno dalle β-globuline come le transferrine .
Le molecole di emoglobina sono costituite da subunità di tipo globina la cui sequenza varia a seconda della specie . Esistono anche varianti di emoglobine all'interno della stessa specie, sebbene una di queste varianti sia generalmente largamente predominante sulle altre. In esseri umani , la forma predominante di emoglobina è chiamata emoglobina A; viene codificata dal HBA1 , HBA2 e HBB geni trova cromosoma 16 per i primi due e il cromosoma 11 per l'ultimo.
È generalmente accettato che la differenza tra emoglobina e mioglobina sia successiva alla separazione degli gnatostomi (dai vertebrati alla mascella ) con la lampreda . La mioglobina è stata diretta verso l'immagazzinamento dell'ossigeno mentre l'emoglobina è stata specializzata nel trasporto dell'ossigeno. Le subunità della proteina sono codificate da geni di tipo globina α e β. I predecessori di questi geni sono sorti durante una duplicazione avvenuta dopo la comparsa degli gnatostomi, circa 450-500 milioni di anni fa. La comparsa dei geni α e β ha aperto la strada alla polimerizzazione di queste globine, e quindi alla formazione di una proteina più grande composta da subunità distinte. Il fatto che l'emoglobina sia una proteina polimerica è alla base del meccanismo allosterico che è in particolare alla base della natura cooperativa del legame dell'ossigeno all'emoglobina. Il gene α ha successivamente subito una seconda duplicazione che porta alla formazione dei geni HBA1 e HBA2 . Queste molteplici duplicazioni e divergenze hanno creato un intero set di geni legati alle globine α e β, la cui regolazione porta ad esprimerli in diversi stadi di sviluppo.
Allineamento delle sequenze di catene α, β e δ dell'emoglobina umana (fonte UniProt ).
Le mutazioni dei geni dell'emoglobina possono portare a varianti dell'emoglobina. La maggior parte di queste varianti sono funzionali e non hanno alcun effetto sulla salute. Alcune mutazioni nell'emoglobina, d'altra parte, possono causare malattie genetiche chiamate emoglobinopatie . La più nota di queste condizioni è l' anemia falciforme , che è stata la prima malattia umana il cui meccanismo è stato chiarito a livello molecolare. Le talassemie sono un altro gruppo di emoglobinopatie che comportano un'alterazione della regolazione genica della componente globinica dell'emoglobina. Tutte queste malattie provocano anemia .
L'alterazione della sequenza aminoacidica dell'emoglobina può essere adattativa. È stato così possibile dimostrare che si adatta emoglobina alla diminuzione della pressione parziale di ossigeno osservato in quota. L'emoglobina deve quindi potersi legare all'ossigeno a una pressione inferiore, che può manifestarsi con un cambiamento nella sequenza a livello degli amminoacidi coinvolti nell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno., Come è stato osservato ad esempio nei colibrì di la Cordigliera Andina : così, nelle specie del genere Oreotrochilus , nel colibrì di Castelneau , nell'inca violifera o anche nel colibrì gigante , queste mutazioni riducono l'affinità dell'emoglobina per l'acido fitico , che in questi uccelli svolge lo stesso ruolo di 2, 3-bisfospoglicerato nell'uomo; questa diminuzione di affinità ha l'effetto di aumentare l'efficienza del trasporto dell'ossigeno quando la pressione parziale di quest'ultimo si riduce.
L'adattamento dell'emoglobina alle alte quote colpisce anche l'uomo. Abbiamo quindi identificato un gruppo di donne tibetane il cui genotipo codifica per un'emoglobina la cui affinità per l'ossigeno è aumentata a basse pressioni parziali. Ciò ha l'effetto di ridurre la mortalità infantile in queste condizioni estreme, il che offre un vantaggio selettivo a favore degli individui portatori di queste mutazioni dell'emoglobina.
Negli adulti, la variante principale dell'emoglobina è l' emoglobina A , o HbA , della formula α 2 β 2, che rappresenta oltre il 97% dell'emoglobina totale di un adulto sano. L'altra variante dell'emoglobina adulta è l' emoglobina A 2 , o HbA 2 , con la formula α 2 δ 2, che rappresenta tra l'1,5% e il 3,1% dell'emoglobina totale di un adulto sano, ma la cui proporzione aumenta nei pazienti a cellule falciformi . Oltre a queste varianti per adulti sani, ci sono una dozzina di altre varianti dell'emoglobina umana, che si trovano nell'embrione , nel feto o nei pazienti con una o più forme di emoglobinopatia .
Nell'uomo sono noti quattro tipi di emoglobina embrionale :
L'emoglobina embrionale è talvolta simboleggiata da Hbε, che non deve essere confusa con l'emoglobina E, indicata con HbE, che è una variante patologica dell'HbA che presenta una mutazione deleteria sulle subunità β, denotata β E (la "E" in questo caso si riferisce alla residuo di glutammato modificato da mutazione ).
L' emoglobina fetale HbF di formula α 2 γ 2, sostituisce l'emoglobina embrionale dopo 10-12 settimane di sviluppo. Costituisce fino al 95% del sangue del neonato e viene gradualmente sostituito dall'emoglobina HbA dell'adulto a partire dal sesto mese successivo alla nascita; tuttavia, rimane presente in tracce negli adulti, dove non supera l'1% di tutte le varianti di emoglobina rilevabili. Rimane nei bambini prodotti durante alcune talassemie particolari, a volte fino all'età di cinque anni, e una rara condizione chiamata persistenza ereditaria del disturbo dell'emoglobina fetale (en) ( HPFH ) provoca la produzione di HbF invece di HbA oltre il periodo normale. Inoltre, la produzione di HbF può essere riattivata negli adulti in un contesto terapeutico per trattare l' anemia falciforme .
L'emoglobina fetale è caratterizzata da una maggiore affinità per l'ossigeno rispetto all'emoglobina adulta, che permette al feto di ossigenarsi dal sangue della madre: infatti, la p 50 di HbF è di circa 19 mmHg ( 2,6 kPa ), rispetto a 26,8 mmHg ( 3,6 kPa ) per HbA. Questa differenza di affinità per l'ossigeno deriva da una differenza di affinità per uno degli effettori allosterici dell'emoglobina: 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG), il cui legame con l'emoglobina ha l'effetto di stabilizzare la forma T di questa proteina, che corrisponde alla deossiemoglobina, che riduce l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. Nel caso dell'emoglobina fetale, la subunità γ ha un residuo di serina in posizione 143, dove una subunità β HbA ha un residuo di istidina : questa posizione si trova nel sito di legame 2,3-BPG, e la sostituzione di un l'istidina, la cui catena laterale trasporta una carica elettrica positiva, da parte di una serina elettricamente neutra, indebolisce l'interazione del 2,3-BPG con l'emoglobina, perché il 2, 3-BPG è una piccola molecola che trasporta cinque cariche elettriche negative.
Le talassemie sono caratterizzate da una produzione insufficiente di uno dei due tipi di subunità di emoglobina adulta. Si distingue quindi tra la talassemia α , piuttosto rara, in cui le subunità α sono prodotte in modo insufficiente, e la talassemia β , la più comune, in cui sono le subunità β ad essere prodotte in modo insufficiente. Il primo porta alla formazione di tetrameri β-globinici chiamati emoglobina H , di formula β 4, che sono abbastanza instabili. Gli omozigoti α 0 generalmente non sopravvivono a lungo dopo la nascita a causa di una profonda alterazione dell'emoglobina fetale HbF, dando in queste condizioni l' emoglobina Barts , della formula γ 4.
Le principali mutazioni dell'emoglobina sono:
Esiste un'ampia varietà di proteine nelle piante e negli animali che si legano all'ossigeno per la conservazione o il trasporto. I batteri , i protozoi ei funghi hanno tutti anche proteine correlate all'emoglobina che, per la loro funzione nota o prevista, si legano ai ligandi gassosi in modo reversibile. Oltre a trasportare e rilevare l'ossigeno, queste proteine possono essere coinvolte nella rimozione dell'ossigeno dai mezzi che si ritiene rimangano anaerobici , come nel caso dell'emoglobina delle gambe .
Poiché molte di queste proteine sono costituite da globine ed eme , vengono spesso chiamate "emoglobina" anche se la loro struttura generale è molto diversa dall'emoglobina nei vertebrati . In particolare, la distinzione tra mioglobina ed emoglobina è spesso impossibile negli animali più semplici in assenza di muscoli in questi ultimi, mentre il sistema circolatorio della maggior parte degli insetti non è coinvolto nella diffusione dell'ossigeno attraverso il corpo. Un certo numero di artropodi ( ragni , scorpioni , alcuni crostacei ) utilizzano il buco della serratura , che è un eme libero contenente rame ma utilizzando cationi di rame direttamente coordinati con residui di istidina , ma questa proteina non è omologa all'emoglobina.
La struttura delle emoglobine è molto variabile a seconda delle specie considerate. È spesso mono-globina in batteri, protozoi, alghe e piante , mentre molti nematodi , molluschi e crostacei hanno proteine molto grandi che contengono un numero di subunità molto più elevato rispetto ai vertebrati. I funghi e gli anellidi in particolare possiedono emoglobine chimeriche contenenti sia globine che altri tipi di proteine. Pertanto, il verme tubolare gigante delle prese d'aria idrotermali contiene una varietà di emoglobina comprendente non meno di 144 subunità globiniche, ciascuna associata a un gruppo eme, il cui ruolo è quello di catturare l'ossigeno O 2e acido solfidrico H 2 Snecessario per i batteri che vivono in simbiosi con esso, così come l' anidride carbonica CO 2necessario per l' anabolismo del verme. Queste strutture sono notevoli in quanto possono trasportare ossigeno in presenza di ioni solfuro e trasportare questi stessi ioni senza essere avvelenati da essi come le emoglobine di altre specie.
Tra le proteine diverse dall'emoglobina in grado di legarsi all'ossigeno, si possono trattenere le seguenti molecole:
In medicina, diversi termini si riferiscono all'emoglobina:
Come molte proteine, le catene dell'emoglobina presentano varie mutazioni che molto spesso non hanno alcun impatto clinico. Sono state identificate più di 500 emoglobine anormali. Alcune mutazioni (Hb Köln, Indianapolis, ecc.) Causano instabilità del tetramero precipitante nel corpo di Heinz o metaemoglobinemia (emoglobina M).
A volte questa mutazione causa un'affinità anormale per l'ossigeno, cioè, come Hb Hope, una diminuzione dell'affinità con un alto P50 che dà un'anemia e una cianosi ben tollerate a riposo, lo sforzo e l'altitudine sono mal supportati., O, come Hb Chesapeake, Malmö o Olympia, un aumento dell'affinità con una P50 ridotta e una policitemia compensatoria che porta a manifestazioni cliniche a partire da una certa età.
Altri possono essere responsabili di emolisi cronica, HbS (per mutazione della glutammina in valina che causerà la polimerizzazione di Hb), HbC o peggiorare nello stato eterozigote un'altra emoglobinopatia, HbO Arab, HbD Punjab o Hb Lepore, o β-talassemia, HbE.
Infine, il danno genetico può riguardare non la struttura primaria della proteina, ma un difetto quantitativo nella sua sintesi, o una persistenza anormalmente alta dell'emoglobina fetale HbF.
I difetti di sintesi o l'anomalia molecolare sono descritti con i nomi di:
I primi studi di emoglobina sono stati portati al XIX ° secolo in Germania . Scoperta nel 1840 da Hünefeld, l'emoglobina fu cristallizzata nel 1851 da Otto Funke (en) , e fu Felix Hoppe-Seyler a dimostrare la fissazione reversibile dell'ossigeno su questa proteina nel 1866. La natura tetramerica e il peso molecolare dell'emoglobina furono stabiliti da Gilbert Smithson Adair (en) nel 1925 misurando la pressione osmotica delle soluzioni di emoglobina, che identificò anche le basi dell'effetto cooperativo del legame dell'ossigeno a questa proteina da parte dell'allosteria .
La struttura tridimensionale dell'emoglobina fu stabilita da Max Perutz nel 1959 mediante cristallografia a raggi X , che lo portò a condividere il Premio Nobel 1962 per la chimica con John Kendrew , che aveva condotto un lavoro simile sulla mioglobina .
Nel 2005, l'artista Julian Voss-Andreae ha creato la scultura Heart of Steel (Hemoglobin) , modellata sulla spina dorsale della proteina. La scultura è realizzata in vetro e acciaio Corten . L'aspetto rugginoso dell'opera è voluto ed evoca la fondamentale reazione chimica dell'ossigeno che si lega al ferro contenuto nell'emoglobina.
L'artista di Montreal Nicolas Baier ha creato la scultura Lustre (emoglobina) , una scultura in acciaio inossidabile lucido che mostra la struttura della molecola di emoglobina. La scultura si trova nell'atrio del centro di ricerca del McGill University Health Center di Montreal. La dimensione della scultura è di circa 10 metri per 10 metri per 10 metri.
" Il Premio Nobel per la Chimica 1962 è stato assegnato congiuntamente a Max Ferdinand Perutz e John Cowdery Kendrew" per i loro studi sulle strutture delle proteine globulari " . "