Pigmenti respiratori: le proteine che trasportano l’ossigeno (e i loro colori)

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Quando andiamo sott’acqua senza l’ausilio di aria immagazzinata in bombole, ma solo con quella presente nei nostri polmoni, la nostra ossessione diventa l’ossigeno.
Lo stesso ossigeno che, vi sorprenderà, non ha nessuna voglia di stare nel nostro organismo.
Esiste infatti un problema chimico di base: l’ossigeno molecolare è una molecola “schiva”. Non ama stare sciolta nei nostri liquidi biologici o in quello di altri organismi viventi (sangue o emolinfa). Se ci affidassimo solo alla sua naturale capacità di sciogliersi, non avremmo abbastanza energia nemmeno per muovere una “pinna”.

Vuoi capire perché l’ossigeno è così poco solubile nei liquidi biologici?
Leggi qui le caratteristiche dell’ossigeno.

Per questo la natura ha progettato i pigmenti respiratori o cromoproteine. Immaginali come dei trasportatori specializzati: molecole giganti che contengono un “cuore” metallico capace di acchiappare l’ossigeno dove ce n’è tanto e mollarlo dove serve.

Si chiamano pigmenti per un motivo preciso: sono colorati.  In più, quando il metallo all’interno della proteina lega l’ossigeno, cambia ulteriormente il modo in cui la molecola riflette la luce. I principali pigmenti respiratori conosciuti sono:

• Emoglobina
• Mioglobina
• Emocianina
• Emeritrina
• Clorocruorina

Tuffiamoci alla loro scoperta!

I pigmenti respiratori

Emoglobina: struttura e funzione del pigmento respiratorio dei vertebrati

La proteina “respiratoria” che conosciamo meglio è l’emoglobina, la nostra “macchina rossa”. Al centro di questa proteina troviamo il gruppo eme, una sorta di guscio organico chiamato porfirina che tiene ben saldo un atomo di ferro. Spiegheremo bene la sua struttura in un articolo dedicato, più avanti. L’emoglobina viene trasportata nel nostro sangue attraverso le cellule che comunemente conosciamo come globuli rossi, dalla caratteristica forma di disco biconcavo. I globuli rossi maturi sono quasi completamente riempiti di emoglobina.

Per adesso immagina l’emoglobina come una squadra di quattro unità quasi identiche, ognuna delle quali somiglia in tutto e per tutto alla mioglobina che abbiamo nei muscoli. Se la mioglobina è un solista che tiene l’ossigeno stretto a sé per le emergenze muscolari, l’emoglobina è un quartetto che comunica in tempo reale.

Il segreto della sua efficienza sta proprio in questa struttura. Quando siamo in superficie e facciamo l’ultima ventilazione prima della capovolta, la pressione parziale di ossigeno nei polmoni è alta. In quel momento, l’atomo di ferro ferroso (Fe++) all’interno del primo “motore” lega la prima molecola di O2. Ma qui succede la magia: il ferro, legandosi, si sposta leggermente, trascinando con sé un amminoacido chiamato istidina a cui è legato e, di riflesso, tutta la struttura proteica di quella singola unità.

Questo movimento non resta isolato. Essendo le quattro unità incastrate l’una nell’altra, la deformazione della prima si trasmette meccanicamente alle altre tre. È come un cambio di marcia: la struttura passa da uno stato “Teso” (T), dove il ferro è quasi nascosto e fa fatica a legare l’ossigeno, a uno stato “Rilassato” (R), dove le altre unità si aprono e diventano improvvisamente molto più affamate di molecole gassose. Questo effetto domino è noto come cooperatività allosterica. Capiremo meglio insieme in futuro come questa caratteristica permetta a questa proteina di rilasciare l’ossigeno dove serve nel nostro corpo.

Mioglobina: la riserva di ossigeno nei muscoli

Se l’emoglobina è il convoglio che trasporta l’ossigeno lungo le autostrade del nostro sistema circolatorio, la mioglobina è il magazzino di stoccaggio situato direttamente dentro la fabbrica, ovvero nei nostri muscoli.

Dal punto di vista strutturale, la mioglobina è una molecola molto più semplice rispetto alla sorella maggiore. Mentre l’emoglobina è un complesso tetramero, la mioglobina è un monomero, ovvero una singola unità proteica che avvolge un unico gruppo eme con il suo atomo di ferro. In pratica, è la versione solista del quartetto che abbiamo visto prima.

Questa semplicità si traduce in un’affinità per l’ossigeno altissima, molto superiore a quella dell’emoglobina. Se l’emoglobina è un commerciante che scambia ossigeno in base alla pressione che sente intorno a sé, la mioglobina è un accumulatore avido. Lega l’ossigeno con una forza incredibile e non lo molla finché la pressione parziale di O₂ nei tessuti non scende a livelli critici. È il sistema di sicurezza del muscolo: rimane carica finché c’è un minimo di ossigeno in circolo e interviene solo quando la cellula ne ha davvero bisogno.

C’è un dettaglio cromatico che noi amanti del mare conosciamo bene: è proprio la mioglobina a dare il colore rosso scuro ai muscoli dei grandi nuotatori. Se guardi la carne di un tonno o, ancora meglio, quella di un capodoglio, noterai un rosso quasi nerastro. Questo perché questi animali hanno concentrazioni di mioglobina enormi nei muscoli. Hanno trasformato i loro tessuti in gigantesche spugne di ossigeno.

In un certo senso, la mioglobina è la dimostrazione di come la natura sappia diversificare le funzioni partendo dallo stesso mattone. Con lo stesso gruppo eme e una struttura proteica simile, ha creato due strumenti opposti: uno flessibile e comunicativo per il trasporto (l’emoglobina) e uno rigido e tenace per la sopravvivenza (la mioglobina).

Emocianina: il pigmento respiratorio blu a base di rame

Se il ferro dell’emoglobina è il motore della vita vertebrata, l’emocianina è la variante esotica, quella che trasforma polpi, granchi e calamari in una sorta di “nobiltà” dal sangue blu. Il nome è caratterizzato da una parola composta di origine greca, “sangue” + “blu”.

Qui, il colore blu è il segnale visibile di una chimica basata sul rame.

Dal punto di vista della struttura, l’emocianina è molto differente rispetto alla struttura dell’emoglobina, vista in precedenza. Non c’è alcun gruppo “eme”, ovvero quel guscio protettivo che tiene il ferro al centro di una porfirina.

Nell’emocianina, il rame è letteralmente “abbracciato” direttamente dalla proteina attraverso le catene laterali dell’istidina. Immagina due atomi di rame tenuti fermi da una sorta di morsa fatta di amminoacidi: quando una molecola di ossigeno si avvicina, si infila tra i due atomi di rame e si lega formando un ponte tra i due, che passano dallo stato (Cu⁺) a uno stato stabilizzato (Cu⁺⁺). È esattamente in questo istante che il sangue, prima trasparente, si tinge di blu.

Ma la vera caratteristica sorprendente dell’emocianina risiede nelle sue dimensioni. Noi siamo abituati a pensare alle proteine come a entità agili, ma l’emocianina è un vero titano. Poiché i molluschi e i crostacei non hanno i globuli rossi, quei piccoli contenitori che proteggono e trasportano il nostro pigmento rosso, l’emocianina viaggia libera nel plasma. Se fosse piccola come la nostra emoglobina, verrebbe spazzata via o creerebbe un caos nei tessuti dell’animale. La soluzione della natura è stata quella di costruire un gigante: una singola molecola di emocianina di un polpo è un complesso mostruoso fatto di decine di unità che si incastrano tra loro.

Per darti un’idea della scala, se usassimo un paragone architettonico, potremmo dire che se l’emoglobina è una villetta unifamiliare, l’emocianina è un intero complesso di grattacieli che fluttua nel sangue.

Questa caratteristica rende il “sangue” a base di emocianina incredibilmente viscoso. Più ossigeno l’animale deve trasportare, più pigmento deve avere nel sangue, e più il sangue diventa difficile da pompare.

Nonostante questo limite di “attrito”, l’emocianina ha dei vantaggi: in acque gelide, dove la nostra emoglobina diventerebbe pigra e farebbe fatica a rilasciare l’ossigeno ai tessuti, il rame dell’emocianina continua a lavorare. È la tecnologia adatta per chi vive nell’oscurità dei fondali o nelle correnti di acqua fredda, dove l’ossigeno è poco e il metabolismo deve essere gestito con estrema parsimonia.

Emeritrina: il pigmento respiratorio a due atomi di ferro

Se vogliamo davvero parlare di soluzioni che sembrano arrivare da un altro pianeta, dobbiamo allontanarci dai binari sicuri dell’emoglobina e dell’emocianina per incontrare l’emeritrina. Questa proteina è costituita da una particolare struttura a base di due atomi di ferro.

Mentre noi vertebrati “inscatoliamo” il ferro dentro un guscio protettivo, l’emeritrina sceglie una strada molto più diretta. Non esiste alcun anello porfirinico, nessuna “gabbia” organica complessa a circondare il metallo. Al contrario, il cuore di questa macchina è un centro con due nuclei: due atomi di ferro che se ne stanno vicini, coordinati direttamente dagli amminoacidi della proteina. Immagina una sorta di pinza molecolare dove l’ossigeno non viene accolto in un nido, ma viene letteralmente bloccato tra due atomi di ferro che lavorano in coppia (un po’ come avviene nell’emocianina con i due atomi di rame).

Questa architettura così diversa si traduce in un comportamento cromatico davvero particolare. Nella proteina scarica di ossigeno, il fluido è completamente incolore, limpido come l’acqua. Ma non appena avviene il legame con l’ossigeno, la configurazione elettronica dei due atomi di ferro cambia e la luce viene assorbita in modo tale da restituirci un colore tra il violetto e il rosa intenso. È una firma cromatica unica, che appartiene a creature che molti di noi non vedranno mai se non scavando nel fango dei fondali, come i Sipunculidi, quei “vermi a siringa” che passano la vita a filtrare sedimenti nell’oscurità.

L’emeritrina lega l’ossigeno in modo semplice, on-off. È una tecnologia poco modulabile: o è piena o è vuota. Non c’è comunicazione tra le unità, il che la rende meno efficiente per sostenere metabolismi frenetici, ma incredibilmente tenace nel trattenere il gas in condizioni di pressione costante (quasi come la mioglobina).

Vederla al lavoro fa riflettere su quanto la chimica del ferro possa essere versatile. Con gli stessi atomi, la vita ha costruito sia il “motore sociale” dei grandi predatori, sia questa “pinza rosa” solitaria degli abissi.

Clorocruorina: il pigmento respiratorio verde degli anellidi

Se l’emoglobina è il motore classico della vita e l’emocianina è il colosso d’acciaio blu, la clorocruorina è la variante “accordata” su una frequenza diversa. Voglio però chiarire subito un punto: nonostante il nome, il cloro non c’entra assolutamente nulla. Non c’è traccia dell’elemento Cl in questa molecola. Il prefisso deriva semplicemente dal greco chloros, che significa “verde pallido”, la stessa radice della clorofilla. È un omaggio al suo colore insolito, non alla sua composizione elementare.

La cosa affascinante di questa proteina, tipica di alcuni vermi marini come i Sabellidi che vediamo ondeggiare sulle rocce, è quanto la natura sia stata “pigra” ma geniale nel progettarla. La clorocruorina è tecnicamente una emoglobina a cui è stato fatto un piccolo intervento di chirurgia estetica: nell’anello della porfirina che avvolge il ferro, un gruppo vinilico è stato sostituito da un gruppo aldeidico (-CHO).

Questo minuscolo spostamento di atomi altera la danza degli elettroni intorno al cuore di ferro ferroso (Fe++), cambiando radicalmente il modo in cui la molecola assorbe la luce.

Il risultato è un effetto ottico particolare: il dicroismo. Se osservi il fluido circolatorio di uno di questi policheti in uno strato sottile, magari nei loro vasi, ti apparirà di un verde foresta limpido. Ma se prendessi quel sangue e lo mettessi in una provetta, lo vedresti virare bruscamente verso un rosso cupo. A basse concentrazioni domina il verde, ma quando la luce deve attraversare uno spessore maggiore, le frequenze “verdi” vengono riassorbite e ai nostri occhi arriva solo il rosso.

La sua affinità per l’ossigeno è decisamente più bassa rispetto alla nostra emoglobina. Ma per un organismo che vive ancorato al fondo, filtrando l’acqua con calma olimpica e senza dover mai fare uno scatto bruciante, questo “motore verde” è più che sufficiente.

Pesci del ghiaccio: come vivono senza emoglobina

C’è un’ultima immagine che voglio lasciarti, ed è forse la più estrema di tutte. Se finora abbiamo parlato di come la vita abbia “scelto” un colore per trasportare l’ossigeno, esiste un angolo sperduto del nostro pianeta dove la natura ha deciso di fare l’esatto opposto: cancellare ogni colore. Mi riferisco ai pesci del ghiaccio dell’Antartide. Questi pesci appartengono alla famiglia Channichthyidae.

Come racconta bene una ricerca pubblicata qualche anno fa su Quanta Magazine, circa cinque milioni di anni fa questi pesci hanno subito quello che potremmo definire un “furto genomico” su vasta scala. Per un errore del destino evolutivo hanno perso l’intero cluster genico dell’emoglobina.

Il motivo sta nel freddo estremo dell’Oceano profondo. In acque vicine allo zero termico, l’ossigeno è così abbondante che questi pesci riescono a farlo viaggiare semplicemente sciolto nel plasma, senza bisogno di alcun trasportatore metallico, questo grazie all’elevata solubilità dell’ossigeno in acque fredde. Hanno barattato l’efficienza delle proteine trasportatrici con una viscosità bassissima: il loro sangue scorre senza attrito, spinto da cuori enormi che muovono masse d’acqua cristallina attraverso vasi sanguigni giganti.

Questa “assenza di colore” dei pesci del ghiaccio è il pezzo mancante per completare la nostra tavolozza. Ci insegna che le architetture molecolari che abbiamo esplorato, il ferro rosso, il rame blu, il ferro rosa o verde, non sono dogmi assoluti, ma risposte creative a sfide ambientali oltre che al tempo.

Capire queste molecole significa capire perché respirare, in natura, non prevede mai una soluzione unica.

Che sia rosso, blu, verde o trasparente, il sangue racconta sempre la stessa storia: quella di una lotta millenaria per l’energia, scritta con i metalli e i colori della terra.

Pigmento	Metallo	Colore	Organismi	Funzione
Emoglobina	Ferro	Rosso	Vertebrati	Trasporto
Mioglobina	Ferro	Rosso scuro	Muscoli	Riserva
Emocianina	Rame	Blu	Molluschi, artropodi	Trasporto
Emeritrina	Ferro	Rosa/viola	Invertebrati marini	Trasporto
Clorocruorina	Ferro	Verde/rosso	Anellidi	Trasporto

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Questo articolo è una tappa della guida Fisiologia dell’apnea: lì trovi tutto il percorso, articolo per articolo.

Domande frequenti

Bibliografia e fonti dell’articolo

Terwilliger, N. B. (1998). Functional Adaptations of Oxygen-Transport Proteins. Journal of Experimental Biology. Link all’articolo

Perutz, M. F. (1970). Stereochemistry of cooperative effects in haemoglobin. Nature. Link all’articolo

Markl, J. (2013). Evolution of molluscan hemocyanin structures. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Proteins and Proteomics. Link all’articolo

Pallavicini, A., et al. (2001). The Primary Structure of Globin and Linker Chains from the Chlorocruorin of the Polychaete Sabella spallanzanii. Journal of Biological Chemistry. Link all’articolo

Sidell, B. D., & O’Brien, K. M. (2006). When bad things happen to good fish: the loss of hemoglobin and myoglobin expression in Antarctic icefishes. Journal of Experimental Biology. Link all’articolo