Sangue blu

Chi ama Star Trek non può non sapere che alcune razze aliene (Vulcaniani, Andoriani e Boliani) descritte nella saga  posseggono un ciclo dell’eme basato sul rame piuttosto che il ferro. Ma quella che sembra una semplice trovata narrativa tipica della fantascienza, è molto più vicina alla realtà di quanto si pensi.

Un polpo di profondità della specie Gradeledone Boreopacifica. Questa specie vive a 2000 metri di profondità e la sua ’emolinfa è a base di rame (emocianina).

Quasi tutta la vita animale terrestre fa uso dell’ossigeno per compiere i suoi processi metabolici. Negli organismi più piccoli e semplici le molecole d’ossigeno sono direttamente assorbite dalle cellule dal mezzo circostante, come l’aria, attraverso un intricato sistema capillare di condotti, chiamato sistema tracheale. Questo sistema di trasporto dell’ossigeno lo si trova ancora in uso nella stragrande maggioranza degli insetti, ossia in tutti quelli che ancora possiedono spiracoli tracheali (stigmi).
Finché l’organismo è abbastanza semplice e piccolo il sistema respiratorio basato sul trasporto diretto delle molecole di ossigeno funziona benissimo, ma appena questo si fa più complesso o le complessità dell’habitat rendono il sistema tracheale inefficiente, ecco che in natura appare un sistema respiratorio più complesso ed efficace basato su un sistema di trasporto capillare di proteine respiratorie conosciuto come emolinfa.

Le origini dell’emocianina

Questo curioso animale (Limulus polyphemus) è stretto parente di ragni e zecche ed è apparso sulla Terra circa 20 milioni di anni fa. L’emolinfa dei lemuli è praticamente incolore ma assume un colore azzurrognolo a contatto con l’aria dovuto all’ossidazione dell’emocianina. l’emolinfa è preziosa per la medicina: essa contiene una proteina che è grado di riconoscere efficacemente i lipopolisaccaridi presenti sulla parete dei batteri Gram negativi ed eliminare questi ultimi racchiudendoli in un coagulo. Questa capacità ha portato allo sviluppo del test in vitro LAL (saggio del lisato di amebociti di limulus).

Le emolinfe sono l’analogo del sangue dei vertebrati. La principale differenza sta negli emociti che sono basati su un tipo diverso di proteina fissatore di ossigeno, molto spesso l’emocianina, basata sul rame. Questa è una metalloproteina contenente due atomi di rame che sono in grado di legare reversibilmente una molecola di O₂, al posto della più nota emoglobina usata dai vertebrati e che usa il ferro per legare l’ossigeno.
In genere sono le specie che vivono in ambienti particolarmente freddi e con una bassa pressione di ossigeno ad utilizzare questo meccanismo di trasporto nell’organismo. In queste circostanze l’emoglobina sarebbe meno efficiente dell’emocianina. L’emocianina presenta però anche una bassa affinità di legame col monossido di carbonio rispetto all’emoglobina, il che la penalizza nel trasporto degli scarti della respirazione cellulare.
L’attuale granchio a ferro di cavallo, o lemule, fa uso di emocianina quale proteina respiratoria e può essere considerato un fossile vivente perché nei 20 milioni di anni dalla sua comparsa non si è mai evoluto. I suoi predecessori quasi sicuramente erano le trilobiti (appartengono allo stesso phylum) vissute tra il Cambriano e il Permiano (520-250 milioni di anni fa), quando ancora la Terra non possedeva un’atmosfera ricca di ossigeno (<50% del livello attuale) come oggi [1]. Ed è proprio in un ambiente relativamente povero di ossigeno che l’emocianina può essersi sviluppata circa 740 milioni di anni fa [2] poco dopo la comparsa delle prime forme di vita animali 750-760 milioni di anni fa [3]. In quel periodo va ricordato che l’ossigeno rappresentava appena il 5% del volume atmosferico e stava cominciando appena a formarsi lo scudo di ozono; la terraferma era ancora potenzialmente letale se non si era qualche temerario batterio estremofilo.

Le peculiarità dell’emocianina

Ricostruzione a 9 Å ottenuta grazie a un crio-microscopio elettronico della struttura dell’emocianina della Megathura crenulata.

L’emocianina è la seconda catena proteica respiratoria biologicamente più diffusa dopo l’emoglobina. La stragrande maggioranza dei molluschi come i bivalvi e i cefalopodi  e anche alcuni gasteropodi, come i granchi, gli astici e i gamberi, usano l’emocianina come vettore biologico dell’ossigeno. Anche alcuni artropodi terrestri, come i centopiedi e i millepiedi, e qualche altro insetto usano l’emocianina [4].
Come già accennato prima, l’emocianina usa gli atomi di rame per legare e trasportare ossigeno. Essa è composta da diverse sotto-unità proteiche individuali in cui ciascuna di esse possiede due atomi di rame (Cu-A e Cu-B) in grado di legarsi con una molecola di ossigeno (O₂). Dette sub-unità poi tendono ad aggregarsi tra loro, per questo il peso dell’emocianina è generalmente alto; infatti la struttura molecolare dell’emocianina tende ad essere molto diversa tra gli artropodi (più grande in questi) e i molluschi [5].
In ogni caso le emocianine nel loro complesso sono molto più grandi dell’emoglobina dei vertebrati e in numero nettamente maggiore per unità di volume. Queste catene proteiche possono trasportare dalle 5 alle 180 molecole di ossigeno ciascuna (dipende dalla quantità di sub-sezioni aggregate in una singola proteina) e circolare liberamente nell’emolinfa senza danneggiare l’organismo – l’emoglobina è molto più piccola e necessita di una cellula  per non creare disagio – e per questo nel loro complesso paiono più efficienti. Ma le loro dimensioni e concentrazione aumentano la viscosità dell’emolinfa, il che comporta di conseguenza anche un maggior dispendio di energia per essere distribuita. 

Conclusioni

A questo punto è plausibile pensare che la percentuale dell’ossigeno biochimicamente disponibile abbia pesantemente influenzato l’evoluzione della vita sulla Terra. L’aumento dei livelli di ossigeno molecolare disponibile alla respirazione fu reso possibile dalla comparsa di un’altra proteina, stavolta nel regno vegetale che da poco aveva iniziato a colonizzare anche la terraferma: la lignina (450 Myr) [6]. Questo deve aver reso l’esperienza dell’emocianina nel suo complesso inadatta ai più agili e veloci organismi vertebrati che sarebbero apparsi dopo.
L’emocianina e l’emoglobina sono due esperienze di convergenza evolutiva, due proteine con struttura e morfologia completamente dissimili che però svolgono nel complesso lo stesso compito.
Spesso la realtà è nettamente superiore e stupefacente della miglior fantascienza.

Riferimenti:

1. J. Markl, "Evolution of molluscan hemocyanin structures", Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics, vol. 1834, pp. 1840-1852, 2013. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbapap.2013.02.020
2. J. Weng, and C. Chapple, "The origin and evolution of lignin biosynthesis", New Phytologist, 2010. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2010.03327.x/full