Scopri Tutto sull'Affinità dell'Emoglobina per l'Ossigeno e i Fattori Che la Influenzano

L'ossigeno, essendo poco solubile in acqua, non può essere trasportato a livello dei tessuti nel plasma sanguigno. Per questo è necessario che l'ossigeno si leghi a qualche molecola nel torrente circolatorio. Il sangue contiene i globuli rossi o eritrociti, i quali contengono l'emoglobina e quindi trasportano e rilasciano l'ossigeno.

L’O2 è trasportato nel sangue con due meccanismi: in soluzione nel sangue e legato all’emoglobina (Hb). Solo circa il 2% dell’O2 presente in un dato volume di sangue è disciolto nel plasma, mentre più del 98% dell’O2 è trasportato negli eritrociti legato all’Hb. Dal momento che l’O2 è solo moderatamente solubile in soluzioni acquose, è necessario avere quantità adeguate di Hb nel sangue per poter sopravvivere.

L’Hb è la molecola che lega reversibilmente l’O2 negli eritrociti. Nei polmoni, dove la [O2] è elevata, l’Hb lega l’O2. A livello delle cellule, dove l’O2 è impiegato per il metabolismo e la sua concentrazione è minore, l’Hb libera O2.

Durante il processo di maturazione a partire da cellule staminali, gli emocitoblasti, vengono prodotte le cellule figlie, che producono grandi quantità di emoglobina e perdono gli organelli citoplasmatici, come i mitocondri e il nucleo.

Struttura dell'Emoglobina

L'emoglobina è costituita da 4 subunità. L'emoglobina A è quella tipica degli adulti e contiene due tipi di globine, quindi le 4 subunità sono due catene α, costituite ognuna da 141 amminoacidi, e due catene β, costituite ognuna da 146 amminoacidi. La struttura tridimensionale di queste due subunità è simile a quella della mioglobina, che pure varia in quanto a struttura primaria. L'interfaccia tra le subunità α1 e β1 e quella tra α2 e β2 sono costituite ognuna da circa 30 residui amminoacidici ed è abbastanza forte.

Dall'analisi ai raggi X, è stato possibile vedere che l'emoglobina è presente in due conformazioni: lo Stato R (rilassato) e lo Stato T (teso). In questo modo essa subisce una modificazione conformazionale che influenza anche le subunità adiacenti, facilitando quindi l'interazione delle altre subunità con l'ossigeno. Quindi, l'emoglobina è una proteina allosterica.

Il legame cooperativo dell'ossigeno all'emoglobina venne scoperto nel 1910 da Hill.

Curva di Dissociazione dell'Emoglobina

La quantità di O2 che si lega all’Hb dipende da 2 fattori: la pressione (P) parziale di O2 del plasma e il numero di siti di legame disponibili all’interno dei globuli rossi. La P parziale di O2 del plasma è il fattore principale che determina quanti siti di legame dell’Hb sono occupati dall’O2. Il numero totale dei siti di legame dipende dal numero di molecole di Hb nel sangue. L’Hb legata all’O2 è detta ossiemoglobina (HbO2).

La funzione di ogni pigmento respiratorio, come l’Hb, si può studiare attraverso la costruzione di un grafico, cioè la ”curva di dissociazione”. Nel grafico si riporta in ascissa la P parziale di O2 e in ordinata la percentuale di saturazione del pigmento respiratorio nei confronti dell’O2. La quantità di O2 legata all’Hb a una data P parziale di O2 è espressa in percentuale.

La percentuale di saturazione dell’Hb si riferisce alla percentuale di siti di legame disponibili che sono legati all’O2. Se tutti i siti di tutte le molecole di Hb sono occupati dall’O2, il sangue è ossigenato al 100% (o saturo di O2). Se metà dei siti di legame sono occupati dall’O2, l’Hb è saturata al 50%. La curva di dissociazione dell’Hb (ossiemoglobina) è di tipo sigmoide. La forma della curva riflette le proprietà della molecola di Hb e la sua affinità per l’O2 (verso destra l’affinità si riduce e verso sinistra aumenta).

La curva ci dice che:

A basse P parziali di O2 l’Hb ha difficoltà a legare l’O2; appena una catena globinica lega la prima molecola di O2, questo legame induce una modifica conformazionale della catena adiacente aumentandone l’affinità per una seconda molecola di O2 e così avviene anche per le altre catene, quindi aumenta la capacità dell’Hb di legare l’O2 (EFFETTO COOPERATIVO ALLOSTERICO).
Al livello della normale P parziale di O2 alveolare e arteriosa di 100 mmHg, il 98% dell’Hb è legata all’O2 (è satura). Questo significa che l’Hb lega quasi tutta la quantità di O2 che è in grado di legare (4 molecole di O2) mentre passa attraverso i polmoni.

La curva è quasi piatta a livelli di P parziale di O2 più elevati (cioè la sua pendenza tende a zero). Sopra i 100 mmHg, variazioni anche ampie della P parziale di O2 determineranno solo piccole variazioni della percentuale di saturazione. Finché la P parziale di O2 nei capillari polmonari è superiore a 60 mmHg, l’Hb è saturata per più del 90% e il trasporto di O2 può essere mantenuto a livelli quasi normali.

Tuttavia, quando la P parziale di O2 scende sotto i 60 mmHg, la curva di dissociazione ha una pendenza più ripida. Questa pendenza ripida indica che una piccola diminuzione della P parziale di O2 determina il rilascio dall’Hb di una quantità piuttosto grande di O2. Se la P parziale di O2 scende da 100 a 60 mmHg, la percentuale di saturazione dell’Hb scende da 98% a 88%. Se scende ulteriormente da 60 a 40 mmHg (che è la P parziale di O2 a livello periferico), la percentuale di saturazione passa da 88% a 75% (l’Hb tiene legate 3 molecole di O2 e ne rilascia 1). La pendenza della curva è ancora maggiore nell’intervallo da 40 a 20 mmHg, dove la saturazione dell’Hb passa da 75% a 35%.

Alla P parziale di O2 nelle cellule a riposo (40 mmHg), l’Hb è ancora saturata al 75% e ha rilasciato solo un quarto della quantità massima di O2 che può trasportare. Il 75% dell’O2 che resta legato funge da riserva che le cellule possono utilizzare quando il metabolismo aumenta. Se i tessuti metabolicamente attivi utilizzano più O2 e la loro P parziale di O2 diminuisce, l’Hb rilascerà una maggiore quantità di O2. Ad una P parziale di O2 di 20 mmHg, che è un valore medio nel muscolo sotto sforzo, la percentuale di saturazione dell’Hb scende a circa 35%.

P50 corrisponde al valore di P parziale di O2 a cui l’Hb risulta satura al 50%. Se la P50 aumenta (cioè la curva si sposta verso destra), l’affinità dell’Hb per l’O2 si riduce; se la P50 diminuisce (cioè la curva si sposta verso sinistra), l’affinità aumenta.

Fattori che Influenzano l'Affinità dell'Emoglobina per l'Ossigeno

Qualsiasi elemento in grado di cambiare la configurazione proteica dell’Hb ne può modificare la capacità di legare l’O2. Nell’uomo, i cambiamenti fisiologici di fattori chimico-fisici quali pH, la P parziale di CO2, la temperatura del sangue ed inoltre il legame con fosfati organici sono fattori che modulano la capacità dell’Hb di legare l’O2.

Le modificazioni dell’affinità di legame si rispecchiano in modificazioni della forma della curva di dissociazione ossigeno-emoglobina. Un aumento di temperatura o di P parziale di CO2, o una riduzione del pH diminuiscono l’affinità delle molecole di Hb per l’O2 (l’O2 viene rilasciato) e spostano la curva di dissociazione O2-Hb verso destra. La variazione di questi parametri nel verso opposto aumenta l’affinità di legame (l’O2 viene trattenuto) e sposta la curva di dissociazione verso sinistra. Le variazioni sono molto più pronunciate nella porzione ripida della curva. Questo significa che il legame dell’O2 a livello polmonare non varia molto, mentre l’apporto di O2 a livello tissutale può essere significativamente alterato.

Quando il pH corporeo diminuisce per l’aumento della concentrazione degli ioni H+ (ad es. durante l’esercizio fisico in condizioni di anaerobiosi), l’affinità dell’Hb per l’O2 diminuisce e la curva di dissociazione si sposta a destra. Viene dunque rilasciata una maggiore quantità di O2 ai tessuti quando il pH del sangue diminuisce.

Lo spostamento della curva di saturazione dell’Hb derivante dal cambiamento del pH è noto come effetto Bohr: la CO2 disciolta nel plasma diffonde nei globuli rossi, dove reagisce con l’acqua in presenza dell’enzima anidrasi carbonica formando acido carbonico. L’acido carbonico si dissocia in ione H+ e ione bicarbonato (HCO3-); gli ioni H+ si vanno a legare all’Hb, determinando il rilascio dell’O2 nell’ambiente e quindi diminuendone l’affinità (Hb + O2 ↔ HbO2+ H+).

Lo spostamento della curva di saturazione dell’Hb derivante dal cambiamento della concentrazione di CO2 è noto come effetto Root: l’aumento della CO2 nel plasma è responsabile non solo della ridotta affinità dell’Hb per l’O2, ma anche della minore capacità dell’Hb di arrivare alla saturazione.

Quando nei globuli rossi aumenta la concentrazione di alcuni fosfati organici (per es. il 2,3-difosfoglicerato) si riduce l’affinità per l’O2 .

Il ruolo del 2,3-bisfosfoglicerato (BPG)

La funzione dell'emoglobina è regolata anche dal 2,3-bisfosfoglicerato (BPG), il quale è presente in alte concentrazioni nei globuli rossi. L'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno è minore quando la concentrazione di BPG aumenta.

Mioglobina

Un altro pigmento respiratorio è la mioglobina. Anche la mioglobina contiene un atomo di ferro associato all’eme, ma si differenzia dall’Hb perché presenta un’unica catena globinica, simile alle catene β dell’Hb. La mioglobina si trova a livello dei muscoli striati e serve da deposito di O2, grazie alla sua elevata affinità per l’O2. Essa rilascia l’O2 solo in condizioni di elevata carenza di O2, come ad es. nei muscoli sotto sforzo. La sua curva di dissociazione ha un andamento iperbolico.

Anemia Falciforme

Sono note almeno 500 varianti genetiche dell'emoglobina umana, di cui alcune molto rare. Molte differiscono per un solo amminoacido, quindi subiscono mutazioni puntiformi. L'anemia falciforme colpisce soggetti che ereditano l'allele dell'emoglobina a cellule falciformi da entrambi i genitori. L'emoglobina normale, chiamata emoglobina A, è molto più solubile di questo tipo di emoglobina, l'emoglobina S. L'emoglobina S contiene un residuo di valina anziché un residuo di glutammato nelle due catene β. La valina non ha la carica elettrica negativa che possiede il glutammato in catena laterale, quindi forma un'interazione idrofobica, che porta a un'anomalia strutturale della proteina.

Chi soffre di anemia falciforme presenta i seguenti sintomi: debolezza, respiro corto, problemi cardiaci, tachicardia e anche stati confusionali. Essi presentano solo la metà di emoglobina normale perché le cellule sono fragili e si rompono facilmente.