Curva di Dissociazione dell'Emoglobina: Guida Completa per Capire il Trasporto dell'Ossigeno

L'ossigeno viene trasportato nel sangue attraverso due meccanismi distinti: la sua dissoluzione nel plasma ed il suo legame all'emoglobina contenuta nei globuli rossi od eritrociti. Dal momento che l'ossigeno è scarsamente solubile in soluzioni acquose, la sopravvivenza dell'organismo umano è subordinata alla presenza di quantitativi adeguati di emoglobina.

Trasporto di Ossigeno nel Sangue

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'emoglobina è una metalloproteina contenuta nei globuli rossi, deputata al trasporto di ossigeno nel torrente ematico. L'ossigeno, infatti, è solo moderatamente solubile in acqua; pertanto, le quantità disciolte nel sangue (meno del 2% del totale) non sono sufficienti a soddisfare le richieste metaboliche dei tessuti. Più del 98% dell'ossigeno presente nel sangue è legato all'emoglobina, che a sua volta circola nel torrente ematico allocata all'interno dei globuli rossi. Considerato il ruolo centrale di questo metallo, la sintesi di emoglobina richiede un adeguato apporto di ferro con la dieta.

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.

Il legame dell'ossigeno all'emoglobina è reversibile e dipendente dalla pressione parziale di questo gas (PO2): nei capillari polmonari, dove la PO2 plasmatica aumenta per via della diffusione di ossigeno dagli alveoli, l'emoglobina si lega all'ossigeno; in periferia, dove l'ossigeno è impiegato nel metabolismo cellulare e la PO2 plasmatica scende, l'emoglobina cede l'ossigeno ai tessuti.

Cos'è la Pressione Parziale di Ossigeno (PO2)?

Ma che cos'è la PO2? La pressione parziale di un gas come l'ossigeno, all'interno di uno spazio limitato (polmoni) contenente una miscela di gas (aria atmosferica), è definita come la pressione che questo gas avrebbe se occupasse da solo lo spazio considerato. Per semplificare il concetto immaginiamo la pressione parziale come la quantità di ossigeno: più alta è la pressione parziale di ossigeno, maggiore è la sua concentrazione.

Si tratta di un'aspetto assai importante se consideriamo che un gas tende a diffondere da un punto a maggior concentrazione (pressione parziale più alta) ad un punto a minor concentrazione (pressione parziale più bassa). Questa legge governa lo scambio dei gas a livello polmonare e tissutale. Infatti, a livello polmonare, dove l'aria degli alveoli è a stretto contatto con le pareti sottilissime dei capillari sanguigni, le molecole di ossigeno passano nel sangue poiché la pressione parziale di ossigeno nell'aria alveolare è superiore alla PO2 del sangue. Dati alla mano, la PO2 del sangue venoso che raggiunge il pomone in condizioni di riposo è circa pari a 40mmHg, mentre a livello del mare la PO2 alveolare è pari a circa 100 mmHg; di conseguenza l'ossigeno diffonde secondo il proprio gradiente di concentrazione (pressione parziale) dagli alveoli verso i capillari.

Quando il sangue arterioso raggiunge i capillari dei tessuti, il gradiente di concentrazione si inverte. Infatti, in una cellula a riposo la PO2 intracellulare è in media di 40mmHg; dal momento che, come abbiamo visto, il sangue all'estremità arteriosa del capillare ha una PO2 di 100 mmHg, l'ossigeno diffonde dal plasma alle cellule. La diffusione si arresta quando il sangue capillare venoso raggiunge la stessa pressione parziale di ossigeno dell'ambiente intracellulare, vale a dire 40 mmHg (in condizioni di riposo).

Come abbiamo visto, l'adeguata assunzione di ossigeno da parte del sangue che scorre nei capillari polmonari dipende strettamente dalla pressione parziale dell'aria racchusa nelle sacche alveolari; abbiamo altresì visto come in questa sede la PO2 alveolare sia normalmente (al livello del mare) pari a 100 mmHg; se tale valore si riduce eccessivamente la diffusione dell'ossigeno dall'aria al sangue risulta insufficiente ed insorge una pericolosa condizione nota come ipossia.

La pressione parziale dell'aria alveolare può scendere in alta quota (perché si riduce la pressione atmosferica) o quando la ventilazione polmonare risulta inadeguata (come succede in presenza di malattie polmonari, come la bronchite cronica ostruttiva, l'asma, le patologie polmonari fibrotiche, l'edema polmonare e l'enfisema). La stessa situazione si instaura quando la parete degli alveoli si ispessisce o si riduce l'area della loro superficie.

L'ipossia può essere conseguente anche ad una ridotta concentrazione di emoglobina nel sangue arterioso. Le patologie che diminuiscono le quantità di emoglobina nei globuli rossi o il loro numero influenzano negativamente la capacità del sangue di trasportare l'ossigeno. Tutti i fattori elencati nel corso dell'articolo possono essere valutati attraverso semplici esami del sangue, come la conta dei globuli rossi, il dosaggio dell'emoglobina e la saturazione di ossigeno nel sangue (percentuale di emoglobina satura di ossigeno rispetto alla quantità totale di emoglobina presente nel sangue).

Struttura dell'Emoglobina

La molecola di Hb è formata da 4 catene globiniche, 2 catene α e 2 catene β. All’interno di ogni catena si trova un gruppo eme, per un totale di 4 gruppi eme per molecola. Il gruppo eme è formato da un anello porfirinico con 4 gruppi pirrolici che sono uniti fra loro da ponti metilici e formano una tasca centrale in cui si lega uno ione ferroso Fe2+ che lega l’O2. Poiché in una molecola di Hb sono presenti 4 atomi di ferro, ogni molecola può legarsi a 4 molecole di O2.

Questo ione può formare 6 legami di coordinazione: 4 con i residui amminici (N-terminali) dei gruppi pirrolici; 1 con la catena globinica; 1 è messo a disposizione per il legame con una molecola di O2. Quando l’O2 non è presente, il Fe2+ si può complessare con l’acqua trasformandosi in ione ferrico (Fe3+) e formando la molecola di metaemoglobina che non è funzionale nel legare e trasportare O2. Questo rende necessario che lo ione Fe3+ venga riossidato a ione Fe2+; questa reazione avviene grazie all’azione dell’enzima metaemoglobina reduttasi.

Curva di Dissociazione dell'Emoglobina

La relazione fisica tra la PO2 plasmatica e la quantità di ossigeno legata all'emoglobina è stata studiata in vitro e viene rappresentata dalla caratteristica 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.

Osservando la curva, si nota che ad una PO2 pari a 100 mmHg (valore normalmente registrato in sede alveolare) il 98% dell'emoglobina è legato all'ossigeno. Si noti come a valori superiori a 100 mmHg la percentuale di saturazione dell'emoglobina non aumenti ulteriormente, come testimoniato dall'appiattimento della curva; per lo stesso motivo, finché la PO2 alveolare rimane superiore a 60 mmHg, l'emoglobina è satura per più del 90%, quindi mantiene una capacità pressoché normale di trasportare l'ossigeno nel sangue.

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%.

Significato fisiologico della forma della curva di dissociazione dell’emoglobina

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%. Con questo calo da 40 a 20 mmHg della P parziale di O2, l’Hb rilascia una quota addizionale dell’O2 che trasporta.

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.

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.

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.

Effetto Bohr

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+).

Effetto Root

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 2,3 difosfoglicerato è un intermedio della glicolisi che influenza l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. Se le sue concentrazioni all'interno del globulo rosso aumentano, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce, facilitando quindi il rilascio di ossigeno ai tessuti. Non a caso, le concentrazioni eritrocitarie di 2,3 difosfoglicerato aumentano, ad esempio, nelle anemie, nell'insufficienza cardio-polmonare e durante il soggiorno in altura.

L'effetto Bohr risulta molto importante durante il lavoro muscolare intenso; in simili condizioni, infatti, nei tessuti maggiormente esposti allo sforzo si assiste ad un aumento locale della temperatura e della pressione di anidride carbonica, quindi dell'acidità ematica. Per quanto esposto, tutto ciò favorisce la cessione di ossigeno ai tessuti, spostando verso destra la curva di dissociazione dell'emoglobina.