L'emoglobina (Hb) 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.
Per ogni molecola di emoglobina troviamo quindi quattro gruppi EME avvolti dalla relativa catena proteica globulare.
Durante il passaggio del sangue nei capillari degli alveoli polmonari, l'emoglobina lega a sé l'ossigeno, che successivamente cede ai tessuti nella circolazione periferica.
Tale scambio avviene poiché i legami dell'ossigeno con il ferro del gruppo EME sono labili e sensibili a molti fattori, il più importante dei quali è la tensione o pressione parziale di ossigeno.
Nei polmoni, la tensione di ossigeno plasmatica aumenta a causa della diffusione del gas dagli alveoli al sangue (↑PO2); tale aumento fa sì che l'emoglobina si leghi avidamente all'ossigeno; il contrario avviene nei tessuti periferici, dove la concentrazione di ossigeno disciolto nel sangue diminuisce (↓PO2) ed aumenta la pressione parziale di anidride carbonica (↑CO2); ciò induce l'emoglobina a rilasciare ossigeno caricandosi di CO2.
Il fatto che la regione plateu sia così ampia pone un importante margine di sicurezza alla massima saturazione dell'emoglobina durante il passaggio nei polmoni.
Sebbene la pO2 a livello alveolare sia normalmente pari a 100 mm Hg, osservando la figura notiamo infatti come anche ad una pressione parziale di ossigeno pari a 70 mmHg (evenienza tipica di alcune malattie o della permanenza in alta quota), le percentuali di emoglobina saturata restino vicine al 100%.
In condizioni di riposo, la PO2 nei liquidi intracellulari è pari a circa 40 mmHg; in tale sede, per le leggi dei gas, l'ossigeno disciolto nel plasma diffonde verso i tessuti più poveri di O2 attraversando la membrana del capillare.
Di conseguenza, la tensione plasmatica di O2 scende ulteriormente e ciò favorisce la liberazione di ossigeno dall'emoglobina.
Lo stesso effetto si ottiene acidificando il sangue: tanto più diminuisce il pH ematico e tanto meno ossigeno rimane legato all'emoglobina; non a caso, nel sangue l'anidride carbonica si trova disciolta prevalentemente in forma di acido carbonico, che si dissocia.
Tra gli altri fattori in grado di modificare l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno ricordiamo la temperatura.
In particolare, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce con l'aumento della temperatura corporea.
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.
Per poter parlare in modo comprensibile dell'emoglobina (Hb), è utile occuparsi prima della mioglobina (Mb) che è molto simile all'emoglobina ma è molto più semplice.
Tra emoglobina e mioglobina ci sono stringenti relazioni di parentela: entrambe sono proteine coniugate ed il loro gruppo prostetico (parte non proteica) è il gruppo eme.
La mioglobina è una proteina globulare costituita da una singola catena di circa centocinquanta amminoacidi (dipende dall'organismo) ed il suo peso molecolare è di circa 18 Kd.
L'eme è un anello tetrapirrolico (protoporfirina): presenta quattro anelli pirrolici tenuti insieme da gruppi metilenici (-CH=); a completare la struttura ci sono due gruppi vinilici (CH2=CH-), quattro gruppi metilici (-CH3) e due propionici (-CH2-CH2-COO-).
Il legame tra protoporfirina e ferro è un legame tipico dei composti detti di coordinazione che sono composti chimici in cui un atomo (o ione) centrale, forma dei legami con altre specie chimiche in numero superiore al suo numero di ossidazione (carica elettrica).
Il numero di coordinazione (numero di legami di coordinazione) del ferro è sei: ci possono essere sei molecole attorno al ferro che mettono in condivisione gli elettroni di legame.
Quando il ferro è sotto forma di ione libero, i suoi orbitali di tipo d hanno tutti la stessa energia; nella mioglobina, lo ione ferro è legato alla protoporfirina e all'istidina: tali specie perturbano magneticamente gli orbitali d del ferro; l'entità della perturbazione sarà diversa per i vari orbitali d a seconda della loro orientazione spaziale e di quella delle specie perturbanti.
La mioglobina è una proteina presente nei muscoli, la cui funzione è proprio quella di "serbatoio" di ossigeno.
L'emoglobina è un tetrametro cioè è costituita da quattro catene polipeptidiche ciascuna dotata di un gruppo eme ed identiche a due a due (in un essere umano si hanno due catene alfa e due catene beta).
La funzione principale dell'emoglobina è il trasporto di ossigeno; un'altra funzione del sangue in cui è coinvolta l'emoglobina, è il trasporto di sostanze ai tessuti.
Una spiegazione della presenza di più catene diverse è la seguente: nel corso del processo evolutivo degli organismi, anche l'emoglobina si è evoluta specializzandosi nel trasporto di ossigeno da zone che ne sono ricche a zone carenti.
La mioglobina, lega l'ossigeno anche a pressioni modeste; nei tessuti periferici si ha una pressione (PO2) di circa 30 mmHg: la mioglobina a tale pressione non rilascia ossigeno, quindi sarebbe inefficace come trasportatrice di ossigeno.
L'emoglobina, invece, ha un comportamento più elastico: lega l'ossigeno ad alte pressioni e lo rilascia quando la pressione diminuisce.
Quando una proteina è funzionalmente attiva, essa può mutare un po' la sua forma; ad esempio la mioglobina ossigenata ha una forma diversa dalla mioglobina non ossigenata e questa mutazione non influisce su quelle vicine.
Il discorso è diverso nel caso di proteine associate come l'emoglobina: quando una catena si ossigena è indotta a cambiare la sua forma ma tale modificazione è tridimensionale perciò ne risentono anche le altre catene del tetrametro.
Il fatto che le catene siano tra loro associate, induce a pensare che la modifica di una si ripercuota sulle altre vicine anche se in misura diversa; quando una catena si ossigena, le altre catene del tetrametro assumono un "atteggiamento meno ostile" nei riguardi dell'ossigeno: la difficoltà con cui una catena si ossigena diminuisce man mano che le catene ad essa vicine si ossigenano a loro volta.
La struttura quaternaria della deossiemoglobina prende il nome di forma T (tesa) mentre quella della ossiemoglobina viene chiamata forma R (rilasciata); nello stato teso vi sono una serie di interazioni elettrostatiche piuttosto forti tra amminoacidi acidi e amminoacidi basici che portano ad una struttura rigida della deossiemoglobina (ecco il perché del "forma tesa"), mentre quando si lega l'ossigeno, l'entità di queste interazioni diminuisce (ecco il perché del "forma rilasciata").
Inoltre, in assenza di ossigeno, la carica dell'istidina (vedi struttura) viene stabilizzata dalla carica opposta dell'acido aspartico mentre, in presenza di ossigeno, c'è la tendenza da parte della proteina, a perdere un protone; tutto ciò comporta che l'emoglobina ossigenata sia un acido più forte dell'emoglobia deossigenata: effetto bohr.
Ogni emoglobina rilascia 0,7 protoni per mole di ossigeno (O2) entrante.
A pH fisiologico, il 2,3 bisfosfoglicerato è deprotonato ed ha su di sé cinque cariche negative; si va ad incuneare tra le due catene beta dell'emoglobina perché tali catene presentano un'elevata concentrazione di cariche positive.
Un altro fenomeno che si verifica quando un eritrocita raggiunge un tessuto è il seguente: per gradiente, l'HCO3- (derivato dell'anidride carbonica) esce dall'eritrocita e, per bilanciare l'uscita di una carica negativa, si ha l'ingresso di cloruri che determina un aumento della pressione osmotica: per bilanciare questa variazione si verifica anche l'ingresso di acqua che causa un rigonfiamento dell'eritrocita (effetto HAMBURGER).
Il fenomeno opposto si verifica quando un eritrocita raggiunge gli alveoli polmonari: si ha uno sgonfiamento degli eritrociti (effetto HALDANE).
Meccanismo Molecolare dell'Effetto Bohr
Esempio di interazione a livello molecolare tra due differenti leganti dell’emoglobina (Hb) che interagiscono con siti diversi (interazioni eterotropiche): l’ossigeno molecolare (O2), che si lega agli emi, e gli ioni idrogeno (H+), che agiscono come effettori allosterici unendosi alla parte proteica della molecola.
Il meccanismo molecolare dell’effetto Bohr (che fu studiato per la prima volta da Christian Bohr nel 1904) trova una valida descrizione nel modello a due stadi, o MWC (Monod-Wyman-Changeux) ovvero nella variazione strutturale a cui va incontro l’Hb passando dallo stato R (ad alta affinità per l’O2) a quello T (a bassa affinità per l’O2) e viceversa; questa è una transizione conformazionale che modifica l’ambiente molecolare locale di alcuni specifici residui di amminoacidi (i cosiddetti gruppi di Bohr) della proteina, alterandone così la forza acida (favorendo cioè una maggiore o una minore capacità di liberare H).
Dove x, che è il numero di H+ ceduti dall’Hb quando un suo tetramero passa dallo stato desossigenato alla completa saturazione con O2, varia con la specie animale e con la presenza di effettori allosterici.
Nel caso dell’uomo, per ogni 4 moli di O2 legate da 1 mole di Hb tetramerica, vengono rilasciate 0,8 moli di H+ in una soluzione priva di sali, 2 moli di H+ in una soluzione di 0,1 moli/L di Cl− e 2,8 moli di H+ in presenza di una concentrazione di 2,3-bisfosfoglicerato (il più potente effettore allosterico fisiologico) tale da saturare il suo sito sull’Hb.
Importanza Fisiologica dell'Effetto Bohr
Da un punto fisiologico, l’effetto Bohr è importante per l’espletamento di due attività:
- Favorire il trasporto di anidride carbonica (CO2);
- Fornire una maggiore quantità di O2 ai muscoli durante la loro attività.
Nei polmoni, dove la concentrazione di O2 è molto elevata, l’Hb si lega con l’O2 e di conseguenza cede H+ all’ambiente rendendo il sangue più acido; allo stesso tempo, però, questi stessi H+ favoriscono la liberazione di CO2 dal bicarbonato (HCO3−) sciolto nel sangue, secondo la reazione reversibile: HCO3−+H+⇄ CO2+H2O, cosicché l’accoppiamento dei due processi mantiene l’acidità del sangue costante.
Nei capillari, dove il livello di O2 è basso, gli H+ generati dalla produzione di bicarbonato a partire dalla CO2 (si veda l’equazione precedente sono catturati dall’Hb che è indotta così a cedere l’O2; in tal modo, l’allontanamento di H+ dall’ambiente prodotto dall’Hb stimola la formazione di HCO3− e allo stesso tempo facilita il trasporto di CO2 ai polmoni (sotto forma di HCO3−).
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