Biochimica

Sull'emoglobina, infatti, questa molecola si inserisce tra le estremità delle catene beta perché tra queste

estremità incontra otto gruppi amminoacidici carichi positivamente con cui la molecola può stabilizzare

legami ionici e questi 8 amminoacidi appartengono 4 alla sub-unità beta1 e 4 alla sub-unità beta2: alcuni

di essi sono due lisina 82, due istidina 146 e la carica positiva dell'estremo ammino-terminale delle catene

beta. Nella transizione T → R le due sub-unità beta si avvicinavano, infatti abbiamo la riduzione del canale

all'interno delle 4 strutture, i due protomeri scivolano e ruotano e le due catene beta si avvicinano

enormemente stringendo questo canale. Durante l'avvicinamento l'acido 2,3-bisfosfoglicerato viene

espulso dalle catene beta perché non trova quello spazio ionico necessario per l'interazione con le cariche

positive delle due catene. Quindi, questo acido stabilizza la forma T perché impedisce, con un

meccanismo proprio di impedimento sterico, l'avvicinamento delle due catene beta che, invece,

l'ossigenazione naturalmente causa; in assenza dell'acido i due protomeri si avvicinano grazie proprio al

collassamento delle sub-unità beta1 sulla beta2 perché appunto manca questo blocco molecolare che

normalmente dunque impedisce lo scivolamento.

Tale acido, rispetto agli altri effettori allosterici negativi, è la molecola che in misura maggiore concorre a

regolare l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno: la concentrazione dell'acido è un fattore determinante

nel regolare tale affinità infatti questa concentrazione aumenta enormemente a basse pressioni parziali di

ossigeno dando luogo al fenomeno che prende il nome di adattamento alle altitudini. Quando andiamo in

alta montagna capitano giramenti di testa, affaticamento e ciò è dovuto ad un deficit di ossigeno perché

la pressione parziale nelle alte altitudini non è 100 mmHg come a livello del mare quindi, in alta

montagna, l'emoglobina non si ossigena completamente a livello polmonare, come accade appunto a

livello del mare, infatti a 4500m la pressione parziale dell'ossigeno non è di 100mmHg e il livello di

ossidazione dell'emoglobina è pari all'80% quindi è molto meno satura di ossigeno. Ciò significa che a

livello alveolare quando l'emoglobina, a 80mmHg a 4500m, passa dalla condizione alveolare a quella

tissutale che resta sempre 30mmHg la quota di ossigeno rilasciata dall'emoglobina è molto meno rispetto

a quella che l'emoglobina può rilasciare a livello del mare perché parte da una condizione di saturazione

polmonare che è molto inferiore. I primi due giorni ovviamente non ci sentiamo molto bene perché i nostri

tessuti non sono ben ossigenati, il 30% di ossigeno rilasciato è molto più basso del 40% che normalmente

il tessuto dovrebbe avere. Come risponde l'organismo? L'unica cosa che può fare è diminuire l'affinità

dell'emoglobina per l'ossigeno aumentando la concentrazione dell'acido 2,3bisfosfoglicerato, infatti in alta

montagna il globulo rosso, a causa del deficit di O2, converte molto più glucosio in acido 2,3-

bisfosfoglicerato, dunque la concentrazione aumenta da 5mM a 8mM e di conseguenza l'equilibrio di

legame dell'acido con le catene dell'emoglobina aumenta, l'equilibrio tra forma R e forma T viene

spostato verso la forma T e questa riduzione di affinità dell'emoglobina per l'ossigeno consente di

rilasciare a livello tissutale il 37% di ossigeno, non più il 30%, cioè quasi quanto l'emoglobina ne rilascia a

livello del mare. L'acido 2,3 BISFOSFOGLICERATO è un fattore la cui concentrazione viene modulata dal

globulo rosso in relazione alla pressione parziale esterna. L'emoglobina A1 cioè alfa2/beta2 non è l'unica

forma di emoglobina che l'organismo riesce a sintetizzare; a livello fetale l'emoglobina beta è sostituita

dall'emoglobina gamma che è molto simile strutturalmente e funzionalmente alla beta ma in particolare

presenta alcuni amminoacidi differenti e ha una sostituzione amminoacidica in uno di quei punti critici

necessari al legame con l'acido. Un esempio è infatti la istidina 143, con carica positiva, che è sostituita

dalla serina che ha invece un -OH fenolico che può dissociarsi come O- e quindi la catena gamma della

emoglobina fetale ha due gruppi carichi positivamente in meno, poiché non c'è più l'istidina 146 e viene

anche sostiuita con un amminoacido carico negativamente e ciò significa che l'acido 2,3-bisfosfoglicerato

si lega molto più difficilmente all'emoglobina fetale e quindi essa è molto poco legata a tale acido e, visto

che esso spostava verso destra la curva di saturazione dell'emoglobina riducendone l'affinità per

l'ossigeno, l'assenza di tale acido o la sua più bassa concentrazione produce uno spostamento della curva

di ossigenazione verso sinistra, quindi aumento dell'affinità per l'ossigeno. Tutto ciò giustifica

perfettamente il ruolo di tale proteina a livello fetale poiché il feto satura la proprio emoglobina a livello

tissutale a bassi valori di pressione parziale di ossigeno perché raccoglie appunto l'ossigeno rilasciato

dall'emoglobina a 30mmHg in ambiente venoso (il cordone ombelicale). Se il feto non avesse

un'emoglobina molto più affine rispetto all'emoglobina adulta mai e poi mai ci sarebbe questa transizione

di ossigeno dall'emoglobina materna a quella fetale poiché 30mmHg, per l'emoglobina normale, significa

bassa affinità per l'ossigeno con rilascio del 40%. infatti, se l'emoglobina adulta sarebbe nel feto non

sarebbe in grado di legare ossigeno a quelle condizioni e ciò avviene perché la globina beta

dell'emoglobina fetale è sostituita da una globina diversa,

molto meno affine per l'acido 2,3-BISFOSFOGLICERATO. Il feto quindi ha un equilibrio T → R molto più

spostato verso R proprio per l'assenza dell'acido (o minore quantità). Quindi l'acido rende conto della

modulazione dell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno in due condizioni: l'adattamento alle alte quote e

la possibilità che ha il feto di legare ossigeno a 30mmHg e rilasciarlo ai tessuti dell'embrione in crescita in

cui la pressione parziale è intorno ai 10mmHg. 2. IDROGENIONI e IL PH

L'influenza del pH sull'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno prende il nome di Effetto Bohr e questo

effetto viene spiegato in tali termini: l'emoglobina ossigenata è più acida dell'emoglobina de-ossigenata

(principio dell'effetto Bohr). L'emoglobina ossigenata, la forma R, rilascia più H+ dell'emoglobina de-

ossigenata, che è la forma T, anzi quest'ultima accetta H+. Tale transizione di cedere o accettare

idrogenioni dipende dal pKa di alcuni amminoacidi. Il pK di un amminoacido è chiaramente quel valore di

concentrazione idrogenionica in cui l'amminoacido ha carica netta pari a zero, il che non significa che non

abbia carica ma che avrà una carica positiva sul gruppo amminico esattamente compensata dalla carica

negativa sul gruppo carbossilico. Quando un amminoacido viene inserito in una soluzione con pH

maggiore del suo pK la proteina cede H+; se l'amminoacido viene in inserito in una soluzione con pH

minore rispetto al suo pK la proteina acquista H+ dal mezzo; se l'amminoacido è inserito in una soluzione

con pH assolutamente identico al proprio pK allora avrà carica netta pari a zero, non cede né acquista

protoni (la carica netta del gruppo amminico si compensa perfettamente con la carica netta del gruppo

carbossilico). Nel definire l'emoglobina acida dobbiamo immaginare che nella conformazione R il pK di

alcuni amminoacidi è sicuramente inferiore rispetto al pH del mezzo. Analogamente dobbiamo ipotizzare

che in forma de-ossigenata, quando secondo Bohr la proteina è meno acida, l'equilibrio è spostato verso T

perché evidentemente in tale forma ci sono amminoacidi il cui pK è superiore al pH del mezzo. Siccome

sappiamo che la conformazione T ed R è molto differente, poiché nella conformazione R si perdono otto

ponti salini e alcuni legami a idrogeno, evidentemente la rottura di questi ponti salini ha qualche effetto

sul pK dell'amminoacido. La variazione, quindi, di conformazione dalla forma T alla forma R deve

abbassare il pK di questi amminoacidi al punto tale che, anziché acquistare protoni, si trovino nelle

condizioni di doverli cedere. Dobbiamo quindi tenere in considerazione, per spiegare l'effetto Bohr, questo

binomio: pH del mezzo e pKa degli amminoacidi. Entrambi i casi sono importanti perché per il pH, a livello

tissutale, il metabolismo di tutti i tessuti che vengono irrorati è molto più alto rispetto al metabolismo

delle sole cellule a livello alveolare e quindi la produzione di H+ a livello tissutale è sicuramente maggiore

rispetto al livello polmonare, infatti a questo livello ci limitiamo a considerare il metabolismo delle sole

cellule di tale tessuto (quindi produzione di H+ sicuramente differente in questi due estremi). Dobbiamo

anche considerare il valore di pKa di alcuni amminoacidi che sono coinvolti nella transizione T → R e

dobbiamo vedere se in tale transizione c'è qualche amminoacido in cui il pK si abbassa notevolmente. Gli

amminoacidi coinvolti in tale transizione sono essenzialmente due, in particolare: - l'istidina 146 è carica

positivamente per l'anello imidazolico, e nella de-ossiemoglobina è legata non solo come estremità

carbossi-terminale alla lisina 140 ma è anche impegnata in un legame intramolecolare. Tale ponte salino

intramolecolare è organizzato con l'acido aspartico: il gruppo carbossilico dell'acido aspartico stabilizza la

carica positiva dell'istidina

aumentando (nella configurazione T) di molto il pK di questa istidina. Normalmente il pK di quest'ultima è

7.4, in condizioni normali chiaramente, ma nella deossi-emoglobina, quando l'istidina è legata all'acido

aspartico la carica netta positiva va ad aumentare il pK fino ad 8: ciò vuol dire che gli H+ a livello

tissutale, prodotti dalla respirazione cellulare, possono essere tamponati dall'istidina della globina beta in

cui il valore del pK in questa condizioni è maggiore della concentrazione idrogenionica. A livello tissutale,

quindi, gli H+ prodotti dal metabolismo vengono rapidamente legati, acquisiti, dall'istidina distale 146

delle due catene beta perché è proprio il legame con l'acido aspartico ad aumentare il pK

dell'am