Biochimica

Il trasporto dell'ossigeno

L'organismo per funzionare ha bisogno di ossigeno. Tutte le cellule dell'organismo devono ricevere un'adeguata quantità di ossigeno. Sia in Hb che in Mb l’O₂ si lega tramite una struttura di nome eme. La porzione più importante di questa struttura è uno ione di tipo ferro 2+.

Struttura del gruppo eme

Com'è fatto questo piccolo gruppo che serve a legare l'ossigeno? La struttura eme senza Fe²⁺ si chiama protoporfirina IX.

• Questa struttura è legata all'interno delle varie subunità e grazie al Fe²⁺ può legare O₂.
• Ogni subunità di Hb contiene 1 eme, quindi, ogni molecola di Hb può legare fino a 4 O₂.
• La Mb ha 1 sola catena e un solo gruppo eme e potrà legare una sola molecola di O₂.

Per poter avere questo legame con l'ossigeno, è necessario che l'atomo di ferro sia un Fe²⁺. Il ferro può esistere in due stati di ossidazione: 2+ e 3+. Il 3+ non può legare l'ossigeno. Quando Hb si ossida perde la capacità di legare l’O₂.

Come funziona l'emoglobina?

L'emoglobina si carica di ossigeno dove è presente in maggiore quantità, ossia nei polmoni. Lo trasporta fino ai tessuti periferici e qui lo rilascia, per dare un’adeguata ossigenazione.

L'emoglobina che si trova nel torrente arterioso si chiama ossi-emoglobina [perché ha legato l'ossigeno]. Dopo aver rilasciato l'ossigeno, che serve alle cellule per la respirazione cellulare, l'emoglobina torna, tramite il torrente venoso, ai polmoni, dove può ricominciare il ciclo di trasporto.

Trasporto di CO₂

I prodotti di scarto del metabolismo cellulare che devono essere eliminati includono la CO₂. Ci sono diversi modi per eliminarla:

• Uno è tramite la respirazione polmonare. L’Hb lega la CO₂ tramite la parte proteica, cioè con le estremità N terminali delle proteine. La CO₂ reagisce con le estremità N terminali e forma un composto che si chiama residuo carbammino terminale.
• Si possono legare 2 molecole di CO₂ per molecola di emoglobina. Così la CO₂, tramite il torrente venoso, torna ai polmoni e la reazione si inverte: l'emoglobina rilascia la CO₂, che viene eliminata tramite la respirazione.

Funzioni dell'emoglobina

Hb ha quindi due funzioni diverse:

1. Trasporto di O₂ dai polmoni ai tessuti periferici, grazie al Fe²⁺ e al gruppo eme.
2. Trasporto di CO₂ ai polmoni. Il sito è diverso e non avviene attraverso il legame con l’eme ma con la parte proteica di Hb.

Saturazione e pressione parziale di ossigeno

Saturazione di ossigeno è la quantità di ossigeno legato all'emoglobina rispetto alla quantità di ossigeno presente nell'ambiente circostante. La pressione parziale di ossigeno è la quantità di O₂ nell'organismo, ossia la concentrazione di O₂ presente in un particolare distretto cellulare dell'organismo (PO₂).

Man mano che Hb percorre il nostro organismo e passa dai polmoni ai tessuti periferici, la quantità di ossigeno che troviamo nell'ambiente diminuisce, e diminuisce anche la quantità di ossigeno legata all'emoglobina. Questa diminuzione segue un andamento sigmoide, il che significa che non c'è proporzionalità (altrimenti vedremmo una retta).

Legame cooperativo

Anche quando ci troviamo nei tessuti periferici, l'emoglobina non è mai completamente scarica, com'è possibile? Il legame cooperativo significa che l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno è regolata dalla quantità di ossigeno che l'emoglobina porta legato. Un’emoglobina senza ossigeno ha bassa affinità per l'ossigeno e fa più fatica a legarlo. Più lega ossigeno, più aumenta l'affinità, cioè più facilmente lo legherà e lo terrà legato, perché se l'Hb, quando si trova nei polmoni, legasse l'ossigeno e lo rilasciasse subito, l'ossigeno continuerebbe a rimanere nei polmoni. Invece succede che nei polmoni c'è tanto ossigeno e le molecole si legano all'Hb, che si carica e continua a tenere legato l'ossigeno.

Man mano che si sposta, passa da una situazione dove abbiamo tanto ossigeno a situazioni in cui l'ossigeno è sempre di meno; quindi l'ossigeno comincia ad essere rilasciato. Se fosse rilasciato a mezza via, l'Hb arriverebbe ai tessuti periferici avendolo già perso tutto. Al contrario, quando arriva ai tessuti periferici, dove già di per sé l'ossigeno è scarso, allora l'emoglobina rilascia tutto l'ossigeno. È importante che, una volta scaricato l'ossigeno, Hb diminuisca la sua affinità per l'ossigeno, perché altrimenti lo lascerebbe, ma lo rilegasse, riportandoselo via.

L'affinità dell'Hb per l'ossigeno è regolata direttamente dalla quantità di ossigeno presente nell'ambiente, per cui la cooperatività di legame consiste proprio nel fatto che meno ossigeno c'è, meno facilmente l'Hb lega l'ossigeno.

Alta e bassa affinità

Ma cosa vuol dire alta o bassa affinità? Cos'è che aiuta l'emoglobina a rilasciare o a tenere l'ossigeno?

• Fondamentale è la conformazione della nostra molecola: le proteine hanno una struttura primaria (la loro sequenza di amminoacidi); una struttura secondaria (es: alfa-elica); questa si ripiega a formare dei gomitoli (la struttura terziaria) e, in molecole complesse come l'Hb che hanno più di una parte, l'assemblaggio delle parti porta a una struttura tridimensionale: la struttura quaternaria.

Hb è costituita da 4 parti diverse che possono disporsi nello spazio in modo diverso una rispetto all'altra, con due conformazioni: T, che sta per tesa; e R, che sta per rilassata. Per legare o rilasciare l'ossigeno, l'emoglobina deve formare o rompere dei legami (legame ferro-ossigeno). La capacità di legare in maniera più forte o meno forte l'ossigeno è determinata dalla conformazione. Semplificando: abbiamo che Hb è costituita da 2α e 2β.

Organizzazione delle subunità

Come sono organizzate queste quattro subunità nella molecola di Hb? Abbiamo prima la formazione di dimeri per associazione di 2 subunità, cioè si formano i dimeri α1β1 e α2β2, e i legami che tengono insieme i dimeri sono interazioni forti di natura idrofobica e i due dimeri si associano l'uno all'altro tramite legami ionici e legami idrogeno.

Conformazione T: è quella che assume Hb senza ossigeno e, siccome è priva di ossigeno, si chiama deossiemoglobina.

Conformazione R: quando l'O₂ si lega al ferro legato al gruppo eme, che è legato alla proteina dell'emoglobina, provoca una sorta di stiramento di ogni subunità che cambia forma. Quando tutti gli ossigeni sono legati, i due dimeri cambiano disposizione l'uno rispetto all'altro e ruotano, parte dei legami idrogeno e ionici si rompe e la struttura risulta più rilassata e più larga, perché ci sono meno legami che tengono uniti i due dimeri.

Legame ossigeno-emoglobina

Perché il primo ossigeno fa fatica a legarsi, poi il secondo ne fa meno e così via? Le 4 subunità dell'Hb sono tutte collegate tra loro. Quando si lega il primo ossigeno, la prima subunità tende a cambiare forma, ma fa fatica. Poi si lega il secondo ossigeno e anche la seconda subunità comincia a cambiare. Quindi adesso ci sono due punti di tiraggio e la proteina comincia a cambiare forma. Ma più tira e più cambiano forma le due subunità che hanno legato l'ossigeno. Questi legami si tirano dietro anche le altre subunità legate (che non hanno ancora O₂). Mano a mano che cambiano forma, l'ossigeno fa meno fatica a entrare e si lega più facilmente. Dopo che abbiamo legato tre ossigeni, la quarta subunità si trova già nella forma aperta e quindi l'ossigeno entra. Quindi l'ossigeno è il primo sensore, la prima molecola che aiuta l'Hb a legarne tanto e a rilasciarlo dove deve, attraverso una complessa serie di fenomeni molecolari.

Perdita dell'ossigeno

Quando l'ossigeno viene perduto, l'Hb torna in forma tesa, che lega molto meno ossigeno, arriva a livello dei polmoni dove c'è tanto ossigeno e si lega. L'Hb si apre, diventa una conformazione R, lega tutto l'ossigeno che può. Quindi si allontana dai polmoni con l'ossigeno legato. Mentre percorre il nostro organismo, l'ossigeno comincia a diminuire e l'Hb comincia a rilasciarlo, ma è ancora in forma R, finché non arriva nei tessuti periferici, dove l'ossigeno è meno e allora ne viene rilasciato tanto e l'Hb diviene in forma T, cosicché l'ossigeno rilasciato può restare nei tessuti. L'Hb ritornerà in forma R soltanto una volta arrivata nei polmoni.

Fattori che modificano l'affinità dell’emoglobina per l'ossigeno

• La quantità stessa di ossigeno: che, regolando la forma dell'emoglobina, regola l'affinità di Hb per l'ossigeno.
• L'effetto Bohr: che diminuisce l'affinità dell'Hb per l'ossigeno, favorendone così il rilascio.

I nostri tessuti periferici producono CO₂, un prodotto di scarto che dev'essere eliminato. In parte si lega all'Hb e viene eliminata con la respirazione. In parte la CO₂ prodotta, una volta all'interno del nostro globulo rosso (in inglese RBC: red blood cell), reagisce con l'acqua del citoplasma del globulo rosso, grazie a un enzima chiamato anidrasi carbonica che sintetizza H₂CO₃ (acido carbonico), un acido che in acqua (e noi siamo in acqua, perché siamo nel citoplasma di una cellula) perde un protone e si dissocia in protone H⁺ e ione HCO₃^- (bicarbonato), che torna nel plasma. Il protone H⁺ va invece a legarsi alla parte proteica dell'emoglobina, cioè la protona.

Protonazione dell'emoglobina

Ma quale forma di Hb protona? L’Hb in conformazione T, nella forma "deossi", senza l'ossigeno. Se noi abbiamo Hb in forma R, che sta rilasciando l'ossigeno, la protonazione aumenta la facilità della conversione da R a T, cosicché viene rilasciato ancora più ossigeno. Non è una sostituzione a livello dell'eme: l'ossigeno legato all'eme viene rilasciato; i protoni si legano invece alla parte proteica. Questo facilita il cambio di forma della proteina, che passa alla forma T (bassissima affinità per l'ossigeno). Questo ha la funzione di massimizzare la quantità di ossigeno rilasciata al livello dei tessuti.

L'emoglobina protonata rilascia l'ossigeno e si trova in forma deossi, rimane senza ossigeno legato, torna ai polmoni e qui si deprotona, perché avviene l'effetto opposto a quello appena visto: nei polmoni la CO₂ viene eliminata attraverso la respirazione, e quindi, senza protone e in presenza di tanto ossigeno, l'Hb si ritrasforma in R e carica l'ossigeno, ricominciando il giro.

Altri fattori che influenzano l'affinità

• La temperatura: se diminuisco la temperatura, Hb aumenta la sua affinità per O₂; se aumento la temperatura, l’Hb diminuisce la sua affinità per O₂.
• 2,3-bisfosfoglicerato (2,3 BPG): diminuisce l’affinità per O₂.

Formata da 3 atomi di carbonio, viene sintetizzato nei RBC attraverso una ramificazione della glicolisi. Il 2,3 BPG si può legare all'emoglobina in rapporto 1:1 nel mezzo del foro della sola forma T. (Quindi quando l'ossigeno non è presente), quando è presente il passaggio alla forma R è più difficile perché Hb deve rompere i legami con il 2,3 BPG ed espellerlo. Solo a quel punto l’emoglobina può passare in forma R.

Ci sono delle situazioni in cui la quantità di ossigeno che l'individuo riesce a respirare è minore (per esempio ad alta quota, o in presenza di certe patologie come asma o enfisema). Quando l'ossigeno respirato è meno della norma, è fondamentale il ruolo di questa piccola molecola, perché l'organismo risponde a una diminuita quantità di ossigeno sintetizzando più 2,3 BPG (ad esempio nel caso di adattamento ad alta quota). Immettendo meno ossigeno, ai tessuti ne dovrebbe arrivare di meno, ma, producendo più 2,3 BPG, la nostra Hb, pur recuperando meno ossigeno, ne rilascia la stessa quantità a livello dei tessuti (esempio: in condizioni normali ne lega 4 e ne rilascia 3; in altura ne lega solo 3, ma le rilascia tutte).

Monossido di carbonio (CO)

Si lega al Fe²⁺ dell’eme sostituendo l’O₂ con una forza 20.000 volte superiore. Anche se c’è meno CO rispetto a O₂, CO tende a legarsi di più di O₂. Il legame di CO con Hb è irreversibile: l’unico modo di staccare CO è un trattamento in camera iperbarica. Se in Hb anche solo un sito è legato con CO, la molecola rimane in forma R e non rilascia più ossigeno.

Diversi tipi di emoglobine

Esistono diversi tipi di emoglobina. Alcune sono presenti nell'adulto, altre nel feto e nell'embrione.

• HbA: è la forma più comune e costituisce il 90% dell'emoglobina totale dell’individuo adulto. È costituita da 2α e 2β.
• Le β possono essere vere e proprie, poi ci sono le catene δ (delta) che hanno sequenza amminoacidica diversa. Si possono avere anche delle HbA₂ in percentuale 2-5%.
• HbA_1c: è diversa perché legata al glucosio, chiamata Hb glicosilata e normalmente è presente tra il 3-9%. La quantità di HbA_1c dipende dal glucosio presente nel nostro sangue e quindi, in individui diabetici, la presenza di questa emoglobina è più elevata.
• HbF ("F" Sta per "fetale"): presente anche nell'adulto al 2%, costituita sempre da catene α e da catene β, ma quelle di tipo β sono di tipo γ (gamma). Nel feto è l'emoglobina prevalente, un feto ha una emoglobina differente perché non respira direttamente. Infatti, l'HbF ha più affinità con l'ossigeno rispetto alla HbA, il che le permette di prelevare l'ossigeno dal sangue materno a livello della placenta.

Emoglobine patologiche: La più nota è HbS, associata all’anemia falciforme. Un amminoacido β è mutato; cioè è mutato un nucleotide del gene e il glutammato diventa valina. Il glutammato è un amminoacido carico negativamente, mentre la valina è un amminoacido idrofobico. I RBC diventano a falce e la loro membrana è più rigida, non trasportano bene O₂.

Metabolismo

Il metabolismo è un insieme di funzioni del nostro organismo e delle nostre cellule che parte dai nutrienti, li digerisce e li trasforma in energia e componenti. Prende questa energia e questi componenti e li usa per fare le sue cellule e per far funzionare le sue cellule.

Nelle cellule ritroviamo poi carboidrati, grassi e proteine, ma non quelli che abbiamo mangiato, bensì quelli adatti alle nostre cellule. Tutto si riduce a rottura di legami e formazione di nuovi legami. Si parte da molecole complesse che noi rompiamo, la rottura dei legami libera energia che noi immagazziniamo sotto forma di ATP, che viene poi utilizzato per compiere altre azioni.

Nutriente: tutto ciò che si introduce con la dieta.

• Proteine: amminoacidi.
• Zuccheri: monosaccaridi.
• Grassi: acidi grassi e glicerolo.

Catabolismo: fase degradativa e riduttiva, i composti vengono ulteriormente metabolizzati e viene estratta l’energia contenuta negli alimenti di partenza. L’energia viene raccolta sotto forma di ATP che viene usata nella seconda fase del metabolismo, chiamata anabolismo.

Anabolismo: fase in cui l’organismo sintetizza le macromolecole che gli servono, vengono prodotti ancora proteine, zuccheri e grassi, che però, pur appartenendo alla stessa categoria, hanno una struttura diversa.

Carboidrati

Si chiamano così perché contengono carbonio e acqua in egual misura. L’acqua però non è esattamente presente come H₂O; in realtà abbiamo carbonio, idrogeno e ossigeno. Oggi si scrive la formula bruta come C_nH_2nO_n.

Due grandi categorie: gli aldosi (gruppo aldeidico C=O-H) e i chetoni (gruppo C=O).

Ogni C lega OH più tutti gli H per saturare i legami. Lo zucchero più semplice è una molecola che contiene 3 atomi di C. Possiamo avere dai 3C ai 9C. I più importati sono a 5C (pentosi, il ribosio) e a 6C (esosi, glucosio).

Ribosio nel DNA come desossiribosio (manca O₂ in posizione 2) esiste in una forma ciclica e lineare negli acidi nucleici, è sempre ciclica.

Glucosio: monosaccaride (ricordiamo anche il fruttosio che è esoso monosaccaride).

Disaccaridi: formati da 2 monosaccaridi, come lattosio e saccarosio, legati da un legame glicosidico.

Polisaccaridi: (1000+) tante molecole di glucosio legate dal legame glicosidico, come amido, cellulosa e glicogeno.

Perché se sono tutti costituiti da glucosio li chiamiamo con nomi diversi? Perché cambia la loro forma. Ad esempio, nella cellulosa il legame glicosidico fa sì che le molecole di glucosio siano perfettamente allineate e formino linee parallele. Invece, nell'amido e nel glicogeno...