Saturazione dell’Emoglobina e della mioglobina

Grafico della curva di saturazione dell’emoglobina L’andamento è sigmoide, prevede cioè un andamento cooperativo positivo delle subunità.

“Positivo” sta indicare il fatto che dopo l’entrata della prima molecola d’ossigeno le altre entreranno con minor difficoltà. Un altra osservazione deducibile dall’equazione:

HHb + 4 O2 ó Hb(O2)4 + 4H+

Ci dice che l’ossiemoglobina è un acido più forte dell’emoglobina, cioè una volta che l’emoglobina ha legato a sé l’ossigeno in soluzione libera quattro protoni, quindi si comporta come un acido più forte.

Y = (PO2)n / (PO2)n + (P50)


Guardando l’equazione descrittiva della curva si nota che:

  • La percentuale di saturazione dei siti di legame dell’ossigeno (Y) è dipendente, in prima istanza, dalla pressione parziale di ossigeno, con dipendenza diretta (più c’è ossigeno, più l’emoglobina è ossigenata).
  • P50 è l’indice del livello di affinità dell’emoglobina per l’ossigeno: è quella pressione parziale di ossigeno alla quale sono saturati il 50% dei siti di legame delle proteine.
  • n: questo esponente differenzia l’equazione dell’emoglobina da quella della mioglobina. L’esponente n rappresenta il numero di subunità che possono legare l’ossigeno, ed è detto coefficiente di Hill. Se n fosse uguale all’unità si tornerebbe alla situazione della mioglobina, ma n = 1 è uno stato possibile anche per quelle proteine che possiedono una struttura quaternaria, e che sono quindi dotate di più subunità che tuttavia non cooperano le une con le altre. Nel caso dell’emoglobina n dovrebbe essere uguale a 4, tuttavia si ricava sperimentalmente che può raggiungere al massimo 2,7.

Facendo un confronto tra le due proteine: A livello dei polmoni → PO2 = 100mmHg, in presenza di molto ossigeno il comportamento delle due proteine è quasi uguale: la saturazione è quasi completa. Quando la pressione parziale scende sotto a 40 mmHg (livello normale dei tessuti), per esempio quando i muscoli sono sottoposti a sforzi (PO2 < 20-30 mmHg), il comportamento delle due proteine si differenzia. L’emoglobina già a 40 mmHg comincia a cedere il proprio ossigeno, mentre la mioglobina trattiene l’ossigeno legato. Arrivando ai valori di PO2 = 20-30 mmHg l’emoglobina ha già ceduto l’80-90% del proprio ossigeno mentre la mioglobina si arresta ad un valore di saturazione dell’80% circa. Questo è spiegabile col fatto che le due proteine hanno conformazione differente: una, la mioglobina, è costituita da un’unica subunità che non subisce influenze, mentre l’emoglobina che è formata da quattro subunità cambia il proprio stato di affinità con l’ossigeno in base all’influenza di ogni subunità sulle altre (cooperatività positiva).

La differenza è alla base della differente funzione delle due proteine:

  • Emoglobina → trasporto
  • Mioglobina → deposito d’ossigeno

La mioglobina cede l’ossigeno ai mitocondri, dove avviene la fosforilazione ossidativa, quando la PO2 si avvicina allo zero, con il muscolo sotto sforzo. Riassumendo: bastano piccoli spostamenti di pressione parziale di ossigeno e la quantità di O2 liberata dall’emoglobina è grandissima, la mioglobina rilascia invece l’ossigeno solo in presenza di grandi variazioni della PO2, quando cioè essa si avvicina allo zero. Tornando a considerare la curva sigmoide: il primo ossigeno fatica ad entrare nell’emoglobina, ma una volta entrato il primo gli altri sono più veloci.

Allosterismo L’emoglobina è un proteina allosterica, cioè l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno può variare per l’azione di modulatori allosterici che si legano in regioni diverse da quella in cui si lega il ligando: nel nostro caso O2 si lega al gruppo EME, i modulatori in porzioni diverse. Questi modulatori possono essere sia positivi sia negativi, cioè possono rispettivamente aumentare o diminuire il livello d’affinità. I modulatori possono avere effetti diversi:

  • Effetto omotropo (ligando e modulatore sono la stessa molecola)

L’ossigeno può anch’esso influenzare l’affinità di legame dell’emoglobina con l’O2: ha un effetto omotropo positivo

  • Effetto eterotropo (molecole diverse)

In questo caso abbiamo fattori allosterici negativi, che diminuiscono cioè l’affinità per l’ossigeno dell’emoglobina. Alcuni modulatori sono:

  • Pressione parziale di ossigeno
  • Ioni H+ che influenzano il pH → Effetto Bohr
  • 2,3-DPG (2,3-difosfoglicerato o 2,3-bisfosfoglicerato)
  • CO2
  • Ioni cloruro, Cl
  • Temperatura

  1) Effetto della PO2 Quando avviene il legame tra emoglobina e ossigeno si avvia un cambiamento conformazionale (Il ferro viene richiamato all’interno della struttura tetrapirrolica e si porta dietro l’istidina prossimale, la quale trascina l’elica F); la proteina possiede perciò due forme d’esistenza:

  • ossiglobina (con O2)
  • deossiglobina (senza O2)
  • Una conseguenza del legame con l’ossigeno è la rotazione dell’asse principale dell’emoglobina: le due subunità α1 e β1 ruotano di 15° rispetto alle due subunità α2 e β2. Questo determina uno scorrimento delle due unità l’una sull’altra, lo scivolamento di questi due dimeri l’uno sull’altro romperà i legami preesistenti e consentirà la formazione di nuovi.

La rotazione di 15° dell’asse dell’emoglobina determina uno spostamento relativo di alcuni residui rispetto ad altri, con cambiamento di conformazione dallo stato deossi a quello ossi. L’emoglobina “respira” e questa respirazione porta a modifiche importanti per la sua attività.

  • Un’altra conseguenza del legame dell’ossigeno a questa proteina è la diminuzione dell’apertura della cavità centrale esistente tra le 4 subunità (sito di legame del fosfoglicerolo, che dopo la “chiusura” non entra più).
  • Altra conseguenza che si verifica quando l’ossigeno si lega all’emoglobina: liberazione di protoni.

A cosa è dovuta questa acidità? Il fatto che si allontanino dei gruppi e se ne avvicinino degli altri viene a cambiare il micro-ambiente di alcuni amminoacidi che hanno la tendenza a prendere o a cedere elettroni, a seconda del variare del pH dell’ambiente esterno i gruppi laterali amminoacidi possono comportarsi da acido o da base (cioè cedere o meno protoni). I gruppi che funzionano meglio come acidi/basi sono quelli il cui pKa si trova nelle vicinanze del valore del pH fisiologico (7,4). I gruppi che possono intervenire in queste reazioni acido-base sono rappresentati da:

  • gruppi delle istidine (H dell’anello)
  • gruppi N-terminali delle catene peptidiche
  • gruppi N-terminali delle lisine (gruppi laterali)

Come già detto il legame tra emoglobina e ossigeno comporta un cambio di conformazione: a seconda che l’Hb porti legato l’O2 o no, può esistere in due forme, rispettivamente:

  • T → Tense [stato compatto e bassa affinità all’ossigeno].
  • R → Relaxed [stato meno compatto e alta affinità all’ossigeno].

Per spiegare l’esistenza delle due conformazioni d’emoglobina sono stati proposti due modelli (ora si suppone che la verità sia una “media” fra le due teorie).   1) Modello simmetrico di Monod In soluzione possono esistere solamente le due forme simmetriche: le subunità dell’emoglobia, sia che leghino O2 sia che non lo leghino, sono o tutte nello stato T o tutte nello stato R, non possono esistere ibridi. È la PO2 a determinare quale delle due forme predomina: a valori bassi di PO2 la conformazione predominante è T, man mano che aumenta la pressione l’equilibrio si sposta verso la forma R. 2) Modello sequenziale di Koshland Questo modello prevede che, dopo l’entrata della prima molecola d’ossigeno, il cambiamento di conformazione si trasmetta alle subunità adiacenti, che cominciano a spostarsi verso la forma R. Questo fa sì che le molecole adiacenti leghino l’ossigeno con maggior affinità: il primo O2 fatica ad entrare nella molecola, che si trova allo stato T, ma il secondo, il terzo e il quarto entrano con facilità sempre maggiore perchè trovano le subunità nel più affine stato R. Ci sono molte situazioni intermedie, ibride, a metà fra lo stato T e lo strato R. C’è cooperatività fra subunità adiacenti.

Mioglobina Emoglobina
È un monomero È un tetramero (4 subunità: a1, a2, b1, b2)
È contenuta nei tessuti (in particolare in quello muscolare striato) Si trova nei globuli rossi (sangue)
È un deposito di O2, che viene usato dai mitocondri solo quando la PO2 crolla È una proteina di trasporto che rilascia il 60-70% di ossigeno quando arriva ai tessuti
Ha un’alta affinità per l’O2: P50 → 5 mmHg, molto bassa Ha una bassa affinità per l’O2: P50 → 26 mmHg, molto alta
Presenta una curva di saturazione dell’ossigeno iperbolica Presenta una curva di saturazione dell’ossigeno con andamento sigmoide (cooperatività positiva ed allosterismo)

L’ossigeno, oltre ad essere il ligando, è anche un fattore allosterico (effetto omotropo): la stessa molecola può sia legarsi sull’EME di una subunità, sia influenzare positivamente le caratteristiche delle altre subunità. Esistono altre molecole capaci di influenzare l’affinità dell’emoglobina all’ossigeno come fattori allosterici: gli effettori eterotropi. Questi effettori [H+], CO2, Cl, considerati insieme nell’effetto Bohr, danno vita ad un fenomeno che tiene in considerazione le variazioni di pH determinate da tutti questi fattori. Tutte le sostanze che introduciamo con la dieta vengono degradate per sintetizzare ATP e per “costruire” le nostre molecole, bruciamo queste sostanze, e l’elemento di scarto è rappresentato da H2O e CO2. Avremo quindi una elevata concentrazione di anidride carbonica a livello di tutti i tessuti, ma maggiormente nei tessuti più attivi metabolicamente come il muscolo. Essendo un gas, la CO2 si dissolve nel sangue (legge di Henry), ma se rimane troppo nel sangue si possono creare problemi (ad esempio gli emboli).