TRASPORTO DELL’OSSIGENO

in questo post introduciamo un altro argomento che come da titolo spiega che fine fa l'ossigeno dopo essere stato introdotto dai polmoni nel organismo.

Trasportare l’ossigeno dai polmoni fino ai tessuti è stata una delle problematiche per comprendere come funzionava a pieno il sistema respiratorio fino all’uso dell’ossigeno nei tessuti.

L’ossigeno presente come molecola biatomica nell’aria  non ha un alta solubilità e tanto meno puo essere usata per sintetizzare composti come acidi grassi, carboidrati o amminoacidi.

L’utilità dell’ossigeno che introduciamo dai polmoni è quello di accettore di elettroni all fine della respirazione cellulare nei mitocondri ( l’ossigeno viene ridotto ad acqua)

Per rispondere a queste domande introduciamo due proteine fondamentali per il trasporto dell’ossigeno: emoglobina e mioglobina

Emoglobina è una proteina che è contenuta nei globuli rossi, è presente in grandissime quantita tanto che la massa di un singolo globulo rosso dipende per lo più da questa proteina. È una proteina allosterica formata da 4 sub-unita, le globine , che legano con un gruppo chiamato eme.

Mioglobina è una proteina presente all’interno dei muscolo, è fondamentale per il passaggio dal sangue al tessuto e poi alle cellule localizzate in quella zona, è una proteina più piccola dell’emoglobina formata, è un monomero e  come la sua collega ha legato a se un gruppo eme

Il gruppo eme, comune per entrambe le proteine, è un gruppo che si chiama prostetico, fa parte della famiglia delle porfirine e il suo legame con un atomo di ferro bivalente da la tipica colorazione rossa. È una molecola formata da gruppi pirrolici legati tra loro da ponti metilici, i 4 atomi di azoto presenti nella parte centrale sono i colpevoli dell’azione chelante del ferro.

L’atomo di ferro al centro del gruppo eme è il motivo per cui l’ossigeno atmosferico lega con la mioglobina o l’emoglobina, senza questo atomo in particolare questo legame sarebbe  molto sfavorito. È di fondamentale importanza anche la presenza del gruppo eme all’interno della molecola, questo perché come si sa l’ossigeno del’aria è un forte ossidante, in presenza di ferro bivalente lo ossiderebbe a ferro trivalente, questa ossidazione se avvenisse all’interno della molecola comprometterebbe l’importante legame tra ferro e ossigeno, per questo motivo il gruppo eme è di vitale importanza per la molecola.

MIOGLOBINA

Come detto prima la mioglobina è una struttura proteica fondamentale presente all’interno dei muscoli, specialmente nei tessuti di animali marini che devono immagazzinare molto ossigeno per il periodo in cui sono immersi.

La struttura della proteina è monomerica, formata unicamente da strutture alfa-elica  con un peso molecolare di circa 16700 Dalton e costituita da 153 amminoacidi. Il 99%  di questi amminoacidi non hanno un importanza funzionale per la struttura della mioglobina ma solo 2-3 hanno un importanza fondamentale, infatti il ferro presente legato al gruppo eme è esacordi nato, per via dell’orbitale D libero, 4 azoti degli anelli pirrolici del gruppo eme  stabilizzano, mentre gli ammino acidi his e valina grazie ai suoi gruppo R stabilizzano il ferro (vedi in figura).

La struttura della mioglobina fu determinata poi da peruts mediante  l’analisi ai raggi x

La funzione fisiologica fondamentale della mioglobina è quella di legare a se atomi di ossigeno molecolare introdotti dal sistema respiratorio e trasporti dal sangue.

Un metodo matematico per stabilire la relazione  tra la pressione parziale dell ossigeno nel sangue e il legame mioglobina-ossigeno è quella di misurare la forza di legame tra questa proteina e l’ossigeno parlando in termini di costante di dissociazione.

MbO₂ à Mb + O₂

Kd = ([Mb]*[O₂])/[MbO₂]                        à                       [MbO₂]= ([Mb]*[O₂])/Kd

Y=[MbO₂]/([MbO₂] + [Mb])

Conoscendo la legge di henry  PO₂= K*[O₂] e sostituendo [MbO₂] nella formula di saturazione e calcoliamo.

Y= (([Mb]*[O₂])/Kd) / (([Mb]*[O₂] + [Mb]*kd )/Kd)            semplifichiamo Kd

Y= ([Mb]*[O₂])/([Mb]*[O₂] + [Mb]*kd                              raccogliamo [Mb] e lo semplifichiamo

Y= [O₂]/[O₂] + Kd                                                           sostituiamo [O₂] sfruttando la legge di henry     

Y= PO₂/PO₂ + Kd                                                                                                                                      

Se ora consideriamo a metà saturazione (il 50% delle molecole di mioglobina sono trasformate in ossimioglobina, l’altra metà rimane desossimioglobina) della mioglobina la Kd prende il nome di P₅₀

P₅₀= (PO₂)_0,5

Se Y=1 vuol dire che abbiamo la massima saturazione (Y=[MbO₂]/[MbO₂] + [Mb] per Y=1 vuol dire che [Mb] = 0). l’iperbole disegnata nel grafico ci mostra che ad alte pressioni parziali di ossigeno il legame tra ossigeno e mioglobina è molto favorito, ma essendo che questa proteina lo immagazzina nei tessuti, la pressione parziale nei capillare è più bassa ma comunque sufficiente garantire una certa forza di legame tra ossigeno e mioglobina e per permetterne lo scambio tra emoglobina e mioglobina, grazie anche alle caratteristiche della molecola di emoglobina.

A Y= 0,5 la pressione parziale corrispondente è 133,3 Pa -28tor

IN SINTESI IL LEGAME OSSIGENO-MIOGLOBINA ALLA PRESSIONE PARZIALE DI O₂ NEI CAPILLARI SARà FORTE.

 EMOGLOBINA

Questa proteina è presente in gran quantità nel sangue ed è formata da 4 subunita, 2 alfa e 2 beta, ogni sub-unita si chiama globina.

Le 4 strutture di globina hanno una somiglianza di circa il 20% della loro sequenza di amminoacidi, e ogni globina porta con se legata un gruppo eme alla quale lega un atomo di ferro. Tutte le globine sono formate da 8 catene alfa-elica e l’uni pesa circa 64000 Dalton.

 

E una oloproteina con struttura quaternaria i geni per codificare le subunita alfa sono nel cromosoma 16 quelle per la sub unità betà sono nel cromosoma 11

Esistono molti agenti definibili come velini per la struttura dell’emoglobina, per esempio il monossido di carbonio è un veleno per eccellenza, lega con l’emoglobina con un affinità di 200 volte maggiore di quella dell’ossigeno, per questo l’esposizione a questo gas è mortale, inoltre anche agenti ossidanti sono veleni per l’emoglobina perché ossidano il ferro II a ferro III impedendo poi all’ossigeno di legarsi ad esso.

Per studiare le funzione fisiologica del dell’emoglobina  consideriamo Y=0,5 e vediamo che la pressione parziale corrispondente è di 26 torr.

consideriamo un grafico dove sull'asse delle y abbiamo Y l'indice di saturazione e sull'asse delle x la pressione parziale dell'ossigeno.₂ fa con mioglobina a queste condizioni è più forte e stabile.

si vede che per valori minori i Y minori di 0,5 il legame ossigeno e emoglobina è sfavorito per via della conformazione della struttura, ma se alziamo la pressione parziale dell’ossigeno, il legame emoglobina ossigeno diventa più forte e stabile, percui nei polmoni dove la pressione parziale di ossigeno è alta l’emoglobina si associa facilmente ad esso e lo trasporta nel sangue, ma quando si arriva nei tessuti la situazione si inverte, qua la pressione parziale dell’ossigeno è molto più bassa, questo porta a una diminuzione della forza di legame  tra  emoglobina e  ossigeno, ciò facilità il passaggio dell’ossigeno alla mioglobina perché il legame che O

Grazie a questi principi il globulo rosso contenente emoglobina può trasportare facilmente ossigeno  dai polmoni ai tessuti

EFFETTO BORN, questo effetto è dovuto a una variazione del pH fisiologico tra i polmoni e i tessuti più interni, infatti il pH nel polmoni è leggermente più basico (7,6) di quello nei tessuti che risulta un pò più acido (7,4). Questa variazione del pH è risentita dalla struttura proteina dell’emoglobina che a pH più basico risulta una maggiore forza di legame con l’ossigeno, mentre a pH più acido il legame tende a indebolirsi e permetti di cedere più facilmente l’ossigeno alla mioglobina.

L’emoglobina è una proteina allosterica, ciò la sua conformazione varia di circa 15 gradi ( come in figura sotto) quando essa è legata con l’ossigeno inoltre aumentando la quota d’altitudine l’ossigeno nell’area  diminuisce cosi il nostro corpo rilascia del bifosfoglicerato che si lega con un legame debole all’emoglobina nella zona centrale.

Ricorda:

i protoni non si legano al gruppo eme ma a i residui degli amminoacidi

l’anione dell’acido carbonico HCO^- reagisce con legami covalenti al azoto del gruppo eme.

Tra le globine dell’emoglobina, soprattutto tra alfa 1- alfa 2 e beta1- beta 2 ci sono dei legami di interazione di carica che stabilizzano la struttura

Nell emoblogina fetale la globina beta è sostituita alla globina gamma in modo da aumentare l’affinità  con l’ossigeno.

MUTAZIONI

le mutazioni più comuni sono

ANEMIA FALCIFORME =presenta una mutazione delle globine, il gene mutato Hb s crea una sequenza amminoacidica priva di cariche che non permettono alla struttura di essere stabile, cosi collassa e non svolge la sua funzione. La mutazione fu scoperta da pouling.

TALASSEMIA= è la mancata produzione di una catena alfa elica o l’errata disposizione degli amminoacidi che crea una struttura non funzionale.