Il trasporto dei gas nel sangue

L'ossigeno è trasportato nel sangue con due meccanismi: (1) soluzione nel sangue e (2) legame all'emoglobina (Hb). Ciò può essere riassunto come segue: contenuto totale di ossigeno nel sangue = quantità disciolta nel plasma + quantità legata all'emoglobina. L'emoglobina, la molecole che lega l'ossigeno negli eritrociti, si lega reversibilmente all'ossigeno, come descritto dalla formula: Hb+ O2→HbO2. Nei capillari polmonari, dove la PO2 plasmatica aumenta per via della diffusione dell'ossigeno dagli alveoli, l'emoglobina lega l'ossigeno. Invece, a livello delle cellule, dove l'ossigeno è impiegato nel metabolismo e la PO2 plasmatica diminuisce, l'emoglobina libera l'ossigeno. Gli eritrociti. La quota rimanente rimane disciolta nel plasma. Comunque, l'emoglobina è una grande proteina complessa, la cui struttura quaternaria è caratterizzata da quattro catene proteiche globulari, ognuna avvolta a un gruppo eme che contiene ferro. I quattro gruppi eme presenti in una molecola di emoglobina sono identici. Ciascuno consiste di un anello porfirinico costituito da carbonio, idrogeno e azoto con un atomo di ferro (Fe) al centro. Quest'ultimo in ciascun gruppo eme si lega reversibilmente a una molecola di ossigeno. Poiché in una molecola di emoglobina sono presenti quattro atomi di ferro, ogni molecola di emoglobina ha la potenzialità di legarsi a quattro molecole di ossigeno. L'interazione ferro-ossigeno è un legame debole, che può essere rotto senza alterare né l'emoglobina né l'ossigeno. Vi sono diverse forme di catene proteiche globiniche nell'emoglobina. Le forme più comuni sono dette alfa, beta, gamma e delta in funzione della struttura della catena. La maggior parte dell'emoglobina dell'adulto (detta HbA) presenta due catene alfa e due catene beta. In generale, l'emoglobina legata all'ossigeno è detta ossiemoglobina, abbreviata HbO2. Il legame ossigeno-emoglobina, come dicevamo prima, segue la legge di azione di massa: Hb+O2→HbO2. Se la concentrazione di ossigeno aumenta, questa reazione di legame ossigeno-emoglobina si sposta verso destra e aumenta la quantità di ossigeno legata all'emoglobina. Se la concentrazione di ossigeno diminuisce, la reazione si sposta verso sinistra e l'emoglobina rilascia una parte dell'ossigeno legato. A causa della legge di azione di massa, la quantità di ossigeno legato all'emoglobina dipende principalmente dalla PO2 del plasma che circonda i globuli rossi. Nei capillari polmonari l'O2 disciolto nel plasma diffonde negli eritrociti, ove si lega all'emoglobina. Il processo rimuove dal plasma l'ossigeno sciolto, favorendo la diffusione dell'ossigeno dagli alveoli. Quando il sangue arterioso raggiunge i tessuti, il processo di scambio avvenuto nei polmoni s'inverte. L'ossigeno disciolto diffonde fuori dai capillari nelle cellule, e la risultante riduzione di PO2 plasmatica altera l'equilibrio della reazione di legame ossigeno-emoglobina rimuovendo ossigeno al lato sinistro dell'equazione. L'equilibrio si sposta a sinistra per la legge di azione di massa e le molecole di emoglobina rilasciano i propri depositi di ossigeno.
La quantità di ossigeno legata all'emoglobina a una qualsiasi data PO2 è espressa in percentuale:(quantità di O2 legata / quantità massima che può essere legata) x 100 = saturazione percentuale dell'emoglobina. La percentuale di saturazione dell'emoglobina si riferisce alla percentuale di siti di legame disponibili che sono legati all'ossigeno. Se tutti i siti di legame di tutte le molecole di emoglobina sono occupati da molecole di ossigeno, il sangue è ossigenato al 100% o saturato dall'ossigeno. Se metà dei siti di legame disponibili trasportano l'ossigeno, l'emoglobina è saturata al 50% e così via. La relazione fisica tra PO2 e la quantità di ossigeno legato all'emoglobina può essere studiata in vitro. I ricercatori espongono campioni di emoglobina a diversi livelli di PO2 e determinano la quantità di O2 che si lega, attraverso le curve di dissociazione dell'ossiemoglobina (HbO2). La forma della curva di dissociazione dell'HbO2 riflette le proprietà della molecola di emoglobina e la sua affinità per l'ossigeno. Osservando la curva, si nota che al livello della normale PO2 alveolare e arteriosa (100 mmHg), il 98% dell'emoglobina è legata all'ossigeno. In altre parole, al passaggio del sangue attraverso i polmoni in condizioni normali, l'emoglobina si carica con quasi tutta la quantità di ossigeno che è in grado di legare. Si noti che la curva è quasi piatta (cioè la sua pendenza tende a zero) a livelli di PO2 maggiori di 100 mmHg. A questa pressione, variazioni anche ampie di PO2 determineranno solo piccole variazioni della percentuale di saturazione. Di fatto, l'emoglobina non raggiunge mai il 100% di saturazione. Tuttavia, quando la PO2 scende sotto 60 mmHg, la curva di dissociazione diviene più rapida. Questa pendenza ripida indica che una piccola diminuzione di PO2 determina un rilascio relativamente ampio di ossigeno. Comunque, il significato fisiologico della cura di dissociazione, ci fa notare come nel sangue che lascia i capillari con PO2 di 40 mmHg (la pressione normale delle cellule a riposo), l'emoglobina è ancora saturata al 75%, indicando che essa ha rilasciato alle cellule sono un quarto della quantità massima di ossigeno che può trasportare. L'ossigeno che resta legato funge da riserva che le cellule possono utilizzare quando il metabolismo aumenta. Di fatto, se i tessuti metabolicamente attivi utilizzano più ossigeno, la loro PO2 cellulare diminuisce ed è rilasciato più ossigeno dall'emoglobina a livello di queste cellule. A una PO2 di 20 mmHg (un valore medio del muscolo in esercizio), la percentuale di saturazione dell'emoglobina scende a circa il 35%. Con questo calo di PO2 di 200 mmHg (da 40 a 20), l'emoglobina rilascia una quota addizionale del 40% dell'ossigeno che è in grado di trasportare.
Bisogna ricordare, che qualsiasi elemento in grado di cambiare la configurazione proteica dell'emoglobina ne può modificare la capacità di legare l'ossigeno. Nell'uomo, i cambiamenti fisiologici di pH, PCO2 e temperatura del plasma modulano l'affinità di legame dell'emoglobina per l'ossigeno. Le modificazioni dell'affinità di legame si rispecchiano in modificazioni della forma della curva di dissociazione ossigeno-emoglobina. Un aumento della temperatura, un aumento della PCO2 o una riduzione del pH diminuiscono l'affinità delle molecole di emoglobina per l'ossigeno e spostano la curva di dissociazione verso destra. Ad esempio a livelli di PO2 di 40 mmHg (equivalenti a quelli di una cellula a riposo) e pH di 7,4 (normale), l'emoglobina è saturata per circa il 75%. Alla medesima PO2, se il pH scende a 7,2, diventando leggermente più acido, la percentuale di saturazione diminuisce fino a circa il 62%. Una situazione del genere può avvenire quando sotto sforzo fisico, le cellule sono spinte in anaerobiosi. Il metabolismo anaerobico delle fibre muscolari sotto sforzo produce acido lattico, che rilascia H+ nel citoplasma, facendo scendere il pH. Di conseguenza l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno diminuisce e la curva di dissociazione della HbO2 si sposta verso destra. Lo spostamento della curva di saturazione dell'emoglobina derivante dal cambiamento del pH è noto come effetto Bohr. Un altro fattore che influenza il legame ossigeno-emoglobina è il 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BFG), che è un composto derivato da un prodotto intermedio della glicolisi. Un aumento dei livelli di 2,3-BFG diminuisce l'affinità di legame dell'emoglobina e determina lo spostamento a destra della curva di dissociazione di HbO2. L'elevata altitudine e l'anemia sono due fra le più comuni situazioni che determinano un aumento della produzione di 2,3-BFG. Anche le variazioni della struttura dell'emoglobina ne modificano l'affinità di legame all'ossigeno. Per esempio, l'emoglobina fetale presenta isoforme gamma delle catene in due delle sue subunità. La presenza di catene gamma aumenta la capacità dell'emoglobina fetale di legare l'ossigeno nell'ambiente placentare, che è a basso tasso di ossigeno. La differente affinità di legame si riflette nella differente forma della cura di dissociazione di HbO2 fetale, che differisce da quella dell'adulto.
Il trasporto dei gas nel sangue, come sappiamo, include la rimozione dell'anidride carbonica e l'apporto di ossigeno alle cellule. La CO2 è un prodotto di scarto della respirazione cellulare ed è molto più solubile dell'ossigeno nei liquidi corporei, ma le cellule producono una quantità di anidride carbonica assai superiore a quella che può essere disciolta nel plasma. La rimozione della CO2 dell'organismo è molto importante, in quanto l'elevata PCO2 causa un disturbo del pH noto come acidosi. Valori estremi di pH interferiscono con i legami idrogeno delle proteine e possono denaturarle. Inoltre, livelli abnormi di PCO2 deprimono anche l'attività del sistema nervoso centrale, causando confusione, coma e persino la morte. Comunque, circa il 70% delle molecole di CO2 che entrano nel sangue sono trasportate ai polmoni sotto forma di ioni bicarbonato (HCO3-) disciolti nel plasma. La conversione di CO2 a HCO3- ha due finalità: (1) costituire un meccanismo ulteriore mediante il quale la CO2 può essere trasportata dalle cellule ai polmoni e (2) rendere disponibile il bicarbonato come tampone per gli acidi metabolici, aiutando quindi a mantenere la stabilità del pH corporeo. La rapida conversione da anidride carbonica in ioni bicarbonato dipende dalla presenza dell'anidrasi carbonica (AC), un enzima concentrato nei globuli rossi. La CO2 disciolta nel plasma diffonde nei globuli rossi, dove reagisce con l'acqua in presenza di anidrasi carbonica formando acido carbonico. Successivamente, quest'ultimo si dissocia in ione idrogeno e ione bicarbonato: CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3-. Per mantenere attiva la reazione, i prodotti (H+ e HCO3-) devono essere rimossi dal citoplasma del globulo rosso. Per effettuare questo scopo vi sono due meccanismi. Nel primo, il bicarbonato esce dal globulo rosso tramite una proteina antiporto. Questo processo di trasporto, definito scambio dei cloruri, scambia uno ione HCO3- con uno ione Cl-. Lo scambio uno a uno mantiene la neutralità elettrica, perciò il potenziale di membrana della cellula non è modificato. Il secondo meccanismo rimuove gli ioni H+ liberi dal citoplasma degli eritrociti. L'emoglobina entro gli eritrociti agisce come tampone e lega ioni idrogeno (H+ + Hb → HbH). L'effetto tampone dell'emoglobina sugli ioni H+ è una tappa importante che previene ampie variazioni del pH dell'organismo. Comunque, quando il sangue venoso raggiunge i polmoni, il processo verificatosi a livello dei capillari procede in senso inverso. La PCO2 alveolare è inferiore a quella del sangue venoso nei capillari polmonari. Perciò, CO2 diffonde secondo il proprio gradiente di pressione (ossia, fuori dal plasma ed entro gli alveoli) e la PCO2 plasmatica inizia a diminuire. La diminuzione della PCO2 permette alla CO2 disciolta di diffondere all'esterno dei globuli rossi. Quando i livelli di CO2 dei globuli rossi scendono, è alterato l'equilibrio della reazione CO2-HCO3-, con spostamento verso la produzione di CO2. La rimozione di CO2 fa sì che gli ioni H+ lascino le molecole di emoglobina, e lo scambio di cloruri si inverte: il Cl- ritorna nel plasma scambiandosi con HCO3-, che torna all'interno dei globuli rossi. Gli ioni HCO3- e quelli H+ appena rilasciati si riconvertono in acido carbonico, che a sua volta è convertito in acqua e CO2. La CO2 è quindi libera di diffondere fuori dai globuli rossi negli alveoli.
Riassumendo, quindi, tutto il trasporto combinato di CO2 e O2 nel sangue avremo: a livello alveolare l'ossigeno diffonde secondo gradiente di pressione, fluendo dagli alveoli nel plasma e quindi dal plasma ai globuli rossi. L'emoglobina lega le molecole di O2 aumentando la quantità di ossigeno che può essere trasportata verso le cellule. A livello cellulare il processo si inverte. Poiché la PO2 nelle cellule è minore che nel sangue arterioso, O2 diffonde dal plasma alle cellule. La diminuzione di PO2 plasmatica determina il rilascio di O2 dall'emoglobina. Contemporaneamente, l'anidride carbonica prodotta dal metabolismo aerobico lascia le cellule ed entra nel sangue, dissolvendosi nel plasma. Da qui, la CO2 entra nei globuli rossi dove per la maggior parte è convertita in ioni HCO3- e H+. Gli ioni bicarbonato tornano al plasma scambiandosi con Cl-, mentre H+ si lega all'emoglobina. Una frazione della CO2 che entra negli eritrociti si lega direttamente all'emoglobina (formando carbaminoemoglobina). Nei polmoni, il processo si inverte con la diffusione di CO2 fuori dai capillari polmonari ed entro gli alveoli.