Trasporto e attivazione dell’ossigeno nei metalli

Respirare significa, a livello molecolare, catturare ossigeno dai polmoni, trasportarlo nel sangue e cederlo ai tessuti. Tutto questo è affidato a due proteine a ferro, l’emoglobina e la mioglobina, e ad alcune notevoli varianti a rame. Capire come un metallo lega l’ossigeno senza esserne ossidato in modo irreversibile è uno dei capitoli più eleganti della chimica bioinorganica.

Il problema: legare l’ossigeno senza arrugginire

Un atomo di ferro libero esposto all’ossigeno si ossida rapidamente e in modo irreversibile, come avviene nella ruggine. La sfida biologica è legare l’ossigeno in modo reversibile, cedendolo quando serve. La soluzione è racchiudere il ferro nell’anello porfirinico dell’eme e proteggerlo con una tasca proteica idrofobica, che impedisce a due centri di ferro di incontrarsi e dare ossidazione irreversibile.

Mioglobina ed emoglobina: deposito e trasporto

La mioglobina è una singola catena con un eme: serve da deposito di ossigeno nel muscolo e mostra una curva di legame iperbolica, satura già a basse pressioni. L’emoglobina è fatta di quattro subunità e mostra una curva sigmoide: lega male l’ossigeno a bassa pressione e bene ad alta pressione. Questa forma a S è la chiave del trasporto efficiente.

La cooperatività e l’equazione di Hill

Nell’emoglobina il legame di una molecola di ossigeno facilita il legame delle successive: è la cooperatività. Il fenomeno si descrive con l’equazione di Hill, dove l’esponente n misura quanto le subunità “comunicano”:

θ = pⁿP₅₀ⁿ + pⁿ

Per la mioglobina n vale circa 1 (nessuna cooperatività); per l’emoglobina vale circa 2,8, segno di forte cooperatività pur avendo quattro siti. Strutturalmente, il legame dell’ossigeno tira il ferro nel piano della porfirina e questo movimento, trasmesso attraverso l’istidina, fa passare la proteina da una conformazione a bassa affinità a una ad alta affinità. È un esempio da manuale di come un evento chimico minuscolo, lo spostamento di un atomo di ferro di pochi decimi di angstrom, possa propagarsi a tutta la macromolecola e tradursi in un comportamento collettivo. Il ferro libero, fuori dalla porfirina, è più grande quando ha quattro elettroni spaiati; legando l’ossigeno cambia configurazione elettronica, si rimpicciolisce e scivola nel piano dell’anello, innescando proprio quel movimento che mette in comunicazione le quattro subunità.

Alternative al ferro: emocianina ed emeritrina

Non tutti gli organismi usano il ferro-eme. Molti molluschi e artropodi trasportano l’ossigeno con l’emocianina, che usa due ioni rame e diventa azzurra quando ossigenata. Alcuni invertebrati marini usano l’emeritrina, con due ferri ma senza porfirina. La diversità di soluzioni per uno stesso problema illustra la flessibilità della chimica di coordinazione applicata alla biologia. Ogni soluzione comporta un compromesso diverso tra affinità per l’ossigeno, reversibilità del legame e colore, e ciascun organismo adotta quella più adatta al proprio ambiente e metabolismo.

Effettori allosterici: come il corpo regola il rilascio

L’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno non è fissa: viene modulata da segnali chimici che agiscono lontano dal sito dell’eme, in modo allosterico. L’abbassamento del pH e l’aumento di anidride carbonica nei tessuti che lavorano intensamente riducono l’affinità e favoriscono il rilascio di ossigeno proprio dove serve di più: è l’effetto Bohr. Una piccola molecola presente nei globuli rossi, il difosfoglicerato, abbassa ulteriormente l’affinità, aiutando a cedere ossigeno ai tessuti.

Questi meccanismi spiegano fenomeni fisiologici concreti: in alta montagna l’organismo aumenta il difosfoglicerato per adattarsi all’aria rarefatta, mentre l’emoglobina fetale, con affinità maggiore di quella materna, riesce a sottrarre ossigeno al sangue della madre attraverso la placenta. Lo stesso effetto Bohr spiega perché un muscolo in piena attività, che produce acido lattico e anidride carbonica, riceva più ossigeno proprio quando ne ha più bisogno: l’ambiente locale più acido sposta l’equilibrio verso il rilascio. La regolazione allosterica trasforma una semplice proteina di trasporto in un sofisticato sistema che si adatta alle condizioni del momento, un esempio perfetto di come la chimica di coordinazione sia messa al servizio della fisiologia.

Domande frequenti

Perché il ferro dell’eme non si ossida come la ruggine?

Perché è racchiuso nell’anello porfirinico e in una tasca proteica idrofobica che impedisce a due ferri di reagire tra loro. Così l’ossigeno viene legato in modo reversibile invece di ossidare il metallo in modo permanente.

Che differenza c’è tra mioglobina ed emoglobina?

La mioglobina ha un solo eme e funge da deposito di ossigeno nel muscolo, con curva di legame iperbolica. L’emoglobina ha quattro subunità e trasporta l’ossigeno nel sangue con una curva sigmoide dovuta alla cooperatività.

Cosa significa che l’emoglobina lega l’ossigeno in modo cooperativo?

Significa che il legame di una molecola di ossigeno aumenta l’affinità per le successive. Ciò rende la proteina capace di caricare ossigeno dove abbonda (polmoni) e di cederlo dove scarseggia (tessuti).

Cosa misura l’equazione di Hill?

Descrive la frazione di siti occupati in funzione della pressione di ossigeno. Il suo esponente indica il grado di cooperatività: vale circa 1 per la mioglobina e circa 2,8 per l’emoglobina.

Perché il monossido di carbonio è tossico?

Perché si lega all’eme molto più saldamente dell’ossigeno, bloccando il sito di legame e impedendo il trasporto di ossigeno. Anche piccole concentrazioni nell’aria respirata possono quindi risultare estremamente pericolose per l’organismo.