effetto Bohr

effetto Bohr

Esempio di interazione a livello molecolare tra due differenti leganti dell’emoglobina (Hb) che interagiscono con siti diversi (interazioni eterotropiche): l’ossigeno molecolare (O₂), che si lega agli emi, e gli ioni idrogeno (H⁺), che agiscono come effettori allosterici unendosi alla parte proteica della molecola. Il meccanismo molecolare dell’effetto Bohr (che fu studiato per la prima volta da Christian Bohr nel 1904) trova una valida descrizione nel modello a due stadi, o MWC (Monod-Wyman-Changeux) ovvero nella variazione strutturale a cui va incontro l’Hb passando dallo stato R (ad alta affinità per l’O₂) a quello T (a bassa affinità per l’O₂) e viceversa; questa è una transizione conformazionale che modifica l’ambiente molecolare locale di alcuni specifici residui di amminoacidi (i cosiddetti gruppi di Bohr) della proteina, alterandone così la forza acida (favorendo cioè una maggiore o una minore capacità di liberare H). Pertanto, se legandosi ai gruppi di Bohr gli H⁺ provenienti dall’ambiente circostante abbassano l’affinità per l’O₂ dell’Hb (in quanto, associandosi allo stato T a bassa affinità per l’O₂, lo stabilizzano), allora, per la legge di azione e reazione, l’associazione di O₂ agli emi deve far diminuire l’energia con cui vengono trattenuti gli H⁺ sui gruppi di Bohr; ciò sta a significare che la liberazione di O₂ da parte dell’Hb favorisce la sua combinazione con gli H⁺ e viceversa, in accordo al seguente schema:

H−Hb + 4O₂ ⇄ Hb(O₂)₄ + xH⁺,

dove x, che è il numero di H⁺ ceduti dall’Hb quando un suo tetramero passa dallo stato desossigenato alla completa saturazione con O₂, varia con la specie animale e con la presenza di effettori allosterici. Nel caso dell’uomo, per ogni 4 moli di O₂ legate da 1 mole di Hb tetramerica, vengono rilasciate 0,8 moli di H⁺ in una soluzione priva di sali, 2 moli di H⁺ in una soluzione di 0,1 moli/L di Cl⁻ e 2,8 moli di H⁺ in presenza di una concentrazione di 2,3-bisfosfoglicerato (il più potente effettore allosterico fisiologico) tale da saturare il suo sito sull’Hb. Da un punto fisiologico, l’effetto Bohr è importante per l’espletamento di due attività: favorire il trasporto di anidride carbonica (CO₂); fornire una maggiore quantità di O₂ ai muscoli durante la loro attività. Nei polmoni, dove la concentrazione di O₂ è molto elevata, l’Hb si lega con l’O₂ e di conseguenza cede H⁺ all’ambiente rendendo il sangue più acido; allo stesso tempo, però, questi stessi H⁺ favoriscono la liberazione di CO₂ dal bicarbonato (HCO₃⁻) sciolto nel sangue, secondo la reazione reversibile: HCO₃⁻+H⁺⇄ CO₂+H₂O, cosicché l’accoppiamento dei due processi mantiene l’acidità del sangue costante. Nei capillari, dove il livello di O₂ è basso, gli H⁺ generati dalla produzione di bicarbonato a partire dalla CO₂ (si veda l’equazione precedente sono catturati dall’Hb che è indotta così a cedere l’O₂; in tal modo, l’allontanamento di H⁺ dall’ambiente prodotto dall’Hb stimola la formazione di HCO₃⁻ e allo stesso tempo facilita il trasporto di CO₂ ai polmoni (sotto forma di HCO₃⁻). Durante la loro attività, vengono liberate nei muscoli sostanze acide che fanno aumentare in breve tempo la concentrazione di H⁺ nel sangue che li attraversa del 50% (in termini di pH, da 7,4 a 7,2): in queste condizioni, l’Hb libera in media il 10% in più di O₂ (si veda l’equazione precedente).

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