I Gas Ematici : ossigeno ed anidride carbonica nel sangue

L’ossigeno e l’anidride carbonica sono i due principali gas ematici. Analizziamo in questo articolo questi due gas ematici e il meccanismo di trasporto dell’uno e del rilascio dell’altra.

La respirazione è quel processo fisiologico per il quale si scambiano i gas ematici tra i tessuti e l’ambiente esterno, attraverso la diffusione di ossigeno dalle lamelle branchiali al flusso ematico e la contemporanea cessione di anididride carbonica.

A livello dei tessuti si compie il processo opposto.

Ossigeno nel sangue

Il componente più importante dei gas ematici è l’ossigeno. Esso viene trasportato nel sangue attraverso due meccanismi distinti: la sua dissoluzione nel plasma ed il suo legame all’ emoglobina (Hb), una molecola proteica complessa costituita da quattro catene polipeptidiche separate chiamate sub-unità.

Questa proteina è presente all’interno dei globuli rossi, che rappresentano una delle varie cellule circolanti lungo il torrente sanguigno, ed è una proteina necessaria poichè, nonostante l’ossigeno si sciolga nell’acqua, la quantità normalmente solubilizzata sarebbe troppo bassa per le esigenze metaboliche di un animale di dimensioni superiori a 1 mm.

La presenza di questa proteina permette di svincolarsi dalla legge di Henry  e portare così l’ossigeno, in dose adeguata, a tutti i distretti del corpo.

Ad ogni molecola di emoglobina possono legarsi quattro molecole di ossigeno e quando l’ l’O₂  è legato ad essa, non è più solubile nel sangue e non ne influenza la pressione parziale aumentando così la capacità di carico di ossigeno nel sangue dalle 15 alle 25 volte.

Il legame dell’ossigeno all’emoglobina è reversibile e dipendente dalla pressione parziale di questo gas (PO₂): nelle branchie dove la PO₂ plasmatica aumenta per via della diffusione di ossigeno dalle lamelle, l’emoglobina si lega all’ossigeno; in periferia, dove l’ossigeno è impiegato nel metabolismo cellulare e la PO₂ plasmatica scende, l’emoglobina cede l’ossigeno ai tessuti.

Purtroppo anche il monossido di carbonio (CO), che è un gas velenoso, si lega con l’Hb ed un sangue completamente saturo di CO può trasportare solo 1/20° della normale quantità di O₂. Questo è il motivo per cui il CO può essere rapidamente letale inducendo nella Koi uno stato di incoscienza (il cervello riceve via via meno ossigeno) e quindi alla sua morte per anossia.

Gas ematici : La Curva di Dissociazione

La curva di dissociazione dell’emoglobina, descrive il rapporto tra la pressione parziale (PO₂) e la quantità di ossigeno legato ad essa.

Ma che cos’è la PO₂?  La pressione parziale di un gas (come l’ossigeno) all’interno di uno spazio limitato è definita come la pressione che questo gas avrebbe se occupasse da solo lo spazio considerato.

Per semplificare il concetto immaginiamo la pressione parziale come la quantità di ossigeno: ad una alta pressione parziale corrisponde una maggiore costrizione per l’ossigeno a vincolarsi all’Hb mentre, ad una bassa pressione parziale, si riscontra una minore quantità di ossigeno legato alla proteina.

Si tratta di un’aspetto assai importante se consideriamo che un gas tende a diffondere da un punto a maggior concentrazione (pressione parziale più alta) ad un punto a minor concentrazione (pressione parziale più bassa). Questa legge governa lo scambio dei gas a livello branchiale e tissutale.

Come potete notare nell’immagine, la curva non è lineare ma è rappresentabile con un sigma e l’attributo di una curva di dissociazione è la sua P50 (ovvero il 50% di saturazione di Hb) che differisce tra specie animali.

Ogni differente P50 presenta però un significato adattivo (cioè che favorisce l’adattamento all’ambiente) in quanto vi possono essere vantaggi sia per un alto P50 che altrettanti vantaggi in un basso P50; tutto dipende dallo stile di vita dell’animale e dal suo habitat.

Nell’esempio in immagine è graficamente visibile la differenza tra il P50 di una trota e quello di una carpa.

Una trota che vive in un’acqua con un basso tenore di ossigeno (tra 5 – 20 mmHg di pressione parziale) non riesce a caricare la propria Hb, pertanto i suoi tessuti soffocheranno ed essa morirà. L’ Hb della carpa ha invece una maggiore affinità per l’O₂   così che essa può caricare ossigeno ad una PO₂ inferiore e quindi consentire al pesce di vivere in un ambiente con un livello inferiore di O₂  disciolto.

Tuttavia sia l’emoglobina della trota, che quella della carpa, possono contenere la stessa quantità di ossigeno differenziandosi solo nel momento della completa carica. La curva di dissociazione della carpa indica che la sua Hb può caricarsi completamente ad una PO₂ di circa 20 mmHg (circa 1 mg/l di DO), mentre quella della trota ne richiede circa 50 mmHg (3 mg / l).

A questa considerazione nasce una domanda spontanea: ma perché l’emoglobina di una trota ha una così bassa affinità se ciò limita la quantità di ossigeno necessaria per poter vivere?

Sembrerebbe un controsenso, ma la natura sa quel che fa ed il vantaggio derivante da questo è che, ad un P50 ad una pressione maggiore ne risulta un maggiore rilascio di ossigeno a livello tissutale; pertanto, una trota ha una maggiore PO₂ nei suoi tessuti di quanto non possa fare una carpa.

E una alta PO₂ nei tessuti significa che l’ossigeno fluisce più rapidamente nei mitocondri cellulari e quindi è possibile avere un tasso più alto di metabolismo e di conseguenza la trota può mantenere un livello di attività superiore ad una carpa.

Attenzione però la PO₂ in acqua deve essere superiore alla P50 dell’ Hb perché è necessaria una certa pressione differenziale per spostare O₂ dall’acqua (attraverso le cellule dell’epitelio branchiale) nel plasma, poi nei globuli rossi ed infine nell’emoglobina. Ecco perché, nella realtà, le trote tendono a soffrire di ipossia in acqua contenente meno di 4 – 5 mg/l DO.

Effetto Bohr ed effetto Root

Per effetto Bohr s’intende il rilascio di molecole di ossigeno da parte dell’emoglobina quando questa è influenzata dalla concentrazione di CO₂ e H⁺ (pH).

L’effetto Root, presente nei pesci teleostei, è un’ amplificazione dell’effetto Bohr caratteristico dell’emoglobina dei mammiferi. Consiste nella diminuzione dell’affinità per l’ossigeno da parte dell’emoglobina a causa dell’aumento della concentrazione di CO₂ nel sangue e dell’abbassamento del pH, oppure in seguito all’innalzamento della temperatura.  Ad alta PCO₂, la capacità dell’Hb di legare l’ossigeno può essere ridotta fino al 50% ed a basso pH, l’affinità Hb per l’O₂ può ridursi di due o tre volte.

Nonostante possano essere descritti separatamente, gli effetti Root e Bohr, di solito, si verificano contemporaneamente e sono meccanismi biologici importanti per mantenere nei tessuti  una maggiore PO₂  di quanto potremmo avere senza tali effetti.

Il meccanismo funziona in questo modo: nel sangue a livello branchiale, sono presenti poca CO₂  e pochi acidi e la curva di dissociazione dell’emoglobina è lievemente mossa. Appena il sangue entra in circolazione nella profondità dei tessuti del pesce, l’anidride carbonica e l’acido lattico prodotto dal suo metabolismo scatenano il combinato effetto Root / Bohr e la conseguente ridotta capacità e decrescente affinità dell’Hb provoca l’aumento della PO₂.

Siccome il sangue è in continua circolazione tra la branchia e i tessuti (e ritorno), questi effetti combinati avvengono in continuazione con il risultato di avere una costante e maggiore PO₂ nei tessuti, rispetto appunto a quanto si avrebbe in assenza di tali effetti.

Questo meccanismo biologico funziona bene quando i pesci vivono in ambienti con alto contenuto di ossigeno disciolto e bassa anidride carbonica. In habitat invece a basso contenuto di ossigeno ed alto carbonio diossido, essi possono diventare controproducenti perché l’anidride carbonica impedisce lo scambio di ritorno a livello branchiale (la CO₂ provoca l’effetto Bohr nonché il Root perché reagisce con acqua per formare un debole acido).

Poichè la carpa si è evoluta adattandosi ad habitat di acque lente, dove un basso contenuto di ossigeno ed un’alta concentrazione di anidride carbonica sono la normalità, essa presenta nel suo sangue deboli effetti Root / Bohr.

Quindi “vigorosi slanci di nuoto” delle nostre Koi possono causare periodi di strenua acidosi del sangue che, contrastando il ritorno dello stesso alla branchia, rende difficoltoso all’emoglobina coprire il bisogno fisiologico di ossigeno.

Effetto della Temperatura

Ad ogni aumento di 1 grado centigrado nella temperatura del sangue, corrisponde una diminuzione in affinità eguale ad un aumento della P50 di 1 mmHg. Questo cambiamento è però poco significativo rispetto all’effetto Root e Bohr in quanto è adattivo, poiché muscoli attivi tendono a essere più caldi rispetto all’acqua alla branchia.

LA CO₂

L’anidride carbonica (nota anche come biossido di carbonio o diossido di carbonio) è molto più solubile in acqua rispetto all’ossigeno ed è reattiva con essa, formando acido carbonico (H₂CO₃).

L’anidride carbonica che reagisce con l’acqua per formare acido carbonico, non influenza la pressione parziale (PCO₂) ed inoltre l’acido carbonico si dissocia rapidamente sotto forma di H⁺ (ione idrogeno) e HCO₃– (ione bicarbonato). Per questi due motivi in acqua, ad una determinata pressione parziale, vi è presenza di più carbonio inorganico (CO₂ e H₂CO₃) che di ossigeno.

Il metabolismo aerobico del pesce produce una molecola di CO₂ per ogni molecola di O₂, così che la stessa quantità di CO₂, come di O₂ deve essere trasportata dal sangue e diffusa attraverso la branchia. Poiché la CO₂  è molto solubile e soprattutto reattiva, il sangue trasporta facilmente tutto ciò che è prodotto dal metabolismo a bassa pressione parziale (circa 2 mmHg), senza necessità di una molecola di trasporto specifica (Hb) che invece l’ossigeno richiederebbe. Questo non vuol dire che i globuli rossi e l’Hb non svolgono un ruolo nel trasporto di CO₂. Infatti I globuli rossi e le cellule epiteliali branchiali contengono un enzima, l’Anidrasi Carbonica (CA), che catalizza la reazione (in entrambe le direzioni) tra l’acqua e la CO₂.

L’ Anidrasi Carbonica nei globuli rossi del sangue venoso converte la stragrande maggioranza (95%) della CO₂ in bicarbonato mentre la restante, una piccola quantità, o è in soluzione o è legata all’ emoglobina. Quando il sangue raggiunge la branchia, l’effetto Haldane (una proprietà dell’emoglobina) causa la trasformazione rapida del bicarbonato in CO₂, aumentando la pressione parziale tuttavia, il gradiente di pressione parziale tra il sangue e l’aria, presente alla branchia per la CO₂ è ancora relativamente piccolo comparato con quello per l’ossigeno.

Oltre a CA e all’ effetto Haldane, vi è un ulteriore sistema di enzima, potenziato dall’ ATP che pompa attivamente lo ione bicarbonato fuori dalla cellula. Questo meccanismo è indipendente sia dalla pressione parziale che dai gradienti osmotici.

L’esportazione di bicarbonato (HCO₃^–) è accoppiata con un’importazione di cloruro (Cl^–).

Una volta che lo ione bicarbonato viene pompato fuori nell’acqua, gran parte di esso si dividerà di nuovo in CO₂ e H₂O e quindi, potenzialmente, abbassando il già piccolo gradiente di pressione per
l’anidride carbonica tra l’acqua ed il sangue. Tuttavia, poiché non vi è Anidrasi Carbonica in acqua, la reazione di ritorno a CO₂ è relativamente lenta così che molta dell’anidride carbonica formatasi l’acqua l’ha già passata fuori dalle branchie. In questo modo la pompa bicarbonato ha poco effetto sul gradiente dell’ anidride carbonica.

In sintesi:

una Koi deve esportare più CO₂  dal sangue alla branchia mentre importa O₂ nel sangue; ll problema è che l’elevata solubilità e reattività della CO₂ crea un bassissimo gradiente di pressione parziale rispetto a quello esistente per l’ O_{2 ,} e la sola diffusione non consente di spostare la CO₂ più rapidamente dell’O₂.

A questo sono indirizzati l’enzima CA e l’effetto Haldane che, aumentando temporaneamente il PCO₂ nel momento in cui il sangue entra nella branchia, fanno agire la pompa bicarbonato indipendentemente dalla pressione parziale.

Bibliografia utilizzata: “Anatomy and Physiology” by Richard J. Strange – pubblicato su ” Foundamentals of Ornamenthal Fish Health” ;  “Fish Biomechanism”  by  Robert Shadwick ;  “Fisiologia Veterinaria”  di  Maria Giovanna Clement