Para poder hablar de una manera comprensible de la hemoglobina (Hb), es útil tratar primero con la mioglobina (Mb) que es muy similar a la hemoglobina pero es mucho más simple. Entre la hemoglobina y la mioglobina hay relaciones de parentesco estrictas: ambas son proteínas conjugadas y su grupo protésico (parte no proteica) es el grupo hemo .
La mioglobina es una proteína globular que consiste en una sola cadena de aproximadamente ciento cincuenta aminoácidos (depende del organismo) y su peso molecular es de aproximadamente 18 Kd.
Como se dijo, está dotado de un grupo hemo que se inserta en una porción hidrófoba (o lipófila) de la proteína, que consiste en pliegues relacionados con las estructuras de hélice α de las proteínas fibrosas.
La mioglobina consiste principalmente en segmentos de hélices α, presentes en número de ocho y consiste casi exclusivamente en residuos no polares (leucina, valina, metionina y fenilalanina) mientras que los residuos polares están prácticamente ausentes (ácido aspártico, ácido glutámico, lisina y arginina); los únicos residuos polares son dos histidinas, que desempeñan un papel fundamental en el ataque del oxígeno al grupo hemo.
El grupo hemo es un grupo cromóforo (se absorbe en lo visible) y es el grupo funcional de la mioglobina.
Ver también: hemoglobina glucosilada - hemoglobina en la orina
Un poco de química
El enlace entre la protoporfirina y el hierro es un enlace típico de los llamados compuestos de coordinación que son compuestos químicos en los que un átomo central (o ion) forma enlaces con otras especies químicas en un número mayor que su número de oxidación (carga eléctrica). En el caso del hemo, estos enlaces son reversibles y débiles.
El número de coordinación (número de enlaces de coordinación) del hierro es seis: puede haber seis moléculas alrededor del hierro que comparten los electrones de enlace.
Para formar un compuesto de coordinación, se necesitan dos órbitas con la orientación correcta: una capaz de "comprar" electrones y la otra capaz de donarlos
En el hemo, el hierro forma cuatro enlaces planos con los cuatro átomos de nitrógeno ubicados en el centro del anillo de proto-porfirina y un quinto enlace con un nitrógeno de la histidina proximal; El hierro tiene el sexto enlace de coordinación libre y puede unirse al oxígeno.
Cuando el hierro está en forma de un ion libre, sus orbitales de tipo d tienen la misma energía; en la mioglobina, el ion hierro está unido a la protoporfirina y la histidina: estas especies alteran magnéticamente la órbita d del hierro; La extensión de la perturbación será diferente para los diversos orbitales d dependiendo de su orientación espacial y la de las especies perturbadoras. Dado que la energía total de los orbitales debe ser constante, la perturbación provoca una separación energética entre los diversos orbitales: la energía adquirida por algunos orbitales es equivalente a la energía perdida por los demás.
Si la separación que se produce entre los orbitales no es muy grande, es preferible una disposición electrónica de alto giro: los electrones de enlace intentan organizar un giro paralelo en varios subniveles posibles (multiplicidad máxima); si, por otro lado, la perturbación es muy fuerte y hay una gran separación entre los orbitales, puede ser más conveniente emparejar los electrones de enlace en los orbitales de menor energía (bajo giro).
Cuando el hierro se une al oxígeno, la molécula adopta una disposición de bajo giro, mientras que cuando el hierro tiene el sexto enlace de coordinación libre, la molécula dispone de un alto giro.
Gracias a esta diferencia en el giro, a través de un análisis espectral de la mioglobina, podemos entender si el oxígeno está unido (MbO2) o no (Mb).
La mioglobina es una proteína típica de los músculos (pero no se encuentra solo en los músculos).
La mioglobina se extrae del cachalote en el que está presente en grandes cantidades y luego se purifica.
Los cetáceos respiran como los seres humanos: los pulmones deben absorber aire a través del proceso respiratorio; el cachalote debe traer la mayor cantidad de oxígeno posible a los músculos que pueden acumular oxígeno al unirlo a la mioglobina presente en ellos; el oxígeno se libera lentamente cuando el cetáceo se sumerge debido a que su metabolismo requiere oxígeno: cuanto mayor es la cantidad de oxígeno que el cachalote puede absorber, mayor es el oxígeno disponible durante la inmersión.
Hacer más o menos carne roja es el contenido de hemoproteínas (es el hemo que hace que la carne sea roja).
La hemoglobina tiene muchas analogías estructurales con la mioglobina y es capaz de unirse al oxígeno molecular de manera reversible; pero, mientras que la mioglobina se limita a los músculos y tejidos periféricos en general, la hemoglobina se encuentra en eritrocitos o glóbulos rojos (son pseudocélulas, es decir, no son células verdaderas) que constituyen el 40% de la sangre.
La hemoglobina es un tetrametro, es decir, se compone de cuatro cadenas polipeptídicas, cada una con un grupo hemo e idénticas dos por dos (en un ser humano hay dos cadenas alfa y dos cadenas beta).
La función principal de la hemoglobina es el transporte de oxígeno ; Otra función de la sangre en la que participa la hemoglobina es el transporte de sustancias a los tejidos.
En la ruta de los pulmones (rica en oxígeno) a los tejidos, la hemoglobina transporta oxígeno (al mismo tiempo que las otras sustancias llegan a los tejidos), mientras que en la ruta inversa, trae consigo los desechos recolectados de los tejidos, especialmente el dióxido de carbono producido en el metabolismo.
En el desarrollo de un ser humano hay genes que se expresan solo durante un cierto período de tiempo; Por este motivo tenemos diferentes hemoglobinas: fetales, embrionarias, del hombre adulto.
Las cadenas que forman estas diferentes hemoglobinas tienen estructuras diferentes pero con similitudes, de hecho, la función que realizan es más o menos la misma.
Una explicación de la presencia de varias cadenas diferentes es la siguiente: durante el proceso evolutivo de los organismos, la hemoglobina también ha evolucionado, especializándose en el transporte de oxígeno desde áreas ricas en áreas deficientes. Al comienzo de la cadena evolutiva, la hemoglobina transportaba oxígeno a pequeños organismos; En el curso de la evolución, los organismos han alcanzado dimensiones más grandes, por lo tanto, la hemoglobina ha cambiado para poder transportar oxígeno en áreas más alejadas del punto en que era rica; Para ello, se han codificado nuevas estructuras de las cadenas que forman la hemoglobina en el curso del proceso evolutivo.
La mioglobina se une al oxígeno incluso a presiones modestas; en los tejidos periféricos hay una presión (PO2) de aproximadamente 30 mmHg: la mioglobina a esta presión no libera oxígeno, por lo que sería ineficaz como transportador de oxígeno. La hemoglobina, por otro lado, tiene un comportamiento más elástico: se une al oxígeno a altas presiones y lo libera cuando la presión disminuye.
Cuando una proteína es funcionalmente activa, puede cambiar un poco su forma; por ejemplo, la mioglobina oxigenada tiene una forma diferente a la mioglobina no oxigenada y esta mutación no afecta a las vecinas.
El discurso es diferente en el caso de proteínas asociadas como la hemoglobina: cuando una cadena se oxigena, se induce a cambiar su forma, pero esta modificación es tridimensional y, por lo tanto, las otras cadenas del tetrametro también se ven afectadas. El hecho de que las cadenas se asocian mutuamente, hace pensar que la modificación de uno afecta a los otros vecinos, aunque sea en una medida diferente; cuando una cadena se oxigena, las otras cadenas del tetrametro adoptan una "actitud menos hostil" hacia el oxígeno: la dificultad con que se oxigena una cadena disminuye a medida que las cadenas cercanas a ella se oxigenan a su vez. El mismo discurso es válido para la desoxigenación.
La estructura cuaternaria de la desoxihemoglobina toma el nombre de forma T (tesa), mientras que la de la oxihemoglobina se llama forma R (liberada); en el estado tenso hay una serie de interacciones electrostáticas bastante fuertes entre los aminoácidos y los aminoácidos básicos que conducen a una estructura rígida de desoxihemoglobina (esta es la razón por la "forma tensa"), mientras que cuando el oxígeno está unido, la magnitud de estos Las interacciones disminuyen (es por esto que la "forma liberada"). Además, en ausencia de oxígeno, la carga de histidina (ver estructura) se estabiliza por la carga opuesta de ácido aspártico, mientras que, en presencia de oxígeno, hay una tendencia de parte de la proteína a perder un protón; todo esto significa que la hemoglobina oxigenada es un ácido más fuerte que la hemoglobina desoxigenada: efecto bohr .
Según el pH, el grupo hemo se une más o menos fácilmente al oxígeno: en un ambiente ácido, la hemoglobina libera oxígeno más fácilmente (la forma tensa es estable) mientras que, en un ambiente básico, el enlace con el oxígeno es mas fuerte
Cada hemoglobina libera 0.7 protones por mol de oxígeno entrante (O2).
El efecto Bohr permite que la hemoglobina mejore su capacidad para transportar oxígeno.
La hemoglobina que hace el viaje de los pulmones a los tejidos debe equilibrarse según la presión, el pH y la temperatura.
Veamos el efecto de la temperatura .
La temperatura en los alvéolos pulmonares es aproximadamente 1-1.5 ° C más baja que la temperatura externa, mientras que en los músculos la temperatura es aproximadamente 36.5-37 ° C; a medida que aumenta la temperatura, el factor de saturación disminuye (a la misma presión): esto sucede porque aumenta la energía cinética y se favorece la disociación.
Hay otros factores que pueden afectar la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno, uno de ellos es la concentración de 2, 3 bifosfoglicerato .
El 2, 3 bifosfoglicerato es un metabólico presente en los eritrocitos en una concentración de 4-5 mM (en ninguna otra parte del cuerpo está presente en una concentración tan alta).
A pH fisiológico, el 2, 3 bifosfoglicerato es desprotonato y tiene cinco cargas negativas; Está encajado entre las dos cadenas beta de hemoglobina porque estas cadenas tienen una alta concentración de cargas positivas. Las interacciones electrostáticas entre las cadenas beta y el 2, 3 bisfosfoglicerato dan una cierta rigidez al sistema: se obtiene una estructura tensa que tiene poca afinidad por el oxígeno; Durante la oxigenación, entonces, se expulsa el 2, 3 bisfosfoglicerato.
En los eritrocitos hay un aparato especial que convierte el 1, 3 bisfosfoglicerato (producido por el metabolismo) en 2, 3 bisfosfoglicerato para que alcance una concentración de 4-5 mM y, por lo tanto, la hemoglobina es capaz de intercambiar la Oxigeno en los tejidos.
La hemoglobina que llega a un tejido está en estado liberado (vinculada al oxígeno), pero cerca del tejido, está carboxilada y pasa a un estado tenso: la proteína en este estado, tiene menos tendencia a unirse con el oxígeno. en comparación con el estado liberado, por lo tanto, la hemoglobina libera oxígeno al tejido; además, por reacción entre el agua y el dióxido de carbono, hay una producción de iones H +, y luego más oxígeno para el efecto bohr.
El dióxido de carbono se difunde en los eritrocitos que pasan a través de la membrana plasmática; ya que los eritrocitos constituyen aproximadamente el 40% de la sangre, debemos esperar que solo el 40% del dióxido de carbono que se propaga desde los tejidos entre en ellos, en realidad el 90% del dióxido de carbono ingrese a los eritrocitos porque contienen una enzima que se convierte El dióxido de carbono en el ácido carbónico hace que la concentración estacionaria de dióxido de carbono en los eritrocitos sea baja y, por lo tanto, la velocidad de entrada sea alta.
Otro fenómeno que ocurre cuando un eritrocito alcanza un tejido es el siguiente: por gradiente, el HCO3- (derivado de dióxido de carbono) sale del eritrocito y, para equilibrar la salida de una carga negativa, tenemos la Entrada de cloruro que provoca un aumento de la presión osmótica: para compensar esta variación, también se introduce agua que provoca una inflamación del eritrocito (efecto HAMBURGER). El fenómeno opuesto ocurre cuando un eritrocito alcanza los alvéolos pulmonares: hay una deflación de los eritrocitos (efecto HALDANE). Por lo tanto, los eritrocitos venosos (dirigidos a los pulmones) son más redondos que los arteriales.
