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Bienvenidos. En esta clase, vamos a hablar sobre la hemoglobina: su síntesis, estructura, función, variantes y metabolitos.
La hemoglobina es el componente mayoritario de los eritrocitos maduros, y su función principal es la oxigenación de los tejidos. El color característico de la sangre, rojo, es debido al contenido de hemoglobina de cada eritrocito. La función de oxigenación la realiza gracias a su capacidad para fijar reversiblemente el oxígeno molecular, que de esta forma es transportado desde los pulmones, donde se halla elevada concentración, hasta los tejidos.
Asimismo, también contribuye al transporte de dióxido de carbono desde los tejidos a los pulmones y a la regulación del pH sanguíneo. Constituye el 95% del peso seco del eritrocito y es una proteína relativamente compleja con una fórmula también compleja. El eritrocito, por lo tanto, contiene hemoglobina y enzimas antioxidantes y sustancias reductoras como el Nat pH, los hidrogeniones y el gluta, que mantienen un ambiente celular reductor y así cumplir con su función de transportar oxígeno, una molécula altamente oxidante.
La particular función de transportar oxígeno es debida a su estructura de cuatro cadenas proteicas unidas por interacciones débiles y a su vez con la unión fuerte de cada una al grupo hemo. El catabolismo genera importantes pigmentos como son la bilirubina y los pigmentos biliares, que confieren color característico a las heces y a la orina, y cuya presentación es importante en patologías hemolíticas y hepáticas.
Como proteína conjugada o heteroproteína, la hemoglobina posee una parte no aminoacídica correspondiente al grupo prostético, que se conoce con el nombre de hemo, el cual está formado por la unión de una protoporfirina 9 y un átomo de hierro en estado ferroso. La porción proteica corresponde a las cadenas globina, siendo cada una de ellas una cadena proteica individual globular que se unen en un tetrámero integrado por cuatro subunidades iguales, dos a dos.
Las cadenas globinas de la hemoglobina humana se denominan en base a las letras del alfabeto griego: alfa, beta, gamma, delta, épsilon y zeta. De sus combinaciones, siempre de dos en dos, se van a estructurar las diferentes formas de hemoglobinas que se expresan diferencialmente en los periodos embrionario, fetal, neonatal y adulto.
Existen tres condiciones imprescindibles que deben ser satisfechas para que la globina funcione de forma adecuada: el libre acceso a las capas de solvatación del agua en la superficie de la globina para mantenerla en solución. Para ello, el exterior molecular debe ser rico en cadenas laterales hidrofílicas polares. El interior de la molécula debe seguir siendo predominantemente hidrofóbico, resultado de su alto contenido en aminoácidos apolares. La molécula de globina debe mantenerse lo suficientemente rígida, lo que se logra con una proporción extraordinariamente alta de aminoácidos que forman una estructura secundaria de tipo cadenas alfa-hélices.
La globina es codificada por genes situados en los cromosomas 16 y 11. La globina está formada en su mayoría por dos cadenas alfa y dos cadenas no alfa. Forman dímeros y estos forman tetrámeros. En condiciones normales, se forman siete variantes de la hemoglobina. Tres de ellas son hemoglobinas embrionarias transitorias con gran afinidad por el oxígeno: Gower 1, Gower 2 y Portland 1. Las hemoglobinas fetales F0 y F1, presentes al nacimiento en una proporción de 7 a 1 respectivamente, y son las hemoglobinas más importantes del feto y el neonato, entre un 65% y un 95% del total, produciéndose solamente como trazas en la vida adulta.
En condiciones normales, menos del 1%. En ciertas situaciones donde la expresión o función de la hemoglobina adulta normal falla, que pueden ser condiciones adquiridas o hereditarias, se observa un aumento de la hemoglobina fetal y fundamentalmente en base a F1. Las hemoglobinas encontradas después del nacimiento son la hemoglobina A0 y la hemoglobina A2. La hemoglobina A0 representa aproximadamente el 97% de la hemoglobina del adulto. La hemoglobina A2 es una pequeña fracción que existe en los individuos normales en una cantidad de aproximadamente 2,5%.
El hemo es el grupo prostético de la hemoglobina, constituido por una ferro protoporfirina 9. Esto es un esqueleto formado por cuatro anillos pirrólicos unidos covalentemente a una estructura circular heterocíclica denominada protoporfirina 9, rodeando a un átomo central de hierro ferroso pentavalente en su forma desoxigenada, unido a los cuatro nitrógenos de la protoporfirina 9 y un nitrógeno de la histidina proximal. En su forma exógena, el grupo hemo está formado por una estructura de protoporfirina 9 + hierro ferroso, unido por cuatro enlaces covalentes a los nitrógenos pirrónicos. En la eso se observa en la imagen que está a la izquierda. La imagen B a la derecha.
El grupo hemo muestra cómo el grupo hemo está inserto en las cadenas globinas de manera coordinada con la histidina proximal F8, uniéndose covalentemente con un nitrógeno del grupo imidazol. El átomo de hierro en el grupo hemo puede existir en dos estados de oxidación: el hierro ferroso (hierro 2+) o hierro férrico (hierro 3+). El estado ferroso es esencial para la unión al oxígeno. Cuando el hierro está en estado ferroso, puede unirse reversiblemente a una molécula de oxígeno. Este proceso de unión es la clave del transporte de oxígeno por la hemoglobina. Si el hierro se oxida a su estado férrico, la hemoglobina pierde su capacidad de transportar oxígeno, formando metahemoglobina, que es una forma inactiva.
La mayor parte de los tejidos pueden sintetizar hemo. Sin embargo, el 85% del hemo se sintetiza en la médula ósea eritropoyética, mientras que la mayor parte del resto ocurre en el hígado. En el hígado, la mayoría del hemo sintetizado se incorpora al citocromo P450 microsomal, que realiza la importante biotransformación de una gran variedad de químicos: carcinógenos, esteroides, vitaminas, ácidos grasos y prostaglandinas.
El grupo hemo es sintetizado en los eritroblastos a partir de la glicina y la succinil coenzima A. La vía de biosíntesis del hemo involucra ocho enzimas. Cuatro de ellas son citoplasmáticas y las otras cuatro mitocondriales. Es lo que se observa en la imagen de la diapositiva. Se pueden mencionar ocho hitos bioquímicos al respecto: uno es la formación del anillo monopirolíco, la formación del porfobilinógeno, el ensamblaje de cuatro anillos monopirolícos a un tetrapirrol lineal, la ciclación asimétrica del tetrapirrol, formación de uroporfirinógeno tipo 3, formación de protoporfirinógeno 9, formación de protoporfirina 9 e inserción del hierro a la protoporfirina 9. El primer, sexto, séptimo y octavo pasos ocurren en la mitocondria y el resto en el citosol.
Vamos a desglosar estos mecanismos para poder entender cuáles son los pasos. El primer paso sucede en la mitocondria, que es la formación del anillo monopirolíco. Se inicia en la mitocondria con la condensación de glicina con succinil coenzima A para formar el ácido delta-5-aminolevulínico, reacción que va a ser catalizada por la enzima aminolevulínico sintasa 2. La aminolevulínico sintasa 2 es un homodímero que reside en la matriz de la membrana mitocondrial interna de los precursores eritroides, con absoluta especificidad por la glicina, pero con baja afinidad. La enzima es la enzima limitante de la síntesis de hemo y, por lo tanto, la enzima más altamente regulada de la vía. El segundo sustrato, el succinil coenzima A, es un intermediario del ciclo de Krebs y es el que provee la energía para la compleja vía de biosíntesis de porfirina. La enzima requiere de piridoxal fosfato (vitamina B6) como cofactor. El hemo regula a la aminolevulínico sintasa 2 por disminución de la vida media del ARN mensajero, bloqueo de la traducción a través del bloqueo de la translocación del precursor proteico de la enzima aminolevulínico de sintasa dentro de la mitocondria e induce su degradación. Se sabe que el ARN mensajero de esta enzima contiene un elemento de respuesta al hierro (IRE, en las siglas en inglés) en el sector 5' de la molécula de ADN, donde una proteína de unión a este elemento de respuesta al hierro (IRP) se une frente a un déficit de hierro, impidiendo la síntesis de aminolevulínico sintasa. La deficiencia genética de esta enzima genera anemia sideroblástica ligada al sexo, ya que su ubicación genómica es en el cromosoma X. La otra isoenzima, la aminolevulínico sintasa 1, es expresada ubicuamente en todas las células del organismo, siendo especialmente importante en hígado, y está codificada en el cromosoma 3.
El segundo paso va a suceder en el citosol, que es la formación del porfobilinógeno a través de la condensación de dos moléculas de ácido aminolevulínico en un paso catalizado por la ácido aminolevulínico deshidratasa o PBG sintasa. En el citosol, está compuesta por ocho subunidades de 36 kDa y contiene cuatro sitios catalíticos. La enzima, en este caso, requiere zinc (un átomo por subunidad) y grupos sulfhidrilos intactos para la actividad, por lo que puede ser inhibida por metales pesados como el plomo. Es la enzima más abundante en la síntesis del hemo y, por lo tanto, es incapaz de jugar un rol regulador.
El siguiente paso, o tercer paso, sucede también en el citosol y es el ensamblaje de cuatro porfobilinógenos en un tetrapirrol lineal. Los dos pasos enzimáticos siguientes convierten a cuatro moléculas de porfobilinógeno en un tetrapirrol lineal, el hidroximetilbilano, a través de la enzima llamada porfobilinógeno desaminasa o hidroximetilbilano sintasa, o también uroporfirinógeno I sintasa. Tiene muchos nombres. La enzima en humanos está codificada en el gen PBGD y tiene dos isoformas, y una es exclusiva de las células eritroides.
El cuarto paso también sucede en el citosol y es la ciclación asimétrica del tetrapirrol. A continuación, se realiza la ciclación del hidroximetilbilano en el citosol para formar una estructura de anillo llamada uroporfirinógeno tipo 3, de carácter asimétrico. Esto es catalizado por la enzima uroporfirinógeno 3 cosintasa, la cual impide que el hidroximetilbilano cicle espontáneamente a un porfirinógeno tipo 1 de estructura simétrica. Esta enzima, uroporfirinógeno sintasa, cataliza la única reacción en que el anillo es invertido y la cadena es ciclada, proporcionando el isómero tipo 3. La deficiencia homocigota de la enzima uroporfirinógeno produce la porfiria eritropoyética congénita o enfermedad de Günther, acumulándose las porfirinas tipo 1.
El quinto paso es la formación del coproporfirinógeno tipo 3, que ocurre en el citosol con la descarboxilación del uroporfirinógeno tipo 3, formando el coproporfirinógeno tipo 3. Esto es catalizado por la uroporfirinógeno descarboxilasa. Esta enzima cataliza la descarboxilación secuencial de cuatro moléculas de acetato de las cadenas laterales del uroporfirinógeno 3, formando el coproporfirinógeno 3, que posee ahora cuatro grupos metil. Esta enzima no requiere cofactor, pero sí necesita grupos tioles para la actividad enzimática. Su deficiencia genética heterocigota genera la porfiria cutánea tardía, mientras que la homocigota...
Este paso, la descarboxilación oxidativa de dos de los cuatro grupos propiónico en las posiciones 2 y 4 del coproporfirinógeno, deja dos nuevos grupos vinílicos libres. La coproporfirinógeno oxidasa está localizada en el espacio intramembranoso mitocondrial, probablemente en asociación con la cara externa de la membrana interna, pero existe poca información sobre el mecanismo por el cual este atraviesa la membrana externa. La coproporfiria hereditaria es producida por la deficiencia genética parcial de coproporfirinógeno oxidasa.
El séptimo paso, que sucede en la mitocondria, es la formación de la protoporfirina 9. Se produce por la acción de la protoporfirinógeno oxidasa. Esta es una proteína integral de la membrana mitocondrial interna con el sitio activo en el espacio intramembranoso. La protoporfirinógeno oxidasa cataliza el último paso en la vía del hemo, removiendo seis átomos de hidrógeno del anillo porfirinógeno, transformándolo a una porfirina oxidada. La porfiria variegata es causada por el déficit parcial de esta enzima.
El octavo y último paso sucede en el citosol y es la inserción del hierro a la protoporfirina 9. El paso final incluye la inserción de un átomo de hierro en la protoporfirina 9 por la ferroquelatasa. Esta etapa ocurre en la mitocondria. Esta enzima, también llamada hemo sintasa o protoferriasa, tiene dos sustratos: la protoporfirina 9 y el hierro férrico, y dos productos: el hemo tipo B y dos hidrogeniones. La proteína madura está sujeta a la membrana mitocondrial interna, con el sitio activo localizado en la matriz. La enzima activa es probablemente un monómero, aunque se ha sugerido que funciona como un homodímero. La protoporfiria eritropoyética se debe a un déficit parcial de la ferroquelatasa.
Las cadenas alfa y beta de la globina están codificadas por loci genéticos independientes, cuya expresión está regulada de forma coordinada para asegurar una producción equivalente de ambos polipéptidos. Los seis tipos de cadenas globínicas que existen (alfa, beta, gamma, delta, épsilon y zeta) varían según los organismos y se expresan en distintas etapas del desarrollo, por lo que es necesario un mínimo de seis genes estructuralmente diferentes en el hombre. Estas cadenas globínicas se dividen en dos grupos, lo que refleja la organización de los distintos genes: cadenas de tipo alfa (que son la zeta y la alfa) y cadenas de tipo beta (beta, gamma, delta y épsilon).
La síntesis de estas cadenas globínicas está regulada por dos familias de genes localizados en agrupaciones o clústers que se localizan en diferentes cromosomas. La agrupación de genes que codifican para las cadenas alfa, el clúster alfa-globina, se halla en el cromosoma 16, y la agrupación de genes que codifican para las cadenas beta, el clúster beta-globina, en el cromosoma 11.
El mecanismo implicado en la expresión génica y síntesis proteica en los organismos eucariotas se ha establecido con mucho detalle. La expresión de las diferentes cadenas globínicas en las células eritroides, al igual que cualquier otra proteína, incluye los siguientes pasos: la transcripción, el procesamiento o maduración del ARN mensajero, el transporte del ARN mensajero desde el núcleo hasta el citoplasma y la traducción del ARN maduro a proteína por acción de los ribosomas.
En la conformación definitiva de la molécula de hemoglobina intervienen también otras tres etapas: liberación del aminoácido N-terminal (metionina), ensamblaje o unión del grupo hemo a cada globina y formación de dímeros de globina-hemo, y unión de dímeros globina-hemo para constituir la molécula definitiva de hemoglobina.
La hemoglobina, como dijimos, es una proteína con estructura cuaternaria. ¿Qué quiere decir esto? Que está constituida por cuatro cadenas polipeptídicas: dos alfa y dos beta. Las cadenas polipeptídicas alfa contienen 141 aminoácidos y las no alfa (que son la beta, la gamma y la delta) 146 aminoácidos, y difieren en la secuencia de aminoácidos entre ellas. Se conoce desde hace décadas la estructura primaria de las cuatro cadenas de hemoglobina normales.
La estructura secundaria es muy similar. Cada una exhibe ocho segmentos helicoidales, designados con las letras A a la H, y entre ellos se encuentran siete segmentos no helicoidales. Cada cadena alfa está en contacto con las cadenas beta, sin embargo, existen pocas interacciones entre las dos cadenas alfa o entre las dos cadenas beta entre sí. Las cuatro cadenas polipeptídicas de la hemoglobina contienen cada una un grupo prostético, el hemo, un tetrapirrol cíclico que le proporciona el color rojo a los hematíes. Un grupo prostético es una porción no polipeptídica que forma parte de una proteína en su estado funcional.
El átomo de hierro se encuentra en estado de oxidación ferroso, como ya mencionamos, y puede formar cinco o seis enlaces de coordinación, dependiendo de la unión del oxígeno a la hemoglobina. En estos casos, vamos a tener la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina. Cuatro de estos enlaces se producen con los nitrógenos pirrólicos de la porfirina en un plano horizontal. El quinto enlace de coordinación se realiza con el nitrógeno del imidazol de una histidina denominada histidina proximal, y finalmente, el sexto enlace del átomo ferroso es con el oxígeno, que además está unido a un segundo imidazol de una histidina denominada histidina distal. Tanto el quinto como el sexto enlace se encuentran en un plano perpendicular al plano del anillo de porfirina. La parte porfirínica está dentro de una bolsa hidrofóbica que se forma en cada una de las cadenas polipeptídicas.
Vamos a hablar sobre las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de la hemoglobina. De los 20 aminoácidos proteicos codificados en el genoma, la hemoglobina incorpora en su estructura 17 de ellos. Como se mencionó, hacia el exterior se agrupan los residuos aminoacídicos con carácter más polar, mientras que hacia el interior y rodeando el grupo hemo, los residuos aminoacídicos más numerosos son los hidrófobos: alanina, valina y leucina, siendo una excepción destacable el aminoácido básico histidina, cuyo grupo imidazol es responsable de la forma importante de las propiedades funcionales de la molécula, como el poder tampón. La histidina tiene un pKa de 6,0, lo que le confiere alta capacidad tamponante a un pH fisiológico de 7,4 y, por otro lado, el efecto Bohr, donde la afinidad del grupo hemo por el CO2 se ve disminuida por la unión de protones (hidrógeno) de la cadena globina, facilitando la entrega de aquel desde la hemoglobina en los vasos capilares.
Muchas posiciones en las diferentes cadenas de globina están ocupadas por el mismo aminoácido. Este fenómeno se conoce como homología de secuencia, dado un origen ancestral genético común, siendo muy importante para el funcionamiento de la molécula, ya que secuencias altamente conservadas suelen ser funcionalmente claves. Por eso, cuando hablamos de estructura primaria, vamos a hablar de un esqueleto formado por la cadena polipeptídica, donde los aminoácidos hidrofílicos se dispondrán en la superficie externa de la molécula y los hidrofóbicos hacia el interior. Y aquí tenemos los residuos aminoacídicos permanentes en la hemoglobina que son la histidina, la fenilalanina, la leucina, la glicina, prolina, tirosina, treonina y lisina.
La cadena alfa-globina humana consiste en 142 residuos de aminoácidos en secuencia lineal. El grupo hemo está unido covalentemente por un enlace entre el hierro del hemo y el grupo imidazol de un residuo de histidina en la posición 87, como ya lo hemos mencionado. Esta es la denominada histidina proximal F8 para esta cadena y constituye una de las ocho uniones de enlaces covalentes y de coordinación del átomo de hierro. La histidina distal en esta subunidad corresponde a la histidina 58. Esta configuración permite que el hierro se una al oxígeno o a otros gases en el bolsillo distal del hemo, a través de una unión covalente, formando una coordinación octaédrica. La producción de alfa-globina depende de dos genes ubicados en el cromosoma 16: el HBA1 y el HBA2, siendo normalmente mayoritaria la expresión de HBA2 en un 60%.
La cadena beta es ligeramente más larga que la cadena alfa, contiene 146 residuos con una hélice más, la H. El hemo se une a la histidina 92 de la cadena. Otras proteínas no hay puentes disulfuro, ya sea dentro o entre las subunidades de hemoglobina, aunque sí hay cisteínas. El residuo de cisteína en la posición 93 de la cadena beta es altamente reactivo y fácilmente se oxida para formar disulfuros mixtos y otros tioésteres. Este fenómeno puede estar involucrado en el catabolismo de la hemoglobina. La cadena beta está codificada por el gen HBB en el cromosoma 11.
Las cadenas delta, gamma, épsilon y zeta. Existe una considerable homología estructural entre estas cadenas y las cadenas beta. En realidad, estas cadenas son sintetizadas a partir de un grupo de genes localizados en el cromosoma 11. De igual manera, la cadena épsilon es homóloga con la cadena alfa, siendo ambas productos del grupo de genes localizados en el cromosoma 16. Todos estos genes surgieron por duplicación de un gen anterior en común en los cromosomas, cuyas mutaciones posteriores dieron origen a las distintas cadenas. Un gen es un segmento de ADN que contiene las secuencias de nucleótidos que controlan la síntesis de una cadena polipeptídica y determinan tanto su composición aminoacídica como su expresión cuantitativa.
Los genes alfa-globina se componen de tres dominios fundamentales: el gen estructural, la región promotora (que se encuentra a la izquierda, 5') y la región de poliadenilación (que se sitúa a la derecha, 3'). También encontramos las secuencias reguladoras de control.
La estructura secundaria está determinada por la relación espacial entre los residuos que están cercanos unos de otros de la secuencia lineal. Esta estructura se estabiliza principalmente por enlaces tipo puentes de hidrógeno entre los grupos amino y carbonilo de los enlaces peptídicos intercatenarios. En el caso de las cadenas globinas, la estructura predominante es la hélice alfa. Las unidades de hemoglobina son muy buenos ejemplos de un patrón clásico de hélice alfa de Pauling-Corey-Branson, consistiendo de 3,6 aminoácidos por vuelta. Los puentes de hidrógeno se forman entre el hidrógeno del grupo amino del enlace peptídico con el oxígeno del grupo carbonilo de un enlace de cuatro residuos atrás. En su estado nativo, aproximadamente el 75% de la molécula de hemoglobina es una alfa-hélice. Está relativamente, este, esta alfa-hélice relativamente tiene un alto contenido helicoidal en comparación con otras proteínas globulares y simplifica la solución de su estructura tridimensional.
En ciertas localizaciones específicas de las subunidades de hemoglobina, la alfa-hélice es interrumpida por segmentos que pierden la configuración helicoidal, adoptando así una disposición lineal por donde la cadena suele angular, que son sus esquinas. Estas cadenas helicoidales se denominan en letras, así la subunidad beta cuenta con ocho segmentos helicoidales que van de la A a la H. Los segmentos helicoidales de la cadena alfa son comparables a los de la cadena beta, con excepción de los residuos que constituyen la hélice D de la cadena beta, que están ausentes en la cadena alfa.
La estructura terciaria se refiere a cómo está plegada tridimensionalmente cada cadena polipeptídica, lo que está determinado por la situación en el espacio de los residuos aminoacídicos que forman parte de la estructura lineal, lo que facilita la comprensión de las propiedades funcionales de la proteína. Actualmente, existen evidencias claras de que la secuencia primaria de los aminoácidos es aquella que va a determinar fundamentalmente los plegamientos de la proteína en este espacio tridimensional, que solamente está, y que solamente esta secuencia primaria, que está determinada genéticamente, define posteriormente las otras estructuras, la secundaria y la terciaria, porque van a haber uniones entre los grupos químicos y radicales de los aminoácidos que forman esta proteína.
Los plegamientos hacen que, dentro de esta forma esferoide que adopta la molécula, se cree una cavidad donde se alojará el hemo, denominada bolsillo, limitada por las hélices B, G y H en el fondo, y por la E y la F en sus paredes, con una apertura proximal a la superficie tapada con las hélices C y D. Si recordamos, las hélices van desde la A a la H. Esta cavidad está esencialmente tapizada por residuos cuyas cadenas laterales de tipo hidrófobo evitan la presencia de agua y, por tanto, la oxidación del átomo de hierro, y permiten, por lo tanto, el transporte reversible del oxígeno. Existen además muchísimos puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals que mantienen la cohesión externa de la molécula terciaria.
La estructura cuaternaria se refiere a la forma en cómo se articulan las cuatro cadenas de globina, lo cual se realiza por uniones débiles de tipo enlaces iónicos, interacciones hidrofóbicas y fuerzas no covalentes de tipo Van der Waals. El hecho de que estas interacciones sean débiles parece ser importante, ya que permite a la subunidad de hemoglobina disponerse en dos dímeros que pueden desplazarse levemente uno respecto al otro en presencia de oxígeno. Estos cambios conformacionales influyen en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, y esto implica que la combinación e interacción de las cadenas alfa-beta, alfa-delta, alfa-gamma para formar los tetrámeros alfa2-beta2 o alfa2-gamma2 es esencial para las características funcionales de la hemoglobina, como la curva de disociación de tipo sigmoidea de unión y disociación de oxígeno y el efecto Bohr.
De esta manera, cada cadena alfa contacta con dos cadenas beta a lo largo de dos diferentes superficies, de ahí que son designadas alfa1, alfa2, beta1 y beta2. Pueden definirse dos interfaces entre distintos dímeros de subunidades: alfa1-beta1 y alfa1-beta2, que son estructuralmente idénticas a las anteriores respectivamente a las interfaces ya mencionadas. La unión entre las cadenas alfa1 y beta1, así como alfa2 y beta2, es muy estrecha debido a que los residuos que se producen en esta interfaz forman puentes de hidrógeno, por lo que hay diferencias entre la forma oxi y desoxihemoglobina.
La hemoglobina realiza su función respiratoria, transportando el oxígeno desde los pulmones a los tejidos y participando en el transporte de dióxido de carbono en sentido inverso. Asimismo, y gracias a su capacidad amortiguadora, interviene también en la regulación del pH sanguíneo. El cambio de la forma T (tensa) de la desoxihemoglobina a la R (relajada) de la oxihemoglobina comprende una serie bien definida de modificaciones estructurales que incluyen la ruptura de las uniones que estabilizan la forma T y la rotación relativa de la cadena beta sobre la cadena alfa.
La curva de unión de oxígeno a la hemoglobina es sigmoidea, lo que está relacionado con el hecho de que el ligando se une de modo cooperativo, es decir, la unión de oxígeno favorece su ulterior unión. En el caso de la mioglobina, al poseer un único centro de unión de oxígeno, no cabe hablar de cooperatividad y la curva de saturación es hiperbólica, como también se muestra en esta figura. La cooperatividad en la unión del oxígeno a la hemoglobina es de la máxima importancia funcional.
La saturación de la proteína por su ligando es prácticamente del 100% para una presión parcial de oxígeno de 100 mmHg, es decir, la presión parcial de este gas que existe en los pulmones. En consecuencia, la hemoglobina sale de los pulmones cargada de un modo casi total. Los tejidos periféricos, en los tejidos periféricos, la presión parcial de oxígeno oscila aproximadamente entre 15 y 45 mmHg, dependiendo del tipo de tejido y de su actividad metabólica. De esta forma, la hemoglobina está saturada al 98% de los pulmones y solo al 33% en los tejidos, de manera que cede casi el 70% de todo el oxígeno que puede transportar.
La porción más empinada de la curva se encuentra en las zonas de baja tensión de oxígeno de los tejidos, lo que significa que disminuciones relativamente pequeñas en la tensión de oxígeno dan lugar a grandes incrementos en la cesión de oxígeno. El primer oxígeno que se une a la hemoglobina lo hace en la cadena alfa, porque en la cadena beta, en el lugar de ingreso del oxígeno, se encuentra una valina. Al entrar este oxígeno, tira al hierro y este a su vez estira la histidina proximal, que se encuentra en la hélice F. Un sector de esta hélice y un sector de la hélice G de la misma cadena interactúa con un sector de la hélice C de la otra cadena. Cuando el oxígeno se une a la cadena, hay un corrimiento de estos sectores FG y desaparece la interacción FGC, y esto provoca un cambio conformacional de la cadena beta y se producen rupturas de los puentes salinos entre los extremos carboxilo de cada cuatro unidades de hemoglobina. Esto hace que la fijación subsiguiente sea facilitada porque requiere un número menor de roturas de enlaces salinos. Así también, el giro de alfa-beta respecto al otro alfa-beta de 15 grados, incrementando la afinidad del hemo por el oxígeno.
Lo anterior refleja este mecanismo de cooperatividad positiva de la hemoglobina, es decir, el fenómeno por el cual la entrada de un oxígeno ayuda a la entrada de todos los siguientes. Cuando la hemoglobina está oxigenada, se dice que está en forma relajada, y cuando la hemoglobina está desoxigenada, se dice que está tensa, como ya lo hemos mencionado. Este mecanismo tan eficiente de transporte de oxígeno no podría ser posible si no fuera por la naturaleza multimérica con enlaces débiles modificables de la hemoglobina, que da lugar a una forma sigmoidea en la curva de disociación entre el oxígeno y la hemoglobina, producto del fenómeno de cooperatividad recién señalado.
Si cada uno de los cuatro hemo de la molécula de hemoglobina se unieran al oxígeno independientemente de los otros, la curva de disociación del oxígeno sería de forma hiperbólica, como el de la mioglobina, que además está compuesta de una sola subunidad, como se mostró. Tal curva hiperbólica que presenta la mioglobina no es adecuada para el transporte de oxígeno, ya que al no existir cooperación hemo-hemo, se aprecia una gran afinidad por el oxígeno, lo que la incapacita para transportarlo, luego que realmente en su función opuesta al caso de la mioglobina, que es el almacenamiento de O2 en los tejidos, para que la hemoglobina cumpla con su papel fisiológico, debe ligar oxígeno con una afinidad apropiada. Si la ligazón oxígeno-hemoglobina fuera demasiado débil, la sangre no podría oxigenarse en la circulación pulmonar, y si fuera muy fuerte, solo una escasa cantidad de oxígeno sería descargada a los tejidos.
La afinidad del oxígeno por la hemoglobina es convenientemente expresada en términos de P50, y corresponde a aquella tensión de oxígeno en la cual la hemoglobina está saturada al 50%. A mayor afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, menor será la P50 y viceversa. La P50 normal para la sangre humana en condiciones fisiológicas y a pH 7,4 y temperatura 37°C es de 27 mmHg.
Existe un gran número de factores genéticos y medioambientales que afectan la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno en la sangre humana. Los tres determinantes primarios de la afinidad son: la temperatura, el pH (asociado con la presión de CO2) y el 2,3-difosfoglicerato intraeritrocitario. Y estos son los factores que afectan esta afinidad. Aquí se puede observar aparte cada uno de estos factores que influyen en la curva de disociación.
La unión del oxígeno a la hemoglobina disminuye al aumentar la temperatura. En estados febriles, las células aumentan su metabolismo y, por tanto, su necesidad de consumo de oxígeno. Así, a una temperatura corporal de 40°C, la capacidad de descarga de oxígeno por la hemoglobina se incrementa en un 35%.
Pequeños cambios de pH modifican de forma importante la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno. Así, cuando el pH es mayor, a una determinada presión de oxígeno, mayor será el porcentaje de saturación con el oxígeno. Esto es debido a que cuando la hemoglobina se oxigena, queda ionizada y deja libre un protón por cada molécula de oxígeno unida, de acuerdo con la ecuación de... la combinación de la hemoglobina, oxihemoglobina y los hidrogeniones y el oxígeno del medio. El incremento de la concentración de hidrogeniones provoca un descenso de la saturación, que es el desplazamiento de la saturación hacia la izquierda, estabilizando el estado desoxigenado de la molécula de hemoglobina y favoreciendo la liberación de oxígeno en los tejidos. Por el contrario, la disminución de la concentración de hidrogeniones provoca un incremento de la saturación de la hemoglobina.
Y finalmente, algunos fosfatos orgánicos aumentan la estabilidad de la desoxihemoglobina. Y en los eritrocitos humanos, el más importante es el 2,3-difosfoglicerato, que se halla presente a una concentración de 4 a 5 milimolar, correspondiente a la concentración de hemoglobina intracelular. Una molécula de 2,3-difosfoglicerato se introduce en la cavidad central que forman las cuatro subunidades de desoxihemoglobina, modificando su disposición espacial y dificultando así la entrada de oxígeno. Solo cuando la presión de oxígeno es elevada, el oxígeno desplaza al 2,3-difosfoglicerato y se une a la hemoglobina. Así, el 2,3-difosfoglicerato reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, estabilizando la forma T o desoxihemoglobina. En términos cinéticos, el 2,3-difosfoglicerato desplaza el equilibrio respiratorio de la hemoglobina hacia la forma desoxigenada, que favorece la liberación de oxígeno. Este efecto se expresa en la curva de disociación de la oxihemoglobina por un desplazamiento hacia la derecha y a un aumento de la presión de oxígeno.
La hemoglobina fetal, por ejemplo, tiene menor afinidad por el 2,3-difosfoglicerato que la hemoglobina A, lo que se traduce en una mayor afinidad por el oxígeno, facilitando el transporte de oxígeno de la sangre materna al feto. Cuando tenemos un corrimiento de la curva hacia la izquierda, vamos a tener mayor afinidad por el oxígeno, que van a ser los casos donde aumenta el pH y disminuye la concentración de hidrogeniones, disminuye el 2,3-difosfoglicerato, disminuye el pCO2 y disminuye la temperatura. Y cuando tenemos un corrimiento a la derecha, hay menor afinidad por el oxígeno si disminuye el pH y aumentan los hidrogeniones, aumenta el 2,3-difosfoglicerato, aumenta la pCO2 y aumenta la temperatura.
Unos investigadores descubrieron que la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuye al aumentar las cantidades de CO2. Estudios posteriores demostraron que este efecto era debido primariamente a una reducción en el pH, y esto se conoce como el efecto Bohr. Los investigadores rápidamente dilucidaron el significado de estas observaciones y concluyeron que un organismo liga y descarga oxígeno y CO2 recíprocamente. El O2 es captado por los pulmones a medida que el CO2 es expelido. En los tejidos periféricos ocurre el proceso inverso, debido al efecto Bohr. El intercambio de CO2 facilita el intercambio de oxígeno y viceversa.
Sobre un rango de pH fisiológico, la P50 varía inversamente con el pH. Esto corresponde al denominado efecto Bohr alcalino. A medida que el CO2 es expelido durante la circulación a través de los pulmones, hay un correspondiente aumento del pH sanguíneo de esta zona y una disociación a la izquierda de la curva de oxígeno. De este modo, el relativo aumento en la afinidad del oxígeno favorece la unión del oxígeno a la hemoglobina. A la inversa, a medida que la sangre circula a través de los capilares periféricos a los pulmones, el CO2 entra al plasma y glóbulos rojos, acidifica el pH y desfavorece la unión del oxígeno a la hemoglobina.
La relación entre la temperatura y afinidad por el oxígeno es un fenómeno apropiado desde el punto de vista fisiológico, ya que en condiciones de hipotermia relativa, las demandas metabólicas son comparativamente más bajas, por lo que se necesita menos oxígeno hacia los tejidos y, por tanto, la hemoglobina puede mantener una alta afinidad debido a la desviación a la izquierda de la curva, y en consecuencia, menor cantidad de oxígeno es liberado a los tejidos. A la inversa, si la temperatura aumenta, la desviación de la curva a la derecha resulta en una disminución de la afinidad del oxígeno y así mayor descarga de oxígeno hacia los tejidos que tendrán mayor demanda metabólica. En individuos homeotermos, como es el caso del ser humano, solamente se permiten leves variaciones de temperatura corporal, por lo que para que este fenómeno sea fisiológicamente importante, debe ser pronunciado. El mecanismo de este efecto se relacionaría con los cambios estructurales que el aumento de la temperatura induciría sobre la hemoglobina, afectando su unión con el oxígeno.
El 2,3-difosfoglicerato corresponde al 15% del contenido aniónico del glóbulo rojo y es producido por el catabolismo de la glucosa, alcanzando concentraciones intracelulares de 5 milimolar por litro, acercándose a la equimolaridad de la hemoglobina eritrocitaria. Se forma desde el 1,3-difosfoglicerato de la glicólisis por la enzima fosfoglicerato mutasa. El 2,3-difosfoglicerato no tiene función metabólica, por lo que para volver a la glicólisis debe ser convertido en 3-fosfoglicerato por la 2,3-difosfoglicerato fosfatasa. La concentración de 2,3-difosfoglicerato es proporcional a la concentración de hidrogeniones en el eritrocito, favoreciendo su síntesis frente a bajas de pH.
El glóbulo rojo humano y el de otros mamíferos tienen concentraciones muy altas de 2,3-difosfoglicerato. Aunque es el fosfato orgánico más abundante en el interior del glóbulo rojo, está presente solo en cantidades trazas en otros tejidos. Su concentración dentro del eritrocito es de 5 milimolar por litro de eritrocitos concentrados. Todos los fosfatos orgánicos se encuentran en concentraciones mucho menores. Se demostró que el 2,3-difosfoglicerato es un potente modificador de la función de la hemoglobina. Al extraerle a la hemoglobina todos los fosfatos orgánicos intraeritrocitarios, esta tiene una afinidad por el oxígeno inesperadamente alta, aunque la interacción hemo-hemo y el efecto Bohr permanezcan intactos. En este sentido, inverso, la adición de bajas concentraciones de 2,3-difosfoglicerato resulta en una disminución progresiva de la afinidad por el oxígeno. Es decir, el 2,3-difosfoglicerato favorece la liberación de oxígeno desde la hemoglobina, lo que ocurre en capilares periféricos con bajas pO2 y un ambiente más ácido. Lo opuesto ocurre en los capilares alveolares.
Un aumento de 2,3-difosfoglicerato facilita esencialmente la llegada de oxígeno desde la hemoglobina a los tejidos diana, a costa de dificultar también un poco la captación de oxígeno por parte de la hemoglobina en los pulmones. Este mecanismo hace que la oxigenación materno-fetal sea más eficiente, ya que el 2,3-difosfoglicerato fetal es inferior a los niveles maternos, lo que da lugar a una mayor captación de oxígeno por parte de la sangre fetal en la placenta. El 2,3-difosfoglicerato también puede servir para contrarrestar fisiológicamente ciertas alteraciones metabólicas de la curva de disociación del oxígeno-hemoglobina. Por ejemplo, a grandes altitudes, un bajo contenido de oxígeno atmosférico puede causar hiperventilación y la consiguiente alcalosis metabólica, que provoca un desplazamiento normal hacia la izquierda de la curva de disociación del oxígeno-hemoglobina, y esto puede contrarrestarse mediante un aumento de 2,3-difosfoglicerato.
La enseñanza tradicional ha afirmado que el aumento fisiológico de 2,3-difosfoglicerato observado en grandes altitudes se debe simplemente a que facilita la llegada de oxígeno a los tejidos diana por este mecanismo. Asimismo, queda refutado por el razonamiento de que la disminución de la afinidad por el oxígeno también inhibe la captación de oxígeno de los pulmones y podría decirse que daría lugar a una disminución neta del aporte de oxígeno a los tejidos diana.
Existen dos tipos de curva: la hemoglobina muestra una hipérbola, enlaza y libera oxígeno en el citoplasma de las células en respuesta a cambios en la concentración de oxígeno, y la hemoglobina muestra una curva sigmoidal, enlaza el oxígeno en los pulmones y lo libera a los tejidos. La mioglobina es una proteína sencilla que se encuentra en el tejido muscular, almacena oxígeno y facilita su distribución dentro de las miofibrillas musculares, liberándolo cuando las demandas lo requieren. Posee ocho segmentos alfa-hélice y el oxígeno se enlaza en forma reversible en el hemo.
En el humano, la hemoglobina presenta una cinética que permite entregar eficientemente el oxígeno a las células. La hemoglobina se une al oxígeno gracias a que posee cuatro moléculas de hierro. Para que esta unión se lleve a cabo, el hierro debe estar reducido, ya que el estado oxidado no... Esto no ocurre. Si la hemoglobina aporta alguna de sus moléculas de hierro en estado ferroso y férrico, y el resto ferroso, aumenta su afinidad por el oxígeno. Es decir, la hemoglobina con hierro oxidado transporta menos oxígeno y no lo entrega a los tejidos. La hemoglobina que porta hierro oxidado se denomina metahemoglobina y normalmente se produce de manera espontánea a una velocidad de 3% de la hemoglobina que circula en un día. Afortunadamente, el eritrocito, el eritrocito tiene una maquinaria enzimática que reduce la hemoglobina oxidada, manteniendo los niveles normales de metahemoglobina en sangre. Para que exista un exceso de metahemoglobina en sangre, debe estar alterada su reducción o existir una sobreproducción de esta.
Los defectos en la reducción de metahemoglobina generalmente son trastornos genéticos, tales como el déficit de las enzimas glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y citocromo b5 reductasa. La sobreproducción de metahemoglobina se observa cuando existen condiciones oxidantes. Clínicamente, la cianosis, que es justamente esto, el aumento de la metahemoglobina, se hace evidente con una metahemoglobinemia de 8 a 12%, pero genera síntomas recién con niveles mayores al 15%.
Otra de las hemoglobinas son la sulfohemoglobina, que es una unión irreversible de azufre a la hemoglobina, y la oxigenación irreversible de la hemoglobina por fármacos sulfonamidas, que es ineficaz en el transporte de oxígeno. La carboxihemoglobina es la unión del monóxido de carbono al hierro del hemo. Tiene mayor afinidad por el CO que por el oxígeno y está asociada a la intoxicación por gases, incendios, autos, braseros. Se encuentra aumentada en fumadores y presenta un efecto tóxico con clínica característica de dolor de cabeza, mareos, debilidad, náuseas, vómitos, dolor en el pecho.
y confusión. La hemoglobina fetal se produce. Durante la etapa fetal, tiende a disminuir y quedar en niveles muy bajos durante el primer año de vida. Su función es transportar el oxígeno recibido desde la sangre de la madre y distribuirlo a través de los propios glóbulos rojos del feto.
Produce una desviación a la izquierda en la curva respecto a la hemoglobina A. Tiene menor afinidad por el trifosfoglicerato y mayor afinidad por el oxígeno. El feto tendrá acceso preferencial al oxígeno de la sangre, llevado por el sistema circulatorio de la madre.
La vida media de los hematíes, cuando pasan de la médula ósea al sistema circulatorio, es de aproximadamente 120 días. Una vez que la membrana de los hematíes se hace frágil, la célula puede romperse al pasar a través de algún vaso sanguíneo estrecho de la circulación. Sin embargo, la mayoría de los hematíes se fragmentan en el vaso donde se estrujan al pasar a través de la pulpa roja y no reciben la cantidad de glucosa adecuada, lo que termina alterando su metabolismo.
Los eritrocitos envejecidos por lo regular tienen un aumento en la permeabilidad de cationes y disminuye rápidamente la concentración de ATP al intentar mantener un equilibrio osmótico mediante el bombeo de estos cationes en exceso fuera de la célula. Por lo tanto, el medio esplénico está bien preparado para eliminar estos eritrocitos. Los espacios entre las trabéculas estructurales de la pulpa roja, por los cuales deben pasar la mayor parte de las células, son solo de dos a tres micras de ancho, comparados con los 8 micrómetros de diámetro de los hematíes.
Cuando se extirpa el vaso, aumenta considerablemente el número de hematíes anormales y de células envejecidas circulantes. Normalmente, la destrucción de los glóbulos rojos se lleva a cabo preferentemente en el espacio extravascular. Los macrófagos de recubrimiento interno de los vasos sanguíneos, especialmente del vaso y del hígado, fagocitan a los hematíes envejecidos, anormales o fragmentados.
La hemoglobina liberada por la destrucción celular es fagocitada y digerida por el sistema fagocítico mononuclear, liberando hierro. El hierro vuelve a la médula ósea para ser utilizado en la formación de nueva hemoglobina o va al hígado o a otros tejidos donde se almacena en forma de ferritina o hemosiderina. Pero la mayor parte se une a su proteína de transporte, la transferrina.
Aminoácidos. Los aminoácidos liberados de las globinas de la hemoglobina son utilizados en la síntesis de nuevas proteínas, formando el pool de aminoácidos.
Bilirrubina. El grupo hemo se rompe por el puente metileno del anillo de protoporfirina 9. Se libera el hierro, produciéndose un mol de óxido de carbono y biliverdina por mol de protoporfirina. A través de varias reacciones sucesivas, la protoporfirina 9 se termina transformando en el pigmento bilirrubina. El grupo hemo es abierto aún cuando tiene el hierro en su estructura y está unido a cada cadena de globina. Lo que ocurre es que la oxidación del puente metileno del anillo de protoporfirina 9 por parte de la enzima oxigenasa microsomal. Esto constituye el catabolismo del grupo hemo. Se piensa que la presencia de hierro en estas etapas favorece la oxidación, ya que las oxidaciones de los anillos de porfirina solos son eventos más raros en el metabolismo de los mamíferos.
El CO2 se libera al torrente sanguíneo y se transporta como carboxihemoglobina a los pulmones y se exhala. El CO2 se une fuertemente al grupo B de la hemoglobina, unas 200 veces más que el oxígeno, por lo que las concentraciones de CO2 deben mantenerse muy bajas.
Al abrirse el anillo protoporfirina, se forma la verdoglobina y es el pigmento responsable del tono verdoso de los hematomas. La biliverdina resulta al separarse de la estructura pirrólico-aminas y es rápidamente reducida en su puente central de metileno dentro de la célula fagocítica por la enzima biliverdina reductasa, formándose bilirrubina. También se degradan las cadenas globinas y se recupera el hierro y los aminoácidos.
Una vez fuera del macrófago, esta bilirrubina, que posee un color amarillo anaranjado, se une a la albúmina plasmática, dado que no es hidrosoluble a pesar de poseer grupos polares. Esta es la molécula de bilirrubina.
Desde el hígado, la bilirrubina conjugada se excreta a la bilis para ser convertida en urobilinógeno en el tracto intestinal por la microbiota. Y una parte de esta es reabsorbida en el intestino y el resto se excreta y pasa a la sangre desde el sistema porta hepático. Este urobilinógeno es soluble y se filtra en el glomérulo, por lo que se secreta por la orina. El urobilinógeno es incoloro, pero al ser expuesto al oxígeno y luz es oxidado a urobilina, que da a la orina su característico color ámbar.
La mayor parte del urobilinógeno que no se excreta es reducido en el intestino por la microbiota, dando lugar al estercobilinógeno, que finalmente se oxida y genera estercobilina, el pigmento que le da color a las heces.
Aquí podemos identificar una técnica que utilizamos en el laboratorio para cuantificar las hemoglobinas, que es la electroforesis de hemoglobinas. Permite identificar cada uno de los subtipos, tanto normales como anormales. Y vamos a ver que estas los subtipos de hemoglobina por electroforesis muestran distinto patrón de acuerdo a la movilidad electroforética que presente cada molécula.