Característica comparativa de la mioglobina y la hemoglobina
Mioglobina: proteína del músculo rojo cuya función es el almacenamiento de oxígeno. Su estructura superior es terciaria; la molécula consta de una sola cadena polipeptídica y un hemo (grupo protésico), es decir, posee un único centro activo. La afinidad de la mioglobina por el oxígeno es alta, por lo que libera O₂ solo cuando hay un déficit pronunciado de oxígeno en el tejido.
Hemoglobina: proteína oligomérica compleja con estructura domínica y cuaternaria. Consta de cuatro protómeros: dos cadenas de globina α y dos β, cada una de las cuales está unida a un grupo hemo. Por lo tanto, la molécula de hemoglobina tiene cuatro centros activos. Su función es transportar O₂ desde los pulmones hasta los tejidos y CO₂ (así como protones) desde los tejidos hasta los pulmones. Su afinidad por el oxígeno es menor que la de la mioglobina, lo cual es necesario para la liberación eficiente de O₂ en los tejidos.
Estructura del hemo y el papel de los residuos de histidina
El hemo está representado por protoporfirina IX: cuatro anillos pirrólicos unidos por puentes metínicos, con grupos laterales vinilo, metilo y propionato. Los átomos de nitrógeno de los anillos pirrólicos forman cuatro enlaces de coordinación con el ion Fe²⁺. El quinto enlace de coordinación del hierro se dirige a la histidina proximal His F8 y el sexto a una molécula de O₂.
La estructura secundaria de la globina consta de ocho α-hlices, designadas con las letras de la A a la H. El hemo se sitúa en una cavidad hidrófoba entre las hélices E y F.
- His F8 (proximal): forma un enlace covalente con el Fe²⁺ y fija el grupo hemo.
- His E7 (distal): asegura la orientación correcta del O₂, aumenta la afinidad del hemo por el oxígeno y, al mismo tiempo, reduce la afinidad por el monóxido de carbono (CO), el cual, de otro modo, se uniría con mucha más fuerza.
El entorno hidrófobo del hemo impide la entrada de agua y evita la oxidación del Fe²⁺ a Fe³⁺ (formación de metahemoglobina, incapaz de transportar oxígeno).
Unión cooperativa del oxígeno
La unión de la primera molécula de O₂ a uno de los protómeros provoca un cambio conformacional del estado T (de baja afinidad) al estado R (de alta afinidad). Esto facilita la unión de O₂ por los siguientes protómeros: la cuarta molécula de oxígeno se une aproximadamente 300 veces más fácilmente que la primera. El proceso inverso funciona de manera similar: la liberación de O₂ tiene un carácter cooperativo. La cooperatividad se manifiesta en una curva de disociación de la oxihemoglobina en forma de S (sigmoidea), mientras que en la mioglobina la curva es hiperbólica.
Efecto Bohr
Efecto Bohr: disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno al acidificarse el medio y aumentar la presión parcial de CO₂. En los tejidos activos se acumula dióxido de carbono que, al reaccionar con el agua en presencia de anhidrasa carbónica, forma ácido carbónico, el cual se disocia en H⁺ y HCO₃⁻.
- Los protones protonan ciertos residuos en los protómeros de la hemoglobina, lo que estabiliza la forma T y facilita la liberación de O₂ a los tejidos.
- El CO₂ se une a los grupos α-amino terminales de las globinas para formar carbaminohemoglobina.
- En los pulmones el proceso es reversible: a baja pCO₂ y un pH más alto, la hemoglobina vuelve a unirse al O₂.
Regulación por 2,3-bisfosfoglicerato
En la cavidad central del tetrámero de hemoglobina se encuentra un sitio alostérico que une el 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG), un metabolito intermediario de la glucólisis eritrocitaria (derivación de Rapoport-Luebering). Durante la hipoxia, la concentración de 2,3-BPG aumenta; este se une a la desoxihemoglobina, estabilizando la forma T y reduciendo la afinidad por el O₂, lo que facilita la liberación de oxígeno a los tejidos.
La hemoglobina fetal (HbF), compuesta por dos cadenas α y dos γ, une el 2,3-BPG con menor fuerza, por lo que posee una mayor afinidad por el O₂ y «toma» eficazmente el oxígeno de la HbA materna a través de la placenta.
Desnaturalización y chaperonas
Desnaturalización: alteración de las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria de una proteína con conservación de la primaria. Puede ser reversible (la renaturalización es posible) e irreversible. Factores desnaturalizantes: alta temperatura, valores extremos de pH, metales pesados, disolventes orgánicos y detergentes; estos destruyen las interacciones de hidrógeno, iónicas, hidrófobas y los enlaces disulfuro.
Chaperonas: proteínas que aseguran el correcto plegamiento de los polipéptidos y previenen la agregación de moléculas desnaturalizadas. Se distinguen las chaperonas constitutivas (presentes en la célula de forma constante) e inducibles (por ejemplo, las proteínas de choque térmico, cuya síntesis aumenta en respuesta a factores de estrés).
Anemia falciforme
Anemia drepanocítica: hemoglobinopatía hereditaria causada por una mutación puntual en el gen de la globina β: en la 6ª posición de la cadena polipeptídica, el ácido glutámico (polar, cargado negativamente) es sustituido por valina (hidrófoba, sin carga). La hemoglobina anormal se denota como HbS; la normal del adulto es la HbA y la fetal es la HbF.
La aparición de un residuo hidrófobo en la superficie de la cadena β crea un sitio «pegajoso» complementario. En condiciones de hipoxia, las moléculas de HbS desoxigenadas se polimerizan formando fibras largas que deforman el eritrocito, dándole forma de hoz.
- Los eritrocitos falciformes pierden su plasticidad, circulan con dificultad por los capilares y causan microtrombosis e hipoxia tisular.
- La esperanza de vida de los eritrocitos disminuye, lo que da lugar al desarrollo de anemia hemolítica.
- Los portadores heterocigotos presentan una mayor resistencia a la malaria: Plasmodium falciparum se reproduce con mayor dificultad en los eritrocitos falciformes, lo que explica la alta frecuencia de la mutación en regiones de África endémicas de malaria.
Puntos clave
- La mioglobina es un monómero con una curva de saturación hiperbólica; la hemoglobina es un tetrámero (2α + 2β) con una curva sigmoidea y unión cooperativa de O₂.
- La His F8 une covalentemente el Fe²⁺ del hemo, mientras que la His E7 orienta el O₂ y reduce la afinidad por el CO.
- El entorno hidrófobo del hemo previene la oxidación del Fe²⁺ a Fe³⁺ (metahemoglobina).
- Efecto Bohr: el aumento de [H⁺] y pCO₂ disminuye la afinidad de la hemoglobina por el O₂, facilitando su liberación a los tejidos.
- El 2,3-BPG se une en la cavidad central del tetrámero, estabiliza la forma desoxigenada y disminuye la afinidad por el O₂; la HbF une débilmente el 2,3-BPG, por lo que tiene una gran afinidad por el oxígeno.
- Las chaperonas (incluidas las proteínas de choque térmico) previenen la agregación y garantizan el correcto plegamiento de las proteínas.
- La HbS surge por la sustitución Glu6→Val en la cadena β; la valina hidrófoba provoca la polimerización de la desoxi-HbS y la deformación falciforme de los eritrocitos.
- La anemia drepanocítica se acompaña de hemólisis, hipoxia y oclusiones vasculares, pero en estado heterocigoto protege contra la malaria.