Estructura de la molécula y tipos de hemoglobina
La molécula de hemoglobina tiene una estructura tetramérica, es decir, consta de cuatro subunidades polipeptídicas. En su composición siempre hay dos cadenas $\alpha$, mientras que el segundo par de cadenas varía según la etapa de desarrollo del organismo:
- Hemoglobina embrionaria ($2\alpha, 2\epsilon$) — se sintetiza en las primeras etapas del desarrollo intrauterino.
- Hemoglobina fetal, Hb F ($2\alpha, 2\gamma$) — reemplaza a la embrionaria y alcanza su nivel máximo hacia el 6.º mes de desarrollo fetal.
- Hemoglobina del adulto, Hb A ($2\alpha, 2\beta$) — la principal hemoglobina después del nacimiento, que representa aproximadamente el 98%.
Es precisamente el segundo par de cadenas el que determina las características de cómo funciona una forma específica de hemoglobina y cómo se une a los gases.
Estructura del hemo y bolsillo hidrófobo
El hemo es un grupo prostético no proteico. Su base química es un anillo de tetrapirrol protoporfirínico. En el centro del anillo se encuentra un átomo de hierro ($Fe^{2+}$) unido a cuatro átomos de nitrógeno de los anillos de pirrol. A los lados del anillo se encuentran sustituyentes: 4 grupos metilo, 2 grupos vinilo y 2 restos de ácido propiónico.
El hemo está sumergido en un bolsillo hidrófobo especial situado entre las hélice-$\alpha$ F y E. Dos residuos de histidina desempeñan un papel fundamental:
- Histidina proximal (His F8): forma un enlace de coordinación con el $Fe^{2+}$ y fija firmemente el hemo en la proteína.
- Histidina distal (His E7): se encuentra en el lado de la unión del oxígeno. Determina la orientación correcta para la molécula de $O_2$ e impide la unión del monóxido de carbono (CO).
Función protectora: El entorno hidrófobo del bolsillo impide la entrada de agua. Si el agua llegara hasta el hierro, este se oxidaría a $Fe^{3+}$ (formando metahemoglobina) y el transporte de oxígeno sería imposible.
Efecto cooperativo
La hemoglobina no se une al oxígeno simplemente sumando los esfuerzos de sus subunidades, sino de forma cooperativa. En la desoxihemoglobina, el átomo de hierro sobresale ligeramente del plano del anillo de porfirina hacia la His F8. Cuando el oxígeno se une al $Fe^{2+}$ (en la región de la His E7), el átomo de hierro es atraído directamente hacia el plano del hemo.
Al desplazarse, el hierro arrastra consigo a la histidina F8 unida a él y a toda la hélice proteica. Se desencadena una reacción en cadena de cambios conformacionales en toda la molécula. Como resultado de este desplazamiento, la cuarta molécula de $O_2$ se une al tetrámero 300 veces más fácilmente que la primera. En los tejidos, el proceso funciona en sentido inverso: la liberación de una molécula de oxígeno facilita la entrega de las restantes.
Efecto Bohr (influencia de CO2 y H+)
En los tejidos con actividad intensa (por ejemplo, en los músculos), el catabolismo produce una gran cantidad de dióxido de carbono y agua. El $CO_2$ penetra en los eritrocitos, donde la enzima anhidrasa carbónica lo convierte en ácido carbónico. Este se disocia en bicarbonato ($HCO_3^-$) y protones ($H^+$).
Los protones se unen a los residuos de histidina (His146) en las cadenas de hemoglobina. Esta interacción alostérica reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Se produce la ruptura del enlace entre el $Fe^{2+}$ y el $O_2$, y el oxígeno pasa a los tejidos. Cuanto más intenso es el metabolismo, mayor es la cantidad de $H^+$ y más oxígeno libera la proteína. En los pulmones ocurre lo contrario: la alta presión de $O_2$ obliga a la proteína a unirse al oxígeno, lo que desplaza a los protones. Los protones se combinan con el bicarbonato para formar $CO_2$, que exhalamos.
Regulación alostérica mediante 2,3-BPG
El 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) es un ligando con una fuerte carga negativa (-5) que se forma en los eritrocitos a partir de un producto intermediario de la glucólisis.
En la desoxihemoglobina surgen enlaces iónicos adicionales entre los protómeros, lo que ensancha la cavidad central. Es precisamente allí donde se acopla el 2,3-BPG, interactuando con los aminoácidos cargados positivamente de las cadenas $\beta$ (valina, lisina e histidina). Su unión modifica la conformación de la proteína y disminuye su afinidad por el oxígeno, obligándola a liberar activamente $O_2$ hacia las células. En los pulmones, la unión del oxígeno estrecha la cavidad central y el 2,3-BPG es expulsado de la molécula.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Cuáles son los valores normales de concentración de hemoglobina en la sangre de hombres y mujeres?
Las fuentes citadas indican los siguientes valores normales/de referencia para la concentración de hemoglobina en sangre:
- En hombres — 130–160 g/l, 132–164 g/l o 155,0 ± 25,0 g/l.
- En mujeres — 120–150 g/l, 120–140 g/l, 115–145 g/l o 140 ± 25,0 g/l.
La disminución de la concentración de hemoglobina es el principal signo de laboratorio de la anemia de cualquier etiología.
¿Qué es la hemoglobina glicosilada (HbA1c) y cuál es su significado clínico?
La hemoglobina glicosilada (HbA1c) es un indicador que refleja el nivel medio de glucosa/glucemia durante la vida útil del eritrocito, que es de aproximadamente 120 días; las fuentes también indican la estimación del nivel medio de glucemia durante 3 meses.
Significado clínico de la HbA1c:
- Diagnóstico — se utiliza para el diagnóstico de la diabetes mellitus y la prediabetes, siempre que el método esté certificado y estandarizado según los valores de referencia; para el diagnóstico de la diabetes se indica un nivel de HbA1c ≥ 6,5%.
- Monitoreo — en pacientes con diabetes mellitus tipo 2, se determina una vez cada 3 meses para evaluar el cumplimiento de los objetivos de control glucémico.
- Estratificación del riesgo — se utiliza para estratificar el riesgo de desarrollar complicaciones de la diabetes mellitus.
¿Qué tipos de hemoglobinas patológicas se forman durante la intoxicación por monóxido de carbono y nitratos?
Ante la exposición al monóxido de carbono y nitratos, las fuentes indican las siguientes formas de hemoglobina:
- Carboxihemoglobina (COHb, HbCO) — forma patológica de Hb al interactuar con el monóxido de carbono (CO); se forma durante la intoxicación por monóxido de carbono. Fórmula en la fuente: HbCO (Fe²⁺ + CO). Altera el transporte de O₂.
- Metahemoglobina (MetHb) — forma de hemoglobina con Fe³⁺ que se forma por la acción de agentes oxidantes. La metahemoglobinemia surge como consecuencia de un exceso de nitratos; los nitratos y nitritos pueden causar cianosis pronunciada debido a la alteración del transporte de oxígeno.
Cómo no confundir las histidinas: La proximal (F8) — Fija Firmemente (F-F) el hemo. La distal (E7) — Mantiene la Distancia (D-D) e impide la unión del monóxido de carbono.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el hemo libre transporta peor el oxígeno que cuando forma parte de la hemoglobina?
El hemo libre tiene una afinidad por el monóxido de carbono (CO) 25 000 veces mayor que por el O2. En la hemoglobina, la histidina distal (His E7) crea un obstáculo estérico, por lo que la afinidad por el CO supera a la afinidad por el O2 en solo 200 veces, salvándonos de la asfixia por monóxido de carbono endógeno.
¿En qué se diferencia funcionalmente la hemoglobina de la mioglobina?
La mioglobina es un monómero con una afinidad muy alta por el O2; su función es almacenar oxígeno en los músculos. La hemoglobina es un oligómero cuya estructura permite saturarse rápidamente de O2 en los pulmones y liberarlo en los tejidos a una presión de 20–40 mm Hg.
¿Qué ocurriría si entrara agua en el centro activo de la hemoglobina?
El agua provocará la oxidación del átomo de hierro desde la forma Fe2+ a Fe3+. Se forma metahemoglobina, la cual carece por completo de la capacidad de unirse y transportar oxígeno.
Qué más repasar sobre el tema
- Síntesis química detallada del 2,3-bisfosfoglicerato
- Plegamiento espacial de las cadenas $\alpha$ y $\beta$ de la globina
- Mecanismo de reacción de la anhidrasa carbónica en los eritrocitos
- Diferencias en la unión del oxígeno entre la Hb A y la Hb F
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