Hemoglobina

Hemoglobina
family of protein complexes (en)
globina (es) , metaloproteína (es) y proteína

La hemoglobina ye una hemoproteína de la sangre, de masa molecular de 64 000 g/mol (64 kDa), de color colloráu característicu, que tresporta'l dioxígeno (d'antiguo llamáu osíxenu), O₂, dende los órganos respiratorios hasta los texíos, el dióxidu de carbonu, CO₂, dende los texíos hasta los pulmones que lu esanicien y tamién participa na regulación de pH del sangre, en vertebraos y dalgunos invertebraos.

La hemoglobina ye una proteína d'estructura cuaternaria, que consta de cuatro subunidades. Esta proteína forma parte de la familia de les hemoproteínas, yá que tien 1 grupu hemo en cada subunidad.

Investigación histórica

Max Perutz, unu de los padres fundadores de la bioloxía molecular.

En 1825 J.F. Engelhard afayó que la rellación del fierro cola proteína yera idéntica nes hemoglobines de delles especies. A partir de la masa atómico conocida del fierro calculó la masa molecular de la hemoglobina como n × 16 000 (n = númberu d'átomos de fierro per molécula d'hemoglobina, qu'agora se sabe que ye 4), la primer determinación de la masa molecular d'una proteína. Esta "conclusión azotada" causó muncha burlla nel momentu ente los científicos que nun podíen creer que nenguna molécula pudiera ser tan grande. Gilbert Smithson Adair confirmó los resultaos de Engelhard en 1925 midiendo la presión osmótica de les disoluciones d'hemoglobina.

La proteína hemoglobina que tresporta'l dioxígeno foi afayada en 1840 pol médicu y químicu alemán Friedrich Ludwig Hünefeld (1799-1882). En 1851, el fisiólogu alemán Otto Funke publicó una serie d'artículos nos que describía la crecedera de los cristales d'hemoglobina por aciu la dilución socesiva de glóbulos coloraos con un disolvente —agua puro, alcohol o éter—, siguida de la evaporación lenta del disolvente de la solución. La oxixenación reversible de la hemoglobina foi descrita unos años más tarde por Felix Hoppe-Seyler.

En 1959, Max Perutz determinó la estructura molecular de la mioglobina (similar a la hemoglobina) por cristalografía de rayos X. Esti trabayu supúnxo-y la concesión del Premiu Nobel de Química de 1962, compartíu con John Kendrew.

El papel de la hemoglobina nel sangre foi resueltu pol fisiólogu francés Claude Bernard.

El nome de la hemoglobina deriva de les pallabres heme y globina, lo que reflexa'l fechu de que cada subunidad d'hemoglobina ye una proteína globular con un grupu hemo enllastráu. Cada grupu hemo contién un átomu de fierro, que puede xunise a una molécula de dioxígeno al traviés de fuercies dipolares ióniques inducíes. El tipu más común de la hemoglobina nos mamíferos contién cuatro de tales subunidades.

Estructura

Hemoglobina.

Grupu hemo.

Formar cuatro cadenes polipeptídicas (globines) a caúna de les cuales xúnese un grupu hemo, que'l so átomu de fierro ye capaz de xunir de forma reversible una molécula de dioxígeno. El grupu hemo ta formáu por:

1. Unión del succinil-CoA (formáu en ciclu de Krebs o ciclu del ácidu cítrico) al aminoácidu glicina formando un grupu pirrol.
2. Cuatro grupos pirrol xúnense formando la protoporfirina IX.
3. La protoporfirina IX xunir a un ion ferroso (Fe²⁺) formando'l grupu hemo.

La hemoglobina ye una proteína tetrámera, que consta de cuatro cadenes polipeptídicas con estructures primaries distintes. La hemoglobina presente nos adultos (HbA) tien dos cadenes α y dos cadenes β. La cadena α consta de 141 aminoácidos y una secuencia específica, ente que la cadena β consiste de 146 aminoácidos con una estructura primaria distinta. Estes cadenes son codificadas por xenes distintos y tienen estructures primaries distintes. Nel casu de les cadenes δ y γ d'otros tipos d'hemoglobina humana, como la hemoglobina fetal (HbF) ye bien similar a la cadena β. La estructura tetrámera de los tipos comunes d'hemoglobina humana son les siguientes: HbA1 tien α2β2, HbF tien α2γ2 y HbA2 (tipu menos común nos adultos) tien α2δ2.

Les cadenes α y β de la hemoglobina tienen un 75 % de hélices alfa como estructura secundaria, con 7 y 8 segmentos respeutivamente. Cada cadena polipeptídica de la hemoglobina ta xunida a un grupu hemo pa formar una subunidad. Los cuatro subunidades de la hemoglobina na so estructura cuaternaria formen un tetraedru. Y los sos subunidades xunir ente elles por pontes de sal, qu'estabilicen la so estructura.

El grupu hemo ta alcontráu nun cuévanu ente dos hélices de la cadena de la globina y de la mesma ta protexíu por una residuu de valina. Los grupos vinilu non polares del grupu hemo atopar nel interior hidrofóbicu del cuévanu, ente que los grupos porfirina polares cargaos atópense empobinaos escontra la superficie hidrofílica de la subunidad.

Tamién s'atopen residuos de histidina de les cadenes polipeptídicas, que s'enllacen al átomu de fierro y desígnense como histidinas proximales, yá que tán presentes cerca del grupu hemo, ente que la histidina distal atópase lloñe del grupu hemo.

L'átomu de fierro atopar nel centru del aniellu de porfirina y tien seis valencies. El fierro ta xuníu al nitróxenu de los cuatro aniellos de pirol por cuatro de les sos valencies, la so quinta valencia xunir al nitróxenu de la histidina proximal y la sesta ta ocupada pola hisitidina distal o por dioxígeno.

Puede estudiase les propiedaes del enllaz ente'l dioxígeno y l'hemoglobina a partir de la curva d'enllaz del dioxígeno, que presenta la saturación fraccional, al respeutive de la concentración del mesmu. La saturación fraccional, Y, defínese como'l númberu de sitios d'enllaz enchíos con dioxígeno respectu al númberu total de sitios d'enllaz posibles nuna molécula d'hemoglobina. El valor de Y puede dir dende 0 (tolos sitios d'enllaz tán ensin dioxígeno) hasta 1 (tolos sitios d'enllaz tán enllazaos con dioxígeno). La concentración de dioxígeno midir en presión parcial, pO₂.

La curva d'enllaz de la hemoglobina ye sigmoidea. Esta forma de la curva suxure que l'enllaz del dioxígeno a un sitiu d'enllaz, aumenta la probabilidá de que s'enllace otru dioxígeno a un sitiu d'enllaz vacíu. Coles mesmes, la lliberación de dioxígeno d'un sitiu d'enllaz facilita la lliberación de dioxígeno d'otros sitios d'enllaz. A esti comportamientu llámase-y cooperativu, porque les reacciones d'enllaz en sitios d'enllaz individuales en cada molécula d'hemoglobina tán rellacionaes ya inflúin direutamente nes reacciones d'enllaz de los otros sitios d'enllaz de cada molécula.

El comportamientu cooperativu de la hemoglobina ye indispensable pa un tresporte eficiente del dioxígeno dientro del cuerpu. Nos pulmones, la hemoglobina encher nun 98 % de dioxígeno. Esto quier dicir qu'un 98 % de los sitios d'enllaz de cada molécula d'hemoglobina tán enllazaos a una molécula de dioxígeno. Al movilizase la hemoglobina pola sangre, llibera'l dioxígeno a les célules, y el so nivel de saturación amenorgar a un 32 %. Esto quier dicir qu'un 66 % (98 % − 32 % = 66 %) de los sitios d'enllaz de la hemoglobina contribúin al tresporte y descarga de dioxígeno. Si una proteína que nun presenta un comportamientu d'enllaz cooperativu, realiza'l mesmu trabayo que la hemoglobina, la so eficiencia va vese amenorgada notablemente, por casu la mioglobina tien una eficiencia del 7 %.

La presión a la cual la hemoglobina atópase enchida nun 50 % (p50) amuesa l'afinidá de distintos tipos d'hemoglobina respeuto al dioxígeno. Na HbA (hemoglobina adulta), la p50 ye a 26 mm de Hg, ente que la HbF (hemoglobina fetal) tien el p50 a 20 mm de Hg. Esta diferencia na afinidá relativa pol O₂ dexa a la HbF estrayer dioxígeno de la HbA del sangre placentario de la madre por que'l fetu utilizar. Dempués de la nacencia, la HbF ye reemplazada pola HbA.

El comportamientu d'enllaz cooperativu de la hemoglobina col O₂ rique que l'enllaz del dioxígeno nun sitiu d'enllaz nel tetrámeru de la hemoglobina influya nos otros sitios d'enllaz dientro de la mesma molécula. Estos cambeos se evidencian na so estructura cuaternaria. Los dímeros α1β1 y α2β2 rotan aproximao 15 graos l'unu respectu al otru.

La estructura cuaternaria reparada nel estáu desoxigenado de la hemoglobina conozse como l'estáu T (tirante), una y bones les interacciones ente les sos subunidades son fuertes. Ente que la estructura de la hemoglobina dafechu osixenada, oxihemoglobina, ye conocida como l'estáu R (relaxáu), una y bones les interacciones ente les sos subunidades atópense debilitaes (o relaxaes). Al desencadenar el pasu del estáu T al estáu R, l'enllaz d'una molécula de dioxígeno aumenta l'afinidá d'otros sitios d'enllaz.

Puede esplicase la cooperatividad de la hemoglobina a partir de distintos modelos. Desenvolviéronse 2 modelos distintos. El modelu alcordáu (Modelu MWC) esplica que la hemoglobina tien namái 2 formes: l'estáu T y l'estáu R. Al enllazase con un amestando, l'equilibriu camuda ente estos 2 estaos. La desoxihemoglobina considerar n'estáu T. Pero al enllazase una molécula de dioxígeno, l'estáu R ta bien favorecíu. Nesti estáu favorezse fuertemente l'enllaz de más molécules de dioxígeno. Nesti modelu, cada tetrámeru puede esistir puramente en dos estaos (T o R). Sicasí'l modelu secuencial esplica que la unión d'un dioxígeno a la hemoglobina favorez la unión de más dioxígenos, pero nun significa un cambéu total del estáu T al estáu R.

Oxihemoglobina

L'artista Julian Voss-Andreae creó en 2005 una escultura denomada Corazón d'Aceru (Heart of Steel) basada na estructura central de la proteína. Esta escultura ta fecha de vidriu y aceru corten. La oxidación intencional d'una obra primeramente brillosa reflexa la reacción química fundamental del dioxígeno enllazáu al fierro na hemoglobina. Les imáxenes amuesen la escultura de 1,6 metros d'altor darréu dempués de la so instalación, depués de 10 díes y dempués de dellos meses d'esposición al ambiente.

Cuando la hemoglobina tien xuníu dioxígeno denominar oxihemoglobina o hemoglobina osixenada, dando l'aspeutu coloráu o escarlata intensu característicu de la sangre arterial. Cuando pierde l'osíxenu, denominar desoxihemoglobina o hemoglobina amenorgada, y presenta el color coloráu escuru del sangre venoso (manifiéstase clínicamente por cianosis).

• Reacción paso a pasu:

$\mathrm {Hb+O_{2}\leftrightarrow HbO_{2}}$

$\mathrm {HbO_{2}+O_{2}\leftrightarrow Hb(O_{2})_{2}}$

$\mathrm {Hb(O_{2})_{2}+O_{2}\leftrightarrow Hb(O_{2})_{3}}$

$\mathrm {Hb(O_{2})_{3}+O_{2}\leftrightarrow Hb(O_{2})_{4}}$

• Reacción total:

$\mathrm {Hb+4\ O_{2}\rightarrow Hb(O_{2})_{4}}$

Efeutores alostéricos: 2,3-bisfosfoglicerato

Nes célules coloraes ye crucial la presencia del 2,3-bisfosfoglicerato, una y bones ésti determina l'afinidá de la hemoglobina col dioxígeno. Por que la hemoglobina funcione eficientemente, l'estáu T tien de permanecer estable hasta que la unión de suficientes dioxígenos dexe la transición al estáu R. L'estáu T ye bien inestable; esto mueve l'equilibriu escontra l'estáu R. Esto resultaría nuna baxa lliberación de dioxígeno nos texíos. Polo tanto ye necesariu un mecanismu adicional pa estabilizar l'estáu T. Esti mecanismu afayar a partir de la comparanza de l'afinidá col dioxígeno de la hemoglobina nun estáu puru y nes célules coloraes. Atopóse que nun estáu puru la hemoglobina enllazar fuertemente al dioxígeno, enzancando la so lliberación, ente que nes célules coloraes la so afinidá ye menor. Esta diferencia deber a la presencia del 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BPG). Esti compuestu ta presente nes célules coloraes del sangre a una concentración igual a la concentración d'hemoglobina (~ 2 mM).

El 2,3-BPG enllazar al centru del tetrámeru, nun bolsu' que solo ta presente nel estáu T. Na transición de T a R, esti bolsu' colapsa y llibérase el 2,3-BPG. Por que esto asoceda los enllaces ente la hemoglobina y el 2,3-BPG tienen de rompese, y de la mesma cuando esti compuestu ta presente precísense mayores enllaces de dioxígeno cola hemoglobina, por que ésta camude la so forma de T a R. Polo tanto la hemoglobina caltener nel so estáu T de baxa afinidá hasta qu'algame un mediu con altes concentraciones de dioxígeno. Por cuenta de esto llámase-y al compuestu 2,3-BPG efeutor alostérico. La regulación per parte d'una molécula estructuralmente distinta al O₂ ye posible gracies al enllaz del efeutor alostérico nun sitiu dafechu distintu a los sitios d'enllaz del dioxígeno na hemoglobina.

Efeutu Bohr

L'aumentu d'oxixenación de la hemoglobina nos pulmones y la rápida lliberación de dioxígeno nos texíos gracies a los efeutos del pH y la presión parcial del dióxidu de carbonu, pCO₂, ye conocíu como l'efeutu Bohr. Los texíos de metabolización rápida, como'l músculu mientres la contraición, xeneren grandes cantidaes d'iones d'hidróxenu y dióxidu de carbonu. Pa lliberar dioxígeno onde ye más necesariu, la hemoglobina evolucionó pa responder a les concentraciones d'estos dos sustancies. Al igual que'l 2,3-BPG, los iones d'hidróxenu y el dióxidu de carbonu son efeutores alostéricos de la hemoglobina que se xunen a sitios distintos a los sitios d'enllaz del dioxígeno.

L'afinidá de la hemoglobina respeuto al dioxígeno mengua, al baxar el valor del pH de 7,4. Poro, cuando la hemoglobina mover escontra la rexón con menor pH, tiende a lliberar más dioxígeno. Por casu, el tresporte dende los pulmones, con pH de 7,4 y un pO₂ de 100 torr, escontra'l músculu activu, con un pH de 7,2 y una presión de dioxígeno parcial del 20 torr, resulta na lliberación d'un 77 % del total de dioxígeno que lleva una molécula d'hemoglobina. Ente que nel casu de nun atopase nengún cambéu de pH o de la pO₂ lliberaríase solo un 66 % del total de dioxígeno de la hemoglobina.

Nel metabolismu aeróbico nos texíos, el CO₂ lliberáu y la pCO₂ aumenten con una medría simultánea d'iones H⁺. El pH de los texíos amenórgase por cuenta de la formación d'ácidos metabólicos como'l ácidu carbónico y láctico. A pH so l'afinidá de la hemoglobina escontra'l dioxígeno amenórgase y aumenta la velocidá de disociación del dioxígeno de la oxihemoglobina nos texíos. La condición inversa prevalez nos pulmones, onde pCO₂ ye baxa y el pH ye alto, polo tanto l'afinidá de la hemoglobina pa xunise con O₂ aumenta. Al enllazase col primer dioxígeno, la hemoglobina sufre cambeos conformacionales y pasa del estáu T al R, aumentando asina la cooperatividad.

La hemoglobina enllazar al dióxidu de carbonu nos texíos dempués de lliberar dioxígeno, y tresporta el 15 % del total de CO₂ tresportáu nel sangre. Tamién tien una función como tampón químicu, yá que s'enllaza a dos protones per cada cuatro molécules de dioxígeno lliberaes, polo tanto contribúi al caltenimientu d'un pH constante nel sangre.

Importancia biomédica

Toles condiciones fisiolóxicu y clínicu asociaes con falta de dioxígeno aguiyen la producción de 2,3-DPG nos eritrocitos, lo cual resulta nun aumentu de lliberación de dioxígeno de la hemoglobina. Hipoxia: nun estáu hipóxico, la concentración de 2,3-DPG nes célules coloraes ye alzada, por cuenta de un aumentu na glucólisis. Este ye un exemplu de l'adautación a la hipoxia per parte del cuerpu. Anemia: ye una condición clínica asociada con un amenorgamientu del nivel d'hemoglobina nel sangre. Esto xenera un suministru probe de dioxígeno a los texíos. Na anemia, la concentración de 2,3-DPG nes célules coloraes ye alzada, aumentando la lliberación de dioxígeno. Adautación a altor: les persones que viven en rexones gran altitú, onde la concentración de dioxígeno ye baxa, el cuerpu realiza dellos cambeos fisiolóxicos p'afaese a estes condiciones. Estos cambeos inclúin hiperventilación, policitemia y un aumentu na producción de 2,3-DPG nos eritrocitos.

Tipos d'hemoglobina

• Hemoglobina A o HbA, tamién llamada hemoglobina del adultu o hemoglobina normal, representa aproximao'l 97 % de la hemoglobina nel adultu. Ta formada por dos globinas alfa y dos globinas beta.
• Hemoglobina A2: representa menos del 2,5 % de la hemoglobina dempués de la nacencia. Ta formada por dos globines alfa y dos globinas delta. Sufre un aumentu marcáu na beta-talasemia, al nun podese sintetizar globinas beta.
• Hemoglobina S: hemoglobina alteriada xenéticamente y presente na anemia de célules falciformes. Afecta predominantemente a la población afroamericana y amerindia.
• Hemoglobina F: hemoglobina fetal: formada por dos globinas alfa y dos globinas gamma. Tres la nacencia baxa la síntesis de globinas gamma y aumenta la producción de globinas beta.
• Oxihemoglobina: representa la hemoglobina que tien xuníu dioxígeno (Hb+O₂)
• Metahemoglobina: hemoglobina que'l so grupu hemo tien el fierro n'estáu férrico, Fe(III) (esto ye, ferruñosu). Esti tipu d'hemoglobina nun puede xunir dioxígeno. Producir por una enfermedá conxénita na cual hai defectu de metahemoglobina reductasa, enzima encargada de caltener el fierro como Fe(II). La metahemoglobina tamién puede producise por intoxicación de nitritos.
• Carbaminohemoglobina: referir a la hemoglobina que xunió dióxidu de carbonu, CO₂, dempués del intercambiu gaseosu ente los glóbulos coloraos y los texíos (Hb+CO₂).
• Carboxihemoglobina: hemoglobina resultante de la unión col monóxidu de carbonu, CO. Ye letal en grandes concentraciones (40 %). El CO presenta una afinidá 210 vegaes mayor que'l dioxígeno pola hemoglobina, polo que mueve a ésti fácilmente y produz hipoxia tisular, pero con una coloración cutanea normal (produz coloración sanguínea fuertemente colorada) (Hb+CO).
• Hemoglobina glucosilada: anque s'atopa de normal presente en sangre en baxa cantidá, en patoloxíes como la diabetes vese aumentada. Ye la resultancia de la unión de la hemoglobina con glucosa o otros carbohidratos llibres.

Tamién hai hemoglobines de los tipos: Gower 1, Gower 2 y Portland. Estes solo tán presentes nel embrión.

Valores de referencia

Los valores de referencia varien d'alcuerdu a cada llaboratoriu clínicu y por eso especifíquense al solicitar la prueba. Dependen del allugamientu del mesmu, específicamente de l'altitú, de la calidá de les téuniques usaes, etc.

Hemoglobina, valores de referencia

Sexu	Hemoglobina mínimu	Hemoglobina máximu	Hematocrito mínimu	Hematocrito máximu
Home	13,8 g/dL	16 g/dl	42 %	52 %
Muyer	12,1 g/dL	15,1 g/dl	36 %	48 %

Ver tamién

• Proteína
• Sangre

Bibliografía

• Khalsa, Nisha. Essentials of Biochemistry.Jaipur, IND: Global Media, 2008. p 486. http://site.ebrary.com/lib/bibliotecauniandes/Doc?id=10416762&ppg=486
• Berg Jeremy M.; Tymoczko John L.; Stryer Luber. Biochemistry. W. H. Freeman and Company, 2010. Chapter 5.

• Datos: Q43041
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