La hemoglobina contiene cuatro cadenas polipéptidas: dos subunidades alfa idénticas (α1, α2), con 141 residuos de aminoácidos y dos subunidades beta idénticas(β1, β2), con 146 residuos de aminoácidos; contiene, además, cuatro grupos hemo.
Las cuatro cadenas tienen forma de tetrahedro y están estabilizadas por interacciones hidrofóbicas y puentes salinos. El elemento estructural hélice alfa existe en ocho regioens de la cadena proteínica, lo que constituye más del 75% de esa cadena. Cada región estáa interrumpida por un residuo de prolina y/o una vuelta.
Grupo Prostético Hemo:
Es una protoporfirina IV con un ion ferroso: Fe2+, que está sujeto por enlaces covalentes coordinados (atracciones entre pares solitarios y el núcleo positivo de ion ferroso). Estos enlaces son entre el nitrógeno de un Pirrol, o más específicamente, de 4 anillos de Pirrol, y el ion ferroso. Es una interacción ácido/ base de Lewis: el ion metalico es ácido, porque acepta pares electrónicos en orbitales d disponibles; es el ligando. El grupo enlazante es la base porque tiene pares electronicos disponibles para donar.
El grupo hemo se encuentra en la cavidad o hendidura de las cadenas proteícas. Los grupos vinílicos hidrofóbicos de la porfirina están rodeados de cadenas laterales hidrofóbicas de aminoácidos. Los dos propionatos (-CH2CH2COO-) se encuentran yuxtapuestos (uno al lado del otro) a nitrógenos cargados positivamente en cadenas laterales de residuos de Lisina y Arginina, respectivamente.
El ion ferroso está coordinado al nitrógeno del anillo de imidazol de la cadena lateral de histidina en la cadena alfa y beta: uno próximo (histidina proximal) y otro distante (distal).Este último estabiliza el lugar de enlace con oxígeno.
Los cuatro grupos hemo son lugares de unión con oxígeno; por tanto, cada molécula de hemoglobina puede unir, en forma reversible, cuatro moléculas de O2. Para ello, el hierro tiene que estar en estado ferroso, Fe2+. Hierro en estado férrico, Fe3+, es incapaz de unirse al O2. Para evitar la oxidación Fe2+----> Fe3+ , está la histidina distal.
La unión con O2 sigue el siguiente esquema reactivo:
La reacción (1) indica la combinación de una molécula de O2 con uno de los grupos hemo. La oxigenación altera el radio efectivo de ion Fe2+, reduciendolo (disminuyendo la nuble electrónica). Como resultado, el átomo de hierro, que no estaba originalmente centrado en el plano de la protoporfirina, se mueve ahora a ese plano:
Este desplazamiento al plano de la protoporfirina altera o distorciona la cadena de globina, causando un cambio conformacional. Como consecuencia de este cambio se rompen varios puentes salinos inter-cadena. El cambio estructural en una subunidad afecta al resto de las subunidades, causando cambios estructurales en éstas y alterando la afinidad por el oxígeno, haciéndolas más afines. Por lo tanto, la unión con O2 en sitio de una subunidad afecta la afinidad de unión en los sitios de las restantes subunidades.
Los cambios conformacionales se disparan por pequeñas modificaciones en los puntos de contacto entre las subunidades (ruptura de enlaces ionicos o puentes salinos). Es como un "mensaje" transmitido por medio de movimientos en la cadena poplipéptida. Estos cambios reciben el nombre de interacciones alostéricas o alosterismo.
Las interacciones no covalentes entre las subunidades de cada dímero alfa y beta se mantienen inalterados cauando la hemoglobina se interconvierte entre su forma oxigenada y desoxigenada, pero el pequeño número de interacciones entre los dos dímeros cambia sustancialmente durante esa transición.
Al oxigenarse, los puentes salinos y ciertos puentes de hidrógeno se rompen según los dímeros α1β1 y α2β2 se deslizan entre sí y rotan unos 15°. La conformación desoxigenada (deoxiHb) se conoce como estado (T), estado Taut (o tenso). La hemoglobina oxigenada (oxiHb) está en el estado (R), o estado relajado. Por las interacciones alostéricas, los cambios conformacionales en una subunidad se propagan rápidamente a las otras subunidades, lo que causa que la hemoglobina alterne entre los estados (R) y (T), sus dos conformaciones estables.
La hemoglobina tiene una baja afinidad por O2, por lo que la unión con éste ocurre lentamente al principio en una de sus subunidades. Según se une el O2,, la afinidad aumenta en los otros lugares de unión de las restantes subunidades. Este fenómeno se conoce como unión cooperativa o interacciones cooperativas o, simplemente, cooperatividad.
La cooperatividad es, pues, el efecto que se dá cuando la unión de un ligando afecta la unión de ligandos subsecuentes (idénticos o diferentes) en otros lugares (idénticos o diferentes). Puede ser:
-Positiva: la unión de un ligando aumenta la unión de ligandos subsecuentes. (Por ejemplo, en hemoglobina, la unión de un primer oxígeno aumenta la unión de los O2 subsecuentes).
-Negativa: la unión de un ligando disminuye la unión de ligandos subsecuentes. (Por ejemplo, la remoción de una primera molécula de O2 de la hemoglobina aumenta la disociación de las restantes moléculas de O2).
Una gráfica de % de saturación con O2 vs pO2, (presión parcial o concentración de O2,) describe una curva sigmoidal para hemoglobina y otra hiperbólica para mioglobina.
La curva sigmoidal es típica cuando ocurre la unión cooperativa de las molécula de O2: la afinidad de la deoxiHb por el O2 es relativamente baja; sin embargo, una vez se una la primera molécula de O2, la segunda, tercera y cuarta molécula lo hacen con mayor afinidad. Cuando la primera molécula de O2 se une a un sitio hemo, se transmite el mensaje a los demas grupos hemo por medio de cambios conformacionales en la cadena proteínica (alosterismo).
Si la curva describe una hipérbola, entonces se tiene un sistema en la que hay una mayor afinidad por oxígeno. Este es el caso de la mioglobina, hemoproteína de una sóla cadena proteínica encargada de facilitar el transporte de oxígeno en los músculos.
EFECTO BOHR:
La unión cooperativa de O2 a hemoglobina está influenciada por la concentración de H+ y el CO2, ya que estos, al unirse a la hemoglobina, provocan cambios en su estructura cuaternaria que estabilizan la deoxiHb y desestabilizan la oxiHb. Esto disminuye la afinidad porO2 y promueve su liberación (cooperatividad negativa). Así, un bajo pH en los tejidos, indicando una demanda de oxígeno, facilita la liberación de oxígeno. Esta respuesta es el efecto Bohr.
Las células metabólicamente activas requieren de altas concentraciones de O2 para generar energía; también generan altas concentraciones de H+ y CO2. El CO2 se difunde a la sangre y reacciona con agua para producir HCO3- y H+:
Los iones H+ se unen a grupos ionizables de la hemoglobina, causando la liberación de O2 (hemoglobina en estado T):
HbO2- + H+ ----> HHb+ + O2
El HCO3- es tranportado por la sangre a los pulmones. Cuando la hemoglobina se oxigena en los pulmones (estado R), se libera H+ que reacciona con HCO3- para formar H2CO3, que, a su vez, se disocia en H2O y CO2. El CO2 se exhala en forma de gas:
(1) HHb+ + O2 <====> HbO2 + H+
(2) H+ + HCO3- <===> H2CO3 <====> H2O + CO2
Una parte del CO2 deschado por las células se una a la hemoglobina y es transportada por ésta en forma de carbamato (-NHCOO-). Esto se logra por la reacción entre grupos -NH2 libres en la hemoglobina y CO2:
Como la reacción es reversible, en los tejidos se desplaza hacia la derecha por la alta concentración de CO2 y la hemoglobina pierde elO2:
Oxígeno es inhalado hacia los pulmones a una alta pO2, donde es transportado a tejido respiratorio (por ejemplo, los músculos), donde la pO2 es baja. Por tanto, el O2 se disocia de la hemoglobina (Hb) y se difunde hacia los tejidos donde se usa para oxidar el combustible metabólico en CO2 y H2O.
En los músculos, el O2 primero se une a mioglobina (Mb), cuya afinidad por O2 es mayor que la de hemoglobina. La hemoglobina y el CO2 (mayormente en forma de HCO3-) retornan a los pulmones, donde el CO2 es exhalado.
HbO2- + H+ ----> HHb+ + O2
En los pulmones, debido a la baja conecntración de CO2, la reacción se desplaza hacia la izquierda, con la consecuente liberación de CO2 y Hemoglobina. Esta última esta lista para aceptar el oxígeno:
HHb+ + O2 <====> HbO2 + H+
Resumen
