Hemoglobina y mioglobina PDF

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APUNTES HEMOGLOBINA Y MIOGLOBINA ARILLA PRIMER PARCIAL...

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TANYA EMILIA TALPOS

III. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS 6. MIOGLOBINA Y HEMOGLOBINA 1. HEMOGLOBINA Está dentro del glóbulo rojo (280 millones/glóbulo rojo). Es una proteína con estructura cuaternaria. Está formada por cuatro cadenas polipeptídicas llamadas globinas. Cada cadena globínica tiene un grupo hemo:

Interés fisiológico • Transporte: Transporta el oxígeno (O2) a los tejidos desde los capilares alveolares, y el transporte de anhídrido carbónico (CO2) de los capilares de los tejidos a los pulmones; también se transporta óxido nítrico (NO). • Papel amortiguador: Amortigua protones (H+). • Interés clínico: Mecanismos moleculares de la patología relacionados con la hemoglobina. La interacción de la hemoglobina (Hb) con el monóxido de nitrógeno (NO) provoca problemas cuantitativos como la anemia, y cualitativos, ya que la secuencia de aminoácidos se ve alterada.

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1.1 ESTRUCTURA DE LA HEMOGLOBINA Consta de una fracción proteica y una no proteica. La globina tiene 4 cadenas polipeptídicas, en el interior el grupo hemo protegido. Estas 4 cadenas se estudian individualmente en la estructura primaria. A. Estructura primaria Tiene 9 residuos críticos (invariables en todas las especies animales) que son 9 aminoácidos. Debemos estudiar la estructura por orbitales del grupo imidazólico de la histidina (hay residuos de histidina que tienen el papel amortiguador de H+).

El N excitado da un par de electrones a la nube π, el C y el N no excitado dan un electrón. El par de electrones del N no excitado que quedan en el plano pueden unirse con el hierro. El anillo imidazólico puede coger un protón y actuar como tampón o unirse a un orbital vacío del hierro. Cuando se compara la secuencia de aminoácidos de hemoglobina con la molécula de mioglobina (localizada en el músculo, con una única cadena), los plegamientos de la única cadena de mioglobina en el espacio son prácticamente idénticos a los de una cadena de hemoglobina. En cambio, la secuencia de aminoácidos tiene muchas diferentes (la estructura primaria es distinta). Las cadenas de la estructura primaria pueden ser: - α: 141 aminoácidos - B: 146 aminoácidos - ɣ: 146 aminoácidos B. Estructura secundaria En una sola cadena, el 70% es α-hélice.

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C. Estructura terciaria Es la estructura tridimensional. Las 4 cadenas polipeptídicas, junto con el grupo hemo, tienen una estructura más o menos globular. Cuando se compara la estructura tridimensional de una cadena de la hemoglobina con la única cadena de la mioglobina, es sorprendentemente similar (aunque la estructura primaria sea distinta). La mioglobina fija el oxígeno dentro de la fibra muscular y se la da según las necesidades del músculo, mientras que la hemoglobina sirve para el transporte de dicho oxígeno. En la hemoglobina, el exterior es polar y el interior es no polar. Es natural que así sea, puesto que lo que está dentro es el grupo hemo. D. Estructura cuaternaria Las 4 cadenas polipeptídicas (+ grupo hemo) se mantienen por: - Enlaces cruzados (no confundir con enlaces covalentes cruzados, si no no sería estructura cuaternaria) con el 2,3-bifosfoglicerato (metabolito de la vía glucolítica del glóbulo rojo). Somos una unidad morfológica funcional. Se establecen cuando la globulina ha liberado el oxígeno, es decir, cuando tenemos la desoxihemoglobina. - Enlaces de H. - Enlaces salinos: casi solo en la desoxihemoglobina. - Fuerzas de Van der Waals Estos hacen que casi sea esférica, con un diámetro aproximado de unos 55 Å. La oxihemoglobina (forma relajada o R que tiene O2) y la desoxihemobina (forma tensa o T que no tiene O2) tienen distinta estructura cuaternaria. Cada tramo de hélice doblada que forma una cadena se denomina A, B, C, E, F… En la cadena polipeptídica está la histidina proximal (aminoácido del segmento F de la cadena globínica F8). En el segmento E de otra cadena está la histidina distal (E7).

Los puentes disulfuro de inmunoglobulinas son una asociación polimolecular, no una estructura cuaternaria.

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Tipos de hemoglobina: - A1: 97%. Formada por dos cadenas α y dos cadenas beta. - A2: 2%. Formada por dos cadenas α y dos cadenas delta. - Hemoglobina embrionaria: Formada por dos cadenas α y dos cadenas épsilon. - Hemoglobina fetal (del tercer al octavo mes) - Hemoglobina glicosidada AIC: Se descubre por primera vez en el paciente diabético (se demuestra que la glucosa se puede incorporar en la molécula de hemoglobina). Utilidad: la glucemia da una idea de la concentración de glucosa en un día, mientras que la hemoglobina glicosidada indica la concentración de glucosa en un periodo de un mes e incluso dos meses (con perspectiva). Interacciones entre subunidades (no covalentes)

- Entre α y β: α1β1, α2β2, α1β2, α2β1. Son interacciones fisiológicas debidas a -

enlaces de carácter hidrofóbico, enlaces de hidrógeno y pares iónicos (enlaces salinos). α1α2 y β1β2: escasas, de carácter polar.

Enlaces salinos Nos permiten entender el funcionamiento de la hemoglobina. Tomamos las 4 cadenas peptídicas de la globina (B2, α1, α2, B1). Todos los enlaces salinos son electrostáticos (interacciones no covalentes). Hay enlaces salinos entre:

-

La histidina 146 (cadena B2) y el aspártico 94 (cadena B2) La histidina 146 (cadena B2) y lisina (cadena α1) El aspártico 126 (cadena α1) y arginina 141 (cadena α2) La arginina 141 (cadena α1) y aspártico 126 (cadena α2) El grupo carboxilo terminal de la cadena α1 y el grupo amino terminal de la cadena α2 El grupo carboxilo terminal de la cadena α2 y el grupo amino terminal de la cadena α1 La lisina 44 y grupo carboxilo terminal de la cadena B1

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Grupo hemo Hay 4 grupos hemo, con 4 hierros; cada grupo es capaz de transportar una molécula de oxígeno. El hierro está unido a los 4 vértices del plano del grupo hemo (4 átomos de N). Tomamos un fragmento de globulina dentro de la estructura globular; en este fragmento, hay una histidina F8 o histidina proximal (dentro de la hélice F de la globulina). Esta histidina se une al hierro, por lo que el hierro tiene 5 enlaces: 4 con los N de los vértices y 1 con la histidina proximal. El hierro no siempre está en el plano del grupo hemo. Si no hay oxígeno (en la desoxihemoglobina), el hierro sobresale sobre el plano del grupo hemo. En la oxihemoglobina, cuando se encuentra con el oxígeno, este aparecerá por el otro lado del plano, contrario a la histidina de la cadena de globina. Si se une el oxígeno, el hierro desciende al plano del grupo hemo. De esta forma, arrastra con su movimiento a la histidina proximal (a nivel molecular) y, por tanto, arrastra la hélice F. Esta hélice no está aislada, está interaccionando con enlaces salinos con otras moléculas, por lo que las consecuencias serán mayores. Al lado del oxígeno, tenemos la hélice E de la misma cadena de globina (no está unida por ningún enlace). Esta hélice tiene una histidina en la posición 7: histidina E7 o histidina distal. Estructura: El grupo prostético de la hemoglobina es el grupo hemo, formado por la protoporfirina IX y un átomo de hierro. Los dobles enlaces conjugados o alternos aportan el color rojo a la hemoglobina. El hierro se une a esta estructura: se introduce en forma de Fe2+. Para ello, deben salir los dos hidrógenos que acompañan a los nitrógenos del centro. Parte no proteica El grupo prostético de la hemoglobina es el grupo hemo, formado por la protoporfirina IX y un átomo de hierro. Los dobles enlaces conjugados o alternos aportan el color rojo a la hemoglobina. El Hierro se une a estructura en forma de Fe2+. Para ello, deben salir dos hidrógenos de los grupos NH. Para esto hay que estudiar la estructura orbitálica de los pirroles.

5 PROTOPORFIRINA IX

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La estructura orbitálica del pirrol con NH

• Nitrógeno: 1s2 2s2 2p3

Consideramos que se excita el nitrógeno: Un e- del nivel s del nitrógeno puede saltar al último orbital del nivel p. Puede haber una hibridación sp2 (el orbital s y los dos primeros del p). El orbital que está fuera, estaría perpendicular al plano.

• Carbono: 1s2 2s2 2p2

Lo excitamos, pasando un e- del orbital s al último orbital p. Hay una hibridación sp2. Así, cogemos el orbital s y 2 primeros orbitales p.

La estructura orbitálica del pirrol con N (sin H)

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• Nitrógeno Se acepta que el nitrógeno está sin excitar. Si no se produce salto de electrones, seguiría habiendo una hibridación sp2, estando los 3 en un mismo plano, pero uno de ellos llevaría un par de electrones (el orbital s) y el último orbital p (no participa en la hibridación) estaría perpendicular al plano. En el plano del pirrol, tenemos el par de e- del nitrógeno que no está excitado. Si estuviese excitado, el par de e- del nitrógeno estaría perpendicular al plano. Así, tenemos un par del e- está disponible para ocupar un orbital vacío del hierro (es decir, se puede producir la unión entre el hierro y el N). Electrones en la nube π de la porfirina del grupo hemo I.

PIRROLES CON NH

• Pirrol 1 (par de e- perpendicular al plano): - C: 4 e- N: 2 e• Pirrol 2 (par de e- perpendicular al plano): - C: 4 e- N: 2 eII. PIRROLES SIN H • Pirrol 3 (par de e- en el mismo plano): - C: 4 e- N: 1 e• Pirrol 4 (par de e- en el mismo plano): - C: 4 e- N: 1 eEn total hay 22 e- en la nube π. Esto nos permite entender el funcionamiento de la molécula.

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Configuración electrónica del hierro El átomo de Fe tiene 26 e- (Z: 26). - Fe:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 - Fe2+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 Tenemos en cuenta el orbital 4s y 4p (vacíos).

Hay 4 e- despareados en el orbital 3d6. Hay orbitales dxy, dxz, dyz (los tres primeros), que se localizan en las bisectrices; y orbitales dz2 dx2y2 (los dos últimos), que se localizan en los ejes.

Oxígeno: 1s2 2s2 2p4

Hay una hibridación sp2. Cogemos un orbital s y los 2 primeros orbitales p. Cuanto más cerca están los e- del núcleo, la atracción es mayor. Tiene por tanto más energía el e- que está más lejos del mismo, está más libre, no hay tanta atracción por parte del núcleo. Hay una teoría (CLOA) de que los orbitales atómicos se pueden combinar (ya que son respuestas a ecuaciones matemáticas), dando lugar a los orbitales moleculares . Los eque se van a relacionar formando un solo orbital molecular pueden: - Quedarse entre los dos núcleos: son los e- que tienen menos energía puesto que son atraídos por los dos núcleos; su capacidad de libertad es limitada. Forman un orbital enlazante. - Quedarse por fuera de los dos núcleos. Forman un orbital antienlazante (se representan con *). 8

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La molécula de oxígeno está formada por 2 átomos de O (tomamos los e- de ambos). Tenemos 2 e- en un orbital s y otros 2 e- en otro orbital s. Así, se combinan 4 e-. Los esiempre, cuando se combinan orbitales, ocupan el de menor energía.

Para los orbitales p, disponemos de los 4 e- de un átomo de O y los 4 e- del otro átomo de O, correspondientes a cada orbital p. Por estudios, los e- del orbital py y los del orbital pz tienen la misma energía. Esto da como resultado que nos quede un orbital vacío y dos orbitales que están ocupados por un único e-. Se acerca la molécula de O a la de hemoglobina, y lo hace por el lado contrario a donde se encuentra el hierro. El orbital pz antienlazante recibe un e- del orbital py antienlazante, quedándose este último vacío. Este par de e- que ahora hay en el orbital pz antienlazante son los que serán cedidos al hierro (uniéndose al orbital dz2 del hierro que está vacío). Es solapamiento frontal (σ). Hay datos experimentales que apoyan la teoría de que el orbital py antienlazante vacío interacciona con el orbital dyz (está en una bisectriz y tiene 2 e-). Es solapamiento lateral (π).

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Molécula de hierro Fe2+ en la desoxihemoglobina Al tener dos cargas positivas puede establecer dos enlaces iónicos con dos cargas negativas de la protoporfirina IX. Se establecen con los N pirrólicos. Además, establece 2 enlaces covalentes dativos con los N pirrólicos que comparten un par de electrones 1 uno con la histidina F8 de la cadena globínica. Ligandos del hierro en la desoxihemoglobina: 4 nitrógenos desoxipirrólicos y 1 histidina proximal.Tenemos así 5 enlaces.

La desoxihemoglobina tendrá la forma de una pirámide de base cuadrada, el Fe2+ se localiza algo por encima de la base. La histidina proximal está en el vértice. Se pueden incorporar 10 e- (2 por cada ligando). Colocamos los e- de los ligandos con menos energía que los del hierro. Utilizamos los orbitales 3d, 4s y 4p del hierro. Cuando se acercan los e- por la proximidad de los ligandos al hierro, se produce un salto de los e- del último orbital d al segundo, quedando vacíos los orbitales 4s, 4p y el último 3d. Así, tenemos 2 pares de e- apareados y 2 electrones sin compartir, junto con orbital 3d vacío. El orbital del hierro que interviene en estas uniones es el dx2y2 (ha pasado de ser no enlazante a enlazante al quedar vacío). Los 10 e- de los ligandos se han unido y los colocamos en estos orbitales vacíos que tiene ahora el hierro. Ligandos del hierro en la oxihemoglobina: 4 nitrógenos desoxipirrólicos, 1 histidina proximal y 1 molécula de oxígeno. Ahora hay 6 ligandos. Pasamos de una pirámide de base cuadrada a un octaedro. La histidina proximal está en el vértice superior y la molécula de oxígeno en el vértice inferior. Se pueden incorporar 12 e- (2 por cada ligando; ahora hay 6 ligandos). Por ello, necesitamos 6 orbitales vacíos (uno más que antes). 10

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Utilizamos los orbitales 3d, 4s y 4p del hierro. Cuando se acercan los e- por la proximidad de los ligandos al hierro, se produce un salto de los e- del último orbital d al segundo y del penúltimo orbital d al tercero, quedando vacíos los orbitales 4s, 4p y los dos últimos del 3d. Así, tenemos 3 pares de e- apareados y ningún e- sin compartir, junto con los dos orbitales 3d vacíos. Los 12 e- de los ligandos se han unido y los colocamos en estos orbitales vacíos que tiene ahora el hierro. OXIGENACIÓN DE LA HEMOGLOBINA 1) Llega la hemoglobina desoxigenada por el capilar. 2) Difusión del O2 de los alveolos al capilar por diferencia de presión parcial de O2, primero al plasma y luego al glóbulo rojo. 3) El O2 crea un gran campo magnético que repele los electrones del Fe2+. Distribución de los electrones del ion Fe2+ en la oxihemoglobina:

Características del Fe2+ en la oxihemoglobina

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Estado de oxidación: +2 Electrones desapareados: 0 Propiedades magnéticas: diamagnético Estado de spin: spin bajo - Radio atómico: ≈ 1’99 Å

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BIOQUÍMICA 1º MEDICINA TANYA EMILIA TALPOS Geometría del complejo: hemos pasado de una pirámide de base cuadrada a un octaedro.

Pasamos de un spin alto a un spin bajo en el atomo de hierro. Asi, disminuye el radio atómico del hierro (pasamos de tener 2 e- desapareados a tener los 3 orbitales apareados). Estos 3 orbitales son no enlazantes (dx,dyz,dxz) por esrae en las bisectrices. No obstante, uno de ellos sirve para unirse a un par de e- del oxígeno. Se producen: - Cambios conformacionales en la molécula de hemoglobina: o Se rompen los enlaces salinos entre cadenas alfa y beta (que provocan la constriccion de la molécula) liberando CO2 y H+. El CO2 cuando reacciona con el agua en presencia de anhidrasa carbónica produce H+ y cuando reacciona con la hemoglobina también libera H+. Esto provoca un acercamiento de las cadenas B, aumenta la accesibilidad al oxígeno (para los grupos hemo d elas cadenas B) o Se rompen los enlaces cruzados de la hemoglobina (los que forma la hemoglobina con el 2,3-bifosfoglicerato). -

Facilita la captación de oxígeno: los primero que captan el oxígeno. Son los grupos hemo de la alfa1 y alfa2.

Electrones cedidos al Fe2+:

El O2 ha disminuido el radio del Fe2+ y le quita las repulsiones electrostáticas. El Fe2+ ahora está en el plano de la protoporfirina. Todos los electrones son cedidos (enlace 12

BIOQUÍMICA 1º MEDICINA TANYA EMILIA TALPOS covalente dativo). Esta estructura cumple todos los requisitos de la hemoglobina en el laboratorio. La oxihemoglobina no tiene e- desapareados, lo que explica las propiedades paramagnéticas y diamagnéticas de la hemoglobina. Esto sirve: - A nivel diagnóstico: podemos medir si hay desoxihemoglobina u oxihemoglobina en nuestro organismo. Ej: hemorragia cerebral. - A nivel de nuestro organismo: nos indica que, el que haya e- desapareados o apareados, cambia el radio atómico de hierro. Es decir, si puede caber o no en el plano del hemo. Cuando aparece el oxígeno molecular, se reduce el radio atómico del hierro. Se observa, a nivel electrónico, porque todos los e- están apareados en el hierro (orbitales no enlazantes), no queda ningún orbital con un e- solo (que sí hay en la desoxihemoglobina). El hierro baja al plano y encaja en el plano del hemo, que anteriormente no cabía debido a su volumen. Además, el hierro arrastra a la histidina proximal puede chocarse con la nube π. La histidina arrastra a la hélice F de la molécula de globina. Así, se alteran los puentes salinos (la estructura terciara y cuaternaria de la molécula). La liberación de 2,3-difosfoglicerato y de protones facilita un acercamiento de las cadenas β de 0’7 nm. Este acercamiento provoca una mayor accesibilidad a los bolsillos del hemo por parte del O2: la oxigenación de un hemo facilita la oxigenación de los hemo restantes (cooperatividad). Al estrecharse la cavidad central se está proyectando el hemo al exterior. DESOXIGENACIÓN DE LA HEMOGLOBINA

El metabolismo aeróbico de la célula consume O2: disminuye la presión parcial de O2. La oxihemoglobina se disocia en hemoglobina + O2. Otros factores que facilitan que se libere O2: !

En los tejidos se libera H+ y CO2 (fuente de H+) del metabolismo celular. El hematíe hace glucólsis y está dando 2,3-difosfoglicerato. Temperatura corporal. Si solo actuara la diferencia de presión parcial se liberaría el 60%. En el cambio de desoxihemoglobina a oxihemoglobina el Asp94 está muy cerca de la His146 de la cadena β, por tanto los electrones se proyectan hacia fuera, aumenta la concentración de protones y es muy fácil que la His146 se protone. La His122 de la cadena α también se protona. Los aminos terminales de la cadena α también se protonan.

- El CO2 se une a los amino terminales de las 4 cadenas. - El 2,3-difosfoglicerato forma enlaces cruzados: se une a grupos amino terminales de la cadena β, a la histidina H21 y la lisina EF6. Son enlaces iónicos. 13

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Estructura del 2,3-difosfoglicerato: solo se encuentra unido a la desoxihemoglobina (forma T). La otra forma alostérica (oxihemoglobina o R) no tiene porque el lugar donde se une no está disponible.

Función del 2,3-difosfoglicerato: - Disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno por los enlaces cruzados que forma con las cadenas β:

- Facilita la liberación de O2: aumenta la cesión de O2 a la sangre capilar. - Dificulta la oxigenación: disminuye la saturación de O2 de la hemoglobina. Significado funcional:

- Adaptación a grandes altitudes: aumenta el...