Mioglobina Y Hemoglobina PDF

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Primer cuatrimestre con Cesar Menor...

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La estructura cuaternaria de las proteínas es propia de proteínas formadas por la unión mediante enlaces débiles de dos o más cadenas polipeptídicas estables, asociadas entre sí, en complejos con estructura terciaria. Estas cadenas pueden ser idénticas o no y se denominan subunidades o protómeros. A las proteínas con estructura cuaternaria se las denomina oligoméricas. Se trata de un ensamblado estable y funcional de subunidades que comprende desde los simples dímeros a enormes complejos. Las diferentes subunidades que componen la proteína pueden tener diversas funciones, además de varios estados conformacionales que implique cambios en su funcionalidad.

A través de la organización proteica cuaternaria se forman estructuras de gran importancia biológica como los microtúbulos, microfilamentos, capsómeros de virus y complejos enzimáticos. Un grupo prostético es el componente no aminoacídico que forma parte de la estructura de las heteroproteínas o proteínas conjugadas. Es un cofactor unido fuertemente a una proteína que realiza la función biológica de esa proteína. Ejemplo de grupos prostéticos son: flavín adenín dinucleótido (reacciones redox), grupo hemo (reacciones redox), pirofosfato de tiamina (descarboxilación), etc.

El grupo hemo es un grupo prostético que forma parte de diversas proteínas, que es plana, insoluble en agua (la parte polar queda viendo hacia afuera) y tiene propiedades apolares y cargas negativas, por lo que tienen un lado polar, entre las que destaca la

hemoglobina, consiste en un ion Fe2+ (ferroso) contenido en el centro de un gran heterociclo orgánico llamado anillo de porfirina, hecho de cuatro grupos pirrólicos unidos entre sí por medio de puentes metino o metileno. No todas las porfirinas contienen hierro, pero una fracción sustancial de las metaloproteínas que contienen el núcleo porfirina, poseen el grupo hemo como grupo prostético; estas proteínas se conocen como hemoproteínas. Las hemoproteínas son son metaloproteínas que poseen un grupo prostético hemo unido covalente y no covalentemente a las cadenas de la proteína y están presentes en una gran cantidad de organismos. En animales, son sintetizadas principalmente en el hígado. El grupo hemo también se encuentra en un gran número de otras hemoproteínas biológicamente importantes tales como la mioglobina, citocromos, catalasa, y la óxido nítrico sintasa endotelial. La mayoría de las hemoproteínas están constituidas de manera que puedan participar en las reacciones de óxido-reducción, mediante el cambio de valencia del átomo de hierro que poseen. Las hemoproteínas poseen diversas funciones biológicas, incluyendo el transporte electrónico de gases diatómicos (O2, N2…), oxidación (peroxidasas, oxigenasas, oxidasas, critocromo P450), catálisis química, y detección de gases diatómicos (como el NO) y transferencia de electrones. El ion hemo sirve como fuente o sumidero de electrones durante transferencias electrónicas o reacciones redox. En el transporte o detección de gases diatómicos, el gas se une al ion hemo. Durante la detección de gases diatómicos, la unión del gas ligando al grupo hemo induce cambios conformacionales en la proteína que lo rodea. 1.

MIOGLOBINA

La mioglobina es una heteroproteína globular, estructuralmente y funcionalmente muy parecida a la hemoglobina. Se encuentra en los músculos para almacenar y facilitar la difusión del O dentro del músculo, ya que es un tejido muy compacto y el O se disuelve muy poco en H2O. No tiene estructura cuaternaria y conjugada, es decir, está formada por aminoácidos y por el grupo hemo. Es un compuesto organometálico ya que presenta una parte orgánica (protoporfirina IX) y una parte

(inorgánica (2+). También presenta una parte proteica (globina) y una parte no proteica (grupo protéstico).

Es una proteína relativamente pequeña constituida por una cadena polipeptídica de 153 residuos aminoácidos y por un grupo hemo que contiene un átomo de hierro. La función de la mioglobina es almacenar oxígeno. La protoporfirina IX es una molécula plana con dobles enlaces deslocalizados debido a una estructura resonante. El hierro se encuentra en el centro del plano de la protoporfirina IX, unido por dos enlaces covalentes puros y dos enlaces covalentes dativos. El hierro, además puede formar dos enlaces, uno por encima y otro por debajo del plano. Se dice que el hierro puede formar seis enlaces de coordinación, cuatro de ellos unidos a los pirroles.

En uno de los extremos encontramos una histidina proximal, que es capaz de unirse al hierro, quedando unido el grupo prostético a la mioglobina. El Fe2+ se dispone en el centro de los pirroles y puede formar enlaces covalentes puros con los dos nitrógenos de carga positiva. También establece enlaces dativos con otros dos nitrógenos, ya que el Fe2+ tiene orbitales vacíos. Aún así, después de que el Fe2+ establezca estos cuatro enlaces, le siguen quedando dos orbitales vacíos, por lo que puede establecer enlaces dativos con otras moléculas, como el oxígeno, la histidina...

1.1.

ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL

Tiene una parte proteica: la globina. Las más importantes son los que están más cerca del grupo hemo, y son la α-hélice F y la α-hélice E. La parte del grupo hemo está dispuesto en una oquedad (dentro de la molécula) con los dos propilos hacia fuera de la estructura, generando una carga negativa. La F8 (histidina proximal) se une a la quinta valencia del Fe2+ mediante un enlace covalente. La E7 (histidina distal) se une a la sexta valencia del Fe2+ mediante un enlace no covalente. La E7 colabora a que el oxígeno se vaya y sea sustituido por el H2O son mayor problema. La parte proteica sirve para crear un ambiente hidrofóbico. Si el grupo hemo estuviera en contacto con el agua, pasaría de Fe2+ a Fe3+, por lo que la molécula quedaría con carga positiva, denominándose hemina, la cual es incapaz de transportar oxígeno. La secuencia de aminoácidos de la mioglobina condiciona su estructura terciaria. La estructura tridimensional de las proteínas se pudo estudiar gracias a la técnica de difracción de rayos X. La mioglobina es de estructura globular tremendamente compacta, con muy pocos huecos en su interior. Tiene una gran cantidad (75%) de estructuras secundarias (tiene 8 centros de α-hélice, numeradas de la A a la H). Tanto la zona F como la E tienen una histidina. En el interior, hay residuos de aminoácidos apolares para evitar la oxidación del hierro y hacia el exterior quedan los polares en contacto con el agua. La única excepción son dos histidinas que quedan en el interior: la histidina proximal, que está en la posición 8 de la hélice F; y la histidina distal, que está en la posición 7 de la hélice E. Cuando la mioglobina no transporta la molécula de O2, lleva una molécula de agua. 1.2.

FUNCIÓN

La mioglobina es una proteína sarcoplásmica, responsable del transporte y almacenamiento del oxígeno dentro del tejido muscular. Incrementa dicho transporte en la célula muscular, ya que facilita la difusión del oxígeno desde los capilares hasta el interior de las células (mitocondrias) que está limitada por la baja solubilidad del oxígeno en soluciones acuosas. La mioglobina no es capaz de transportar CO2. 2.

HEMOGLOBINA

Mientras que la mioglobina está compuesta por una sola cadena de proteínas, la hemoglobina tiene

estructura cuaternaria, es decir, cuatro cadenas de proteínas iguales dos a dos. La hemoglobina resulta de la unión de cuatro mioglobinas, por eso tienen una forma prácticamente igual. Las interacciones son mayores entre α y β, que entre las dos α o las dos β. La mioglobina y la cadena β de la hemoglobina tienen una estructura terciaria muy similar. Sin embargo, tienen una diferencia: el alosterismo. El 97% del oxígeno en sangre va unido a la hemoglobina, el resto queda disuelto en el plasma. De la misma manera, el 24% del CO2 es transportado por la hemoglobina.

Hay dos tipos de hemoglobina: -

La hemoglobina A (la adulta), que tiene dos cadenas α y β.

-

La hemoglobina F (la fetal) que tiene dos cadenas α y dos γ.

Las uniones que mantienen la estructura de esta molécula son puentes de hidrógenos y fuerzas de Van der Waals. Hay más uniones entre las cadenas α y β, que entre α y α o β y β, que son mucho menores.

Aunque la hemoglobina sea muy parecida en muchos aspectos a la mioglobina, la secuencia de aminoácidos de cada una es totalmente distinta. La ventaja de unir las cuatro mioglobinas para dar lugar a la hemoglobina hace que tenga unas propiedades que la mioglobina no tiene. Que sean cuatro mioglobinas juntas no quiere decir que realice las funciones de la mioglobina multiplicadas por cuatro. 2.1.

ESTRUCTURA

Presenta una estructura terciaria globular compacta con varias hélices α al que el grupo hemo (parte prostética) está unido por enlaces covalentes. La hemoglobina posee cuatro grupos hemo. 2.2.

FUNCIÓN

La hemoglobina transporta oxígeno, interviene en el transporte del dióxido de carbono y en los sistemas tampones de la sangre. 3.

ALOSTERISMO

La principal característica de la hemoglobina es que es una proteína alostérica debido a su estructura cuaternaria, característica que la diferencia de la mioglobina. El alosterismo (efecto cooperativo) son las interacciones entre puntos espacialmente distintos de una proteína, al unirse a uno cualquiera un efector. Esa proteína suele tener estructura cuaternaria. Es decir, estos puntos pueden “comunicarse”, una modificación en un punto es transmitida a otros puntos alejados del inicial. Es un efecto homotrópico, porque solo intervienen los efectores del oxígeno. La unión de un ligando a uno de los sitios afecta a la unión (y a las propiedades de la hemoglobina) del ligando en otros sitios de la misma proteína, mediante cambios de conformación. Los ligandos que inducen cambios de conformación se llaman moduladores alostéricos. Esencial en enzimas reguladoras del metabolismo. Los moduladores pueden ser activadores o inhibidores. Cuando ambas moléculas son iguales se denomina efecto homotrópico mientras que si son distintas se denomina efecto Bohr. 3.1.

EFECTO HOMOTRÓPICO O COOPERATIVO

Si se estudian teóricamente estas interacciones alostéricas se consigue una gráfica donde, relacionando los moles de mioglobina y hemoglobina saturados y la concentración de oxígeno, obtenemos la curva de saturación de la mioglobina (curva hiperbólica) y la curva de saturación de la hemoglobina (curva sigmoidea).

Las relaciones de unión de la hemoglobina y la mioglobina con el oxígeno son reversibles. La hemoglobina se une al oxígeno en los pulmones y se desprende de él en los tejidos. La mioglobina consigue el 50% de saturación con una concentración de oxígeno de 1 mmHg mientras que la hemoglobina necesita 26 mmHg. Por lo tanto, la afinidad de la mioglobina por el oxígeno es mucho mayor que la de la hemoglobina. Gráficamente, la mioglobina tiene la típica forma hiperbólica, que se debe a que el único factor que hay que tener en cuenta es el oxígeno. Por el contrario, la hemoglobina tiene una curva sigmoidea, que indica que la unión del oxígeno a la hemoglobina presenta cooperatividad positiva. El oxígeno va a ser un efector o modulador homotrópico de sí mismo, cuando se une el primer oxígeno, facilita la unión de los demás (proteína alostérica). Cuando la molécula de hemoglobina está saturada (llena de oxígenos), el primer oxígeno que debe separarse es el que más cuesta, después se irán soltando mucho más fácilmente (curva sigmoidea). En este caso, en los músculos libera oxígeno y en los pulmones se carga por completo. Esta diferencia se debe a que la captación de oxígeno depende de las presiones parciales.

En la imagen de la derecha, hay una unión débil, tampoco nos sirve porque en los pulmones no se cargaría lo suficiente. La hemoglobina no descarga el 100% del oxígeno en los tejidos metabólicamente activos, ya que vuelve con el 40% del oxígeno al pulmón. Este mecanismo es muy útil, ya que en caso de emergencia (asfixia, enfisema pulmonar), los tejidos podrán recibir el oxígeno que la hemoglobina no dejo en primera instancia en los tejidos. Además, que ese 40% se quede en la hemoglobina facilita que se unan a ellas nuevos oxígenos cuando se encuentre en los alvéolos pulmonares. La hemoglobina también transporta H+ y CO2, que se unen mediante unos efectores distintos, pero se influyen entre sí y también a los efectores del oxígeno. Esto se denomina Efecto Bohr o efecto heterotrópico, que también es un efecto alostérico. La afinidad por el oxígeno cuando hay una alta concentración de protones disminuye, por lo que la hemoglobina se descarga mejor. El músculo tiene un pH ligeramente menor que la sangre, ya que allí se produce ácido láctico. Esta variación favorece la descarga de la hemoglobina. Además, en el músculo se produce 2 en la degradación de la glucosa y los aminoácidos, lo que también reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Uno de los efectores es el oxígeno. Cuando una molécula de oxígeno se une o se separa de la cadena, el resto de la molécula percibe ese fenómeno. Se produce un efecto colaborativo que da lugar a una curva signoidea. El oxígeno colabora en su propio transporte: cuando hay una gran concentración, capta más; cuando hay una concentración más baja, capta mucho menos. -

CURVA DE SATURACIÓN

En abscisas se está midiendo la concentración de oxígeno. Como es un gas, se mide en presión. En ordenadas, porcentaje de cuántos grupos hemos están ocupados (tanto por ciento o tanto por uno). El oxígeno cada vez entra mejor debido al alosterismo, es decir, a la comunicación entre las moléculas de hemoglobina.

3.2.

EFECTO HETEROTRÓPICO O EFECTO BOHR

Es un efecto alostérico heterotrópico (porque los efectores son químicamente distintos), dado que tanto los protones como el 2 hacen variar la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Cuanto más protones y CO2 haya en un tejido, menos oxígeno se unirá a la hemoglobina. Los protones y el CO2 se unen a unos sitios distintos del grupo hemo. [Los protones se unen a la hemoglobina (hist146) y estabiliza el estado T] Los músculos son el tejido donde más protones y CO2 existe, por lo tanto, la hemoglobina descarga más oxígeno de lo habitual, pero siempre vuelve al pulmón con algo de oxígeno de reserva.

Al llegar al pulmón, es el oxígeno el que desplaza al 2 . Éste se transporta en la sangre de tres formas distintas. El transporte mayoritario (67%) se realiza

en forma de bicarbonato, que le permite mantener el pH de la sangre en 7.4. En sangre va el 24% unido a la hemoglobina y el 9% se disuelve en el plasma. El 2 pasa a través de la pared de los capilares pulmonares y entra en el eritrocito. En su interior, se encuentra una alta concentración de protones y 2, a los que el 2 desplaza para unirse a la hemoglobina. El 2 de la hemoglobina sale del eritrocito y por difusión pasa a los pulmones. Este desplazamiento produce un gran aumento de protones. [La unión de CO2 disminuye la afinidad por O2 y estabiliza el estado T] El dióxido de carbono forma bicarbonato a través de la siguiente reacción: CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HCO3Las enzimas de la familia de la anhidrasa carbónica (favorece la liberación de O2 en tejidos activos en los que se está generando CO2) en los glóbulos rojos acelera la formación de bicarbonato y protones. Esto hace que el pH de los tejidos disminuya y por eso, aumenta la disociación del oxígeno de la hemoglobina en los tejidos, permitiendo que los tejidos obtengan oxígeno suficiente para satisfacer sus necesidades. [El pH de la sangre aumenta en los pulmones, favoreciendo la captación de O2]. Los protones se unen al bicarbonato para dar ácido carbónico cuando entra en el interior del eritrocito. Este se disocia en agua más dióxido de carbono, que sale de la célula y, en los pulmones, pasa a los alveolos y se elimina exhalando. El oxígeno desplaza al 2 y a los protones que se habían transportado desde las células musculares en el bicarbonato, uniéndose a la hemoglobina. Al liberarse, estos protones son los que dan el ácido carbónico. En todo momento existen ambos estados (tenso y relajado) con un oxígeno, con dos, con tres, con cuatro y con ninguno. Sin embargo, dependiendo del número de oxígenos, predomina más un estado u otro. 3.2.1.

2,3-BIFOSFOGLICERATO COMO MODULADOR ALOSTÉRICO HETEROTRÓPICO

El 2,3-bifosfoglicerato reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Es esencial en la adaptación a alturas o supervivencia a hipoxia.

Es un ligando de la hemoglobina, sobre la que tiene un efecto alostérico. Se une con mayor afinidad a la hemoglobina desoxigenada cercana a los tejidos que a la oxigenada de los pulmones debido a ciertos cambios espaciales. La unión del 2,3-BPG con la desoxihemoglobina disminuye la afinidad de ésta por el oxígeno, favoreciendo la liberación de este gas en los tejidos más necesitados de él.

4.

COOPERATIVIDAD

La unión cooperativa es la unión del ligando modulador (homotrópico) aumenta la afinidad del resto de la proteína por el ligando. Es producida por enzimas o receptores que presentan diversos sitios de unión. Es una curva de unión sigmoidea, característica de una interacción alostérica entre los distintos puntos de unión. La pendiente inicial es pequeña ya que la afinidad es baja, el aumento en la pendiente significa que la unión de la primera molécula de oxígeno facilita la asociación de

otra molécula de oxígeno a la segunda subunidad, y ésta es la tercera, etc. Por lo tanto, se habla de una cooperatividad en la unión. La hemoglobina une la cuarta molécula de oxígeno con una afinidad 100 mayor que la primera. La hemoglobina es más sensible a los cambios de concentración de oxígeno gracias a la unión cooperativa. Cuando un sustrato se une a una subunidad enzimática, el resto de las subunidades son estimuladas y se activan. Los ligandos pueden tener cooperatividad positiva, cooperatividad negativa o no cooperatividad. Un ejemplo de cooperatividad positiva es la unión del oxígeno con la hemoglobina. Una molécula de oxígeno se puede unir con el hierro (II) en el anillo porfirínico de una molécula hemo en cada una de las cuatro cadenas de la molécula de hemoglobina. La desoxihemoglobina tiene una relativa baja afinidad para el oxígeno, pero cuando una molécula se une a un único hemo, crece la afinidad por el oxígeno, permitiendo que la segunda molécula se una más fácilmente, y la tercera y cuarta aún más fácilmente. La afinidad del oxígeno con la 3-oxi-hemoglobina es aproximadamente unas trescientas veces mayor que con la desoxihemoglobina. Este comportamiento conduce la curva de afinidad de la hemoglobina a ser una curva sigmoidea, más que una hiperbólica como pasa con la mioglobina monomérica. Por el mismo proceso, la habilidad de la hemoglobina para perder oxígeno crece cuantas menos moléculas estén unidas. La hemoglobina es una proteína que contiene dos cadenas α (141 restos) y dos cadenas β (146 restos), a cada una de las cuales se halla unido un resto hemo mediante un enlace no covalente. Estas cadenas en su estructura terciaria son muy semejantes a la de la mioglobina, por lo tanto, la función biológica es semejante en ambas proteínas y su capacidad para unir el oxígeno de modo reversible a los grupos hemo. Son moléculas planas en las cuales los átomos de hierro forman complejos envueltos por los grupos R no polares. El quinto enlace de cada átomo de hierro se establece con un nitrógeno imidazólico de un resto de histidina y la sexta posición queda para una molécula de oxígeno. Mediante la desoxigenación, las cadenas α experimentan una rotación de 9º y las cadenas β de 7º en distintos ejes, cambiando así los puntos de contacto entre las 4 subunidades: los grupos hemo α se aproximan 0,01 nm y los β 0,65 nm. Así en la unión de oxígeno se provoca un cambio en la estructura cuaternaria. El carácter sigmoidal de la curva de unión al oxígeno de la hemoglobina significa que posee una afinidad relativament...