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FISIOLOGÍA ANIMAL TEMA 20: PIGMENTOS RESPIRATORIOS

TEMA 20: PIGMENTOS RESPIRATORIOS La propiedad que define a los pigmentos respiratorios es que se combinan químicamente en forma reversible con el O 2 molecular. Todos los tipos de pigmentos respiratorios son metaloproteínas; proteínas que contienen átomos de metal, como por ejemplo el hierro en la hemoglobina. Funciones de los pigmentos respiratorios: ∞ Transporte de O2 y CO 2 . ∞ Tampón de pH sanguíneo. ∞ Aumentan la cantidad de O 2 que puede transportar un volumen de sangre (aumenta hasta 50 veces la cantidad de oxígeno. Sin hemoglobina la sangre transporta 0,4 ml/100 ml de sangre. En presencia de hemoglobina, se transportan 19,6 ml/100ml de sangre). ∞ Algunas hemoglobinas dentro de las células musculares o las neuronas facilitan la difusión del O 2 a las mitocondrias, además de servir como almacenamiento. La hemoglobina se denomina oxihemoglobina cuando se combina con O 2 , mientras que la denominamos desoxihemoglobina cuando no está combinada con O 2 . Si no tuviésemos dichos pigmentos, el oxígeno disuelto en sangre no sería suficiente para suplir la cantidad de oxígeno necesario para llegar a nuestra tasa metabólica en reposo. La capacidad transportadora de O 2 más alta por parte de los pigmentos respiratorios se da en mamíferos. Si bien, algunos animales buceadores presentan eficiencias superiores. Al mismo tiempo, las aves que vuelan más alto son aquellas que mayor capacidad transportadora presentan. Dentro de los peces, los que mayor actividad metabólica presenten (atún) tendrán mayor capacidad transportadora. El ser humano necesita 250 mL O 2 /min para mantener su metabolismo basal. Por el contrario, la cantidad de oxígeno que viaja en sangre en solución es de 15 ml O 2 /min. De esta forma, el oxígeno disuelto solo daría cuenta del 6% del oxígeno que necesita una persona. ¿Cómo conseguimos entonces tal cantidad de oxígeno? Gracias a los pigmentos respiratorios. Aplicando la misma fórmula que en el primer caso y asumiendo el mismo gasto cardiaco, la hemoglobina es capaz de proporcionar 1000 mL O 2 /min, es decir, cuatro veces más de lo que necesitamos. La hemoglobina de la sangre humana es responsable del transporte de más del 98% del O2, y tan solo alrededor del 2% lo hace en disolución. El flujo sanguíneo necesario para satisfacer una determinada demanda de oxígeno es inversamente proporcional a la capacidad del sistema para transportar oxígeno. Por lo tanto, aumentar la capacidad de la sangre para transportar el oxígeno reduce el gasto cardiaco. Los pigmentos respiratorios aumentan la capacidad de transporte de O 2 de la sangre. Se combinan de forma química y reversible con el oxígeno. Todos son metaloproteínas: hemoglobinas, hemocianinas, hemeritrinas y clorocruorinas. La capacidad transportadora de un pigmento respiratorio se define como la cantidad de oxígeno transportado por unidad de volumen de sangre cuando el pigmento respiratorio está saturado. Establece un límite superior de liberación de oxígeno por ciclo circulatorio. Esta capacidad es mayor en mamíferos, siendo los mamíferos buceadores los que mayores capacidades respiratorias presentan. Hemoglobina Las hemoglobinas se encuentran en casi todos los vertebrados (menos un pez) y algún invertebrado. Todos los pigmentos respiratorios poseen una región de unión al oxígeno y una región proteica, en este caso, una globina. La región proteica es la que otorga las características a los pigmentos, como su capacidad transportadora.

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La hemoglobina es un tetrámero que presentan cuatro grupos hemo, a los cuales se unen cuatro oxígenos. Además, la hemoglobina es capaz de unir otros compuestos, lo cual determina su capacidad de ceder oxígenos. En adultos la hemoglobina está formada por dos cadenas alfa y dos cadenas beta, mientras que la hemoglobina fetal está formada por dos alfa y dos gamma. La hemoglobina tiene actividad cooperativa, es decir, cuando une el primer oxígeno, los demás se unen con mayor facilidad. Por ello, tienen una curva de saturación sigmoidea. Las curvas de saturación siempre representan la presión de O 2 o de CO 2 en el eje X y el grado de saturación en el eje Y. Para determinar si la hemoglobina está saturada o no, es necesario conocer las presiones parciales del O 2 . Recordemos que el O 2 va de los alveolos a los capilares y el CO 2 en sentido contrario. La difusión de ambos gases alcanza el equilibrio en menos de 1 segundo. La presión parcial O 2 en los alveolos será la que determine que haya un intercambio gaseoso. La sangre enriquecida (sangre arterial) irriga a todos los tejidos y esta irrigación confluye en el circuito venoso, por esto en el circuito venoso tiene lugar una caída de presión parcial O 2 . Observamos también que hay un pequeño descenso de pH de la sangre venosa respecto a la sangre arterial, debido al tampón de hemoglobina. La presión alveolar puede fluctuar entre 80 y 120 mmHg sin que se vea afectada la concentración de oxígeno en sangre. La “sangre desoxigenada” presenta el 70% del total de oxigeno que puede llevar la sangre. En condiciones normales, sólo consumimos el 30% del oxígeno de la sangre. En los tejidos, como se demanda oxígeno (disminuye la presión parcial de oxígeno), a 40 mmHg la sangre cede 5 ml de O 2 , quedándose con 15 ml. A mayor presión parcial de oxígeno más cantidad de oxígeno disuelto en sangre hay. Ley de Henry. La hemoglobina no solo tiene afinidad por el O 2 , sino también por el CO2 y el CO, por lo que según a que molécula se una ésta, podemos diferenciar: ∞ Cuando el CO 2 se une a los grupos N-terminal de cada globina la hemoglobina adquiere forma de carbamino-hemoglobina. ∞ Cuando el CO se une a los grupos hemo con elevada afinidad la hemoglobina adquiere forma de carboxi-hemoglobina. ∞ Cuando se une O 2 a los grupos hemo la hemoglobina adquiere forma de oxihemoglobina. ∞ Otro moduladores; H+aa, 2,3 DPG (entre subunidades Beta). La mioglobina es un tipo especial de hemoglobina que se localiza en los tejidos musculares, más concretamente en el citoplasma de las fibras musculares. A diferencia de la hemoglobina, la mioglobina es un monómero debido a que solo presenta un centro de unión para el O 2 . Tiene más afinidad por el O 2 que la hemoglobina. La curva de saturación de la mioglobina es hiperbólica. Características de la fijación del O 2 a los pigmentos respiratorios Se considera que el pigmento respiratorio presente en la sangre de un animal está saturado si la presión parcial de O 2 es lo suficientemente elevada para que todos los sitios de fijación de O 2 estén ocupados. Cuando la molécula está saturada la cantidad de O 2 transportada por un volumen de sangre es equivalente a

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la capacidad de transporte de O 2 en la sangre. La sangre humana tiene una capacidad de transporte de oxígeno de alrededor de 20mL cada 100mL de sangre y en realidad tiene esa concentración de O 2 cuando se satura. El volumen de gas transportado por cada 100 volúmenes de sangre se denomina volumen por ciento (%). En este sistema de unidades la capacidad transportadora de oxígeno de la sangre humana es de 20%. Para comparar las afinidades de los distintos grupos animales, se usa un tipo de curvas conocidas como porcentaje de saturación de la hemoglobina, la cual se define como: contenido/capacidad x100 Este tipo de curvas indican la presión parcial a las que se satura la hemoglobina y las presiones a las que descarga de oxígeno. La zona de meseta es la presión a la que se carga al máximo la hemoglobina, es decir, es la zona de máxima saturación. La zona de máxima pendiente será la zona de descarga, que nos indica a qué presiones parciales trabaja la hemoglobina para soltar el oxígeno.

No hay que confundir la capacidad transportadora con la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, pues sería necesario el traspaso de las gráficas 100% CT → 100% (%). Cuando la sangre sale de los pulmones por la arteria aorta tiene la máxima presión de O 2, mientras que, cuando vuelve por la vena cava presenta una presión mínima. Por lo tanto, la diferencia arterio-venosa indica la cantidad de O 2 consumida por los tejidos. En condiciones de reposo se gastan cinco volúmenes de O 2 en un ciclo circulatorio, con una diferencia arterio-venosa de 55mmHg, es decir, se podría permitir seguir el ciclo tres veces más sin reoxigenarlo. La sangre, por tanto, tiene una gran capacidad de reserva. Durante el ejercicio, disminuye la PpO2 debido a que aumenta la cesión de éste por parte de la hemoglobina (aumenta la frecuencia de latido, por lo que aumenta el número de ciclos circulatorios). La presión parcial de O 2 en sangre disminuye más rápidamente en condiciones de ejercicio.

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Afinidad P 50 Se dice que los pigmentos que requieren presiones parciales de O 2 relativamente elevadas para saturarse en forma completa y descargan cantidades importantes de O 2 con presiones parciales relativamente elevadas tienen una afinidad relativamente baja por el O 2 . Los pigmentos que se saturan en forma completa con presiones parciales bajas y, en consecuencia, también requieren presiones parciales bajas para descargarse, tienen una afinidad elevada por el O 2 . La P 50 se define como la tensión o presión parcial de oxígeno a la cual el pigmento está saturado al 50%, determinando su afinidad. ∞ Si la P 50 es mayor, la afinidad por el oxígeno es menor. ∞ Si la P 50 es menor, la afinidad por el oxígeno es mayor. En otras palabras, si se cargan y descargan con PpO 2 muy bajas, presentan más afinidad, y viceversa. Esto en una gráfica nos determina la afinidad de los distintos pigmentos, de manera que: ∞ Gráficas desplazadas hacia la derecha indican una disminución de la afinidad. ∞ Gráficas desplazadas hacia la izquierda indican un aumento de la afinidad.

Los distintos pigmentos en un organismo se cargan a expensas de la descarga del otro pigmento. Esto quiere decir que se cargan los pigmentos de mayor afinidad a expensas de la descarga de los de menor afinidad. Por tanto, nos indica que la hemoglobina se carga con más dificultad y, que la descarga de la hemoglobina favorecería la carga de la hemoglobina fetal. También es el caso de la mioglobina en el músculo de mamífero, la cual se carga con más facilidad como la hemoglobina descarga en el tejido muscular. Por otro lado, la P 50 de la mioglobina está desplazada hacia la izquierda, lo que hace que actúe como un importante almacén de O 2 en el músculo. De esta forma, la hemoglobina cede O2 al músculo al comienzo de un ejercicio antes de que haya aportes cardiovasculares. Además, la mioglobina facilita la difusión de O 2 a la mitocondria, ya que la velocidad de difusión es inversamente

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proporcional a la raíz del peso molecular. La velocidad de difusión de la mioglobina es mayor que la de la hemoglobina.

¿Cómo podríamos modular la cesión de O 2 ? La hemoglobina no siempre cede la misma cantidad de oxígeno a los diferentes tejidos. En los tejidos más activos aumenta la PpCO 2 , aumenta la temperatura, disminuye la PpO 2 y disminuye el pH. La hemoglobina ideal sería aquella que tuviese la capacidad de cambiar su afinidad por el O2 cuando se encontrase con esos parámetros; debería disminuir su afinidad por el oxígeno a su paso por los tejidos más activos, aumentando la P50. De esta forma, la curva estaría desplazada hacia la derecha en la gráfica, pues al disminuir su afinidad ha aumentado su capacidad de cesión de O 2 al aumentar la P50. Los factores que provocan un descenso en la afinidad por el O 2 (aumento de la P50) de un pigmento respiratorio son: ∞ Un descenso en el pH o un aumento en la PpCO 2 produce una disminución de la afinidad del pigmento por el O 2 , es lo que se conoce como efecto Bohr. Este efecto no reduce el porcentaje de saturación. ∞ Aumento de la temperatura. El aumento de la temperatura también induce un Bohr térmico. El aumento de la temperatura produce un aumento en la cesión de O 2 , es decir, disminuye la afinidad por el O 2 . ∞ Aumento en la concentración intracelular de fosfatos orgánicos. Los fosfatos orgánicos se encuentran unidos a los pigmentos respiratorios. La presencia de 2,3-DPG en la hemoglobina humana es la que genera la curva de disociación; el aumento de estos fosfatos disminuye la afinidad del O 2 por la hemoglobina. Las personas anémicas tienen menor concentración de hemoglobina y, por lo tanto, menor capacidad de transporte de O 2 , por lo que aumenta la cantidad de fosfatos orgánicos para que la liberación de O 2 sea más alta (curva desplazada hacia la derecha).

Por lo tanto, la hemoglobina libera más oxígeno en los tejidos más activos, produciendo éstos CO 2 y ácidos. Este CO 2 se puede hidratar y producir protones. El aumento en la concentración de protones tiende a incrementar la combinación de la hemoglobina con éstos, lo que desvía la reacción hacia la derecha y favorece la disociación del O2 . Esto es lo que se denomina efecto Borh.

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Efecto Bohr: ∞ El descenso del pH produce un aumento de la P 50 . ∞ El aumento de la tensión de CO2 produce un aumento de la P 50 . Se favorece la cesión de O2.

↑ PCO2 → ↑ [H+] → ↓ pH → ↓ Afinidad de Hb por O 2

La hemoglobina humana presentan un efecto Borh. Su afinidad se reduce en presencia de CO 2 y protones. Tenemos alta afinidad por O 2 en los pulmones y disminuye en los tejidos activos donde es necesaria más cantidad de O 2 . Es decir, para una P O2 (40 mmHg), cede O2 en reposo, pero cede aún más en tejidos activos. No todos los pigmentos respiratorios presentan el efecto Bohr, ni todos los animales en los que está presente, lo hace de la misma manera. Reservas venosas de O2 En reposo hay una buena reserva venosa de O 2 . Durante el ejercicio aumenta la liberación de O 2 a los tejidos, al mismo tiempo que aumenta el flujo circulatorio. Este proceso es similar en peces y en mamíferos, pues a medida que el animal se activa, su reserva venosa cae para hacer frente a ese ejercicio. Por su parte, los cefalópodos tienen capacidades transportadoras muy bajas (para el ejercicio que hacen) y bajas reservas venosas. Esto da lugar a varias limitaciones; deben vivir en aguas bien ventiladas y deben incrementar su frecuencia circulatoria. Los cefalópodos también sufren el efecto Borh. Entre distintas especies, podemos comparar las concentraciones transportadoras de O 2 en sangre. Veríamos que cuanto mayor es el animal, mayor es la capacidad transportadora. Además, se debe tener en cuenta la actividad del animal. Sin embargo, observando las curvas de disociación de la gráfica no podríamos determinar qué animal presenta mayor afinidad por el O 2 ,

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para ello hay que transformar estas curvas en porcentajes de saturación (P 50 ) para observar a que presión se satura la sangre; se hallaría la P 50 , para ello tomamos como ejemplo un animal que se sature a 30 volúmenes, pues la mitad serían 15 volúmenes. Con este dato, miramos la presión de saturación en la gráfica a esa concentración de volumen y ya podemos realizar otra gráfica en base a porcentajes de saturación. Comparando las afinidades de los diferentes animales, podemos determinar que disminuye la afinidad de la hemoglobina por el O 2 cuanta mayor actividad tenga el animal, es decir, los animales más activos tienen la curva de afinidad más desplazada hacia la derecha. Además, las especies más activas coinciden con las que viven en ambientes con muy buena oxigenación. Por el contrario, las especies que tienen sus curvas de saturación desplazadas hacia la izquierda son aquellas que viven en ambientes con poco oxígeno. Pues, la afinidad tiene que ver con la concentración de O 2 en el medio y con la actividad del animal. También sabemos que, animales con menor tamaño corporal tienen mayores valores de P 50 (curva de disociación desplazada hacia la derecha). Esto está relacionado con la tasa metabólica; existe una relación entre la tasa metabólica y la P 50 , de tal manera que, a mayor tasa metabólica, mayor P50 . Los animales pequeños han desarrollado una serie de adaptaciones para hacer frente a mayores tasas metabólicas (mayor densidad de capilares, mayor número de alvéolos, menor distancia de difusión…). Además, en relación con el tamaño corporal, el efecto Borh es mayor en animales más pequeños y que tienen mayor actividad de anhidrasa carbónica, enzima encargada de producir la hidratación del CO 2 . Transporte de CO2 El contenido de CO 2 en sangre se estudia con curvas similares a las de la Hb. Se observa cómo varia la cantidad de CO 2 transportado según varia la presión parcial del CO 2 en determinados sitios. El CO2 puede ir disuelto en sangre en forma molecular (7%, ya que es más soluble en agua), aunque la mayor parte del CO 2 no va disuelto, sino que va, o bien en forma de bicarbonato (la mayoría) o bien unido a la Hb. El CO 2 unido a la Hb es el carbámico, y representa el 25% del CO2 en sangre. El CO 2 se une en sitio distinto que el O 2 . Curva de equilibrio del CO 2 CO 2 + H2 O  H2 CO 3  H+ + HCO 3 La reacción de formación de bicarbonato proseguirá mientras los protones vayan siendo retirados por los tampones sanguíneos. Sólo una pequeña fracción del dióxido de carbono aparece en forma de CO 2 . CO 2 disuelto...