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Estudio de las proteínas que unen O2

Mioglobina

Formada por una cadena polipeptídica. Necesita un cofactor (grupo prostético) para unir el O2 sin el cual no es funcional. Este grupo es el hemo, formado por una parte orgánica derivada de las porfirinas llamada protoporfirina IX y una parte inorgánica esencial que es el Fe+2. Cada cadena tiene su grupo hemo. El hierro tiene 6 posiciones de coordinación, 4 con la protoporfirina con la cual forma un plano y otros dos, uno por encima y el otro por debajo. Uno de ellos se une a la cadena polipeptídica por medio de la histidina F8 (cadena F, posición 8) también llamada proximal porque está cerca del O2. La otra histidina es la distal. Para que el hierro esté en forma de ferroso el entorno debe ser hidrofóbico, porque si hay agua pasa a férrico y la sexta posición de coordinación está ocupada por el agua y el O2 no puede unirse. Sólo el grupo hemo une O2, el resto de la proteína es para preservar el entorno hidrofóbico y que el Fe no se oxide completamente. Cuando el O2 se une el Fe no es oxidado sino que se oxigena, porque el O2 no cede completamente los electrones sino que cuando se va se los lleva.

Diferencias con la hemoglobina:

Unión del O2

Mioglobina

Mb + O2
Desoximioglobina
MbO2
Oximioglobina

Función de saturación para la mioglobina

A la presión parcial de O2 que el 50 % de los sitios están ocupados se le llama P50 y es una medida de la afinidad de la proteína por el ligando Si la P50 sube la pO2 debe ser alta para ocupar la mitad de los sitios, y si P50 es baja es que tiene mucha afinidad.

Hemoglobina

Hemoglobina + 4O2
Desoxihemoglobina
Hemoglobina(O2)4
Hemoglobina

Función de saturación para la hemoglobina

Coeficiente de Hill, c = 2,8. Cooperatividad positiva muy alta. El primer O2 se une con poca afinidad y el cuarto con afinidad varios órdenes de magnitud más alta. Prácticamente o está vacía o llena.

Gráfico de la función de saturación para hemoglobina y mioglobina
Gráfico de la función de saturación para hemoglobina y mioglobina

Representando Y para la mioglobina y la hemoglobina la asíntota está en 1. Se ve que la hemoglobina es menos afín porque está desplazada a la derecha. El P50 de la mioglobina es mucho mayor que el de la hemoglobina (26 mm Hg). La hemoglobina como tiene 4 subunidades tiene menos afinidad por el O2 que la mioglobina. La hemoglobina transporta el O2 desde los pulmones o las branquias donde la pO2 es muy alta. Si la pO2 es alta las dos proteínas se saturan. Como la pO2 es baja en los tejidos (20 - 30 mm Hg) al llegar la hemoglobina como está en torno a su P50 libera el 50 % del O2. Si la mioglobina estuviera en los eritrocitos no liberaría el O2 porque a esa pO2 tiene mucha afinidad. Por eso la hemoglobina es más adecuada para el transporte. Cuando la hemoglobina suelta el O2 lo capta la mioglobina porque a esa pO2 es favorable. Cuando la pO2 en los tejidos baja lo libera la mioglobina.

Causa molecular de la cooperatividad

Como el índice de cooperatividad es alto podemos tener desoxihemoglobina u oxihemoglobina, pero las formas intermedias son poco importantes. Al ocupar el O2 un grupo hemo los otros reaccionan produciendo un cambio conformacional que se comunica entre ellos por medio de la estructura cuaternaria. Las estructuras de la forma oxihemoglobina y la desoxihemoglobina son distintas. La forma T (desoxi) es más estable por la participación de puentes salinos de naturaleza iónica y muchos puentes de hidrógeno. Estas interacciones fijan la estructura e impiden la movilidad. La desoxihemoglobina se pliega dejando un hueco central entre la 4 subunidades. En la oxihemoglobina no hay puentes salinos y la cavidad es más pequeña (forma R).

La hemoglobina tiene dos cadenas α y dos β. Hay interacciones muy fuertes entre αβcomo si la molécula tuviera dos dímeros iguales. Cuando entra una molécula de O2 se produce un cambio en la conformación y un dímero gira con respecto al otro 15°. La conformación de la forma con O2 y la que no tiene por tanto no es la misma. El paso de la forma T a la R lo determina la entrada de O2. Esto ocurre porque el O2 se une al Fe del hemo de cada cadena, en la forma desoxi el Fe está por encima del plano que forma el grupo hemo unido a la histidina F8. Al unirse el O2 y ocupar la sexta posición de coordinación el Fe pasa a tener 6 sustituyentes y reordena sus electrones colocándose en el centro del grupo hemo. Al moverse el Fe arrastra consigo a la histidina y ésta por medio de la hélice a toda la molécula. Por ello un grupo hemo se comunica con otro por medio de la cadena polipeptídica. Al cambiar la conformación los grupos que formaban los puentes salinos ya no estarán enfrentados y no interaccionarán. La entrada de la primera molécula de O2 será más difícil porque se una a la forma T con lo cual es más difícil mover el Fe hacia el plano del hemo por impedimentos de tipo estérico entre la histidina y la valina del grupo hemo. Cuando se une el O2 la tensión es grande en la molécula y se rompen puentes salinos, la proteína pasa a la forma R y la unión de O2 es más favorable.

Otros ligandos que pueden unirse a la hemoglobina

La hemoglobina puede unir otros ligandos que afecten a la unión del O2 (efecto heterotrópico). Su efecto es la disminución de la afinidad de la hemoglobina por el O2

Protones: se unen a grupos que se estén disociando a pH celular. Los grupos afectados en la hemoglobina son el imidazol de la histidina y los 4 α-amino. Al aumentar la concentración de protones disminuye la afinidad y la curva de υ se desplaza a la derecha. Como consecuencia del metabolismo aumenta la concentración de protones en los tejidos periféricos y cuando la hemoglobina llega disminuye su afinidad por el O2 y los suelta. Los protones se unen a los grupos que formaban el puente salino que al protonarse vuelven a formarlo pasando a la forma T. Al aumentar luego el pH se desprotonan y se rompen los puentes salinos. La primera molécula de O2 rompe más puentes salinos que la segunda por lo que la cooperatividad es positiva. Los protones no se unen al hemo, sino a otros grupos que son importantes porque determinan en parte la conformación.

CO2: el CO2 es la forma más oxidada del C, es un producto final del metabolismo. Su concentración aumenta en los tejidos donde se degrada la materia orgánica. Se transporta en forma de ácido carbónico disuelto en la sangre hasta los pulmones donde se intercambia. Está disociado en HCO3¯ y H+. Esos protones tienen efecto sobre la afinidad del O2. El CO2 se une a la hemoglobina por medio del α-amino de la cadena polipeptídica:

Unión del CO2 y la hemoglobina

Esta reacción da lugar a carbamatos que favorecen la formación de más puentes salinos al introducir la carga negativa (se da sólo en la forma desoxi). La hemoglobina o tiene unidos H+ y CO2 o tiene el O2:

Efecto Bohr en la hemoglobina

Efecto Bohr: Efecto conjunto de H+ y CO2 sobre la afinidad de la hemoglobina por el O2. En los tejidos se producen H+ y CO2 y el pH baja. Hay tendencia a que la hemoglobina suelte el O2. En los pulmones la presión parcial de O2 es alta por lo que se capta el O2 y se eliminan H+ y CO2 pasando a la forma oxihemoglobina.

2,3-Bifosfoglicerato (2,3-BPG): está cargado a pH fisiológico:

Bifosfoglicerato

Presente en alta concentración en la sangre, comprable a la de la hemoglobina. Es un ligando que se une a la hemoglobina en proporción 1:1 por medio de la cavidad central del tetrámero. Tendrán que haber muchas cargas positivas para estabilizarlo, uniéndose a ellas iónicamente. Para soltarlo habrá que romper los enlaces iónicos por medio de energía. En la forma oxihemoglobina el hueco central es más pequeño y el 2,3-DPG no cabe. El efecto que produce es la disminución de la afinidad porque aporta interacciones extra que hay que romper para pasar a la forma oxi. Aumenta la cooperatividad desplazando la curva de υ a la derecha.

Significado fisiológico: La sangre se acomoda a diferentes presiones parciales de O2 modificando la concentración de 2,3-DPG de modo que cuanta menos PO2 más aumenta la concentración de 2,3-DPG. Esto es para que la hemoglobina pierda bastante afinidad por el O2 para que lo libere a una PO2 menor. Otro efecto es la oxigenación de la hemoglobina fetal, que tiene composición distinta a la de los adultos. La HbA (adultos) tiene α2 β2 y la HbF es α2 γ2. La diferencia estriba en la secuencia de aminoácidos. La HbF debe tener más afinidad por el O2 que la HbA que la nutre. En la cadena γ un residuo de histidina cargada positivamente es sustituido por una serina (no cargada). Al eliminar una carga positiva el 2,3-DPG se une peor y es más fácil pasar a la forma oxiHb.

Gráfico de la función de saturación

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)

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