Tema 6 - Mioglobina y hemoglobina: proteínas responsables del almacenamiento y la distribución de oxígeno en el organismo

Mioglobina y hemoglobina. Estructura y función. Modulación de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno: cooperatividad y alostería.
+ Variantes de hemoglobina y hemoglobinopatías

Cap.7: pp. 108-111 y Cap.44: 845-846, 850-852 y Biomodel-1 > Proteínas > Hemoglobina

Introducción

La hemoglobina, una proteína paradigmática

• 1ª proteína que se cristalizó (1849)
• Junto a la mioglobina, primeras proteínas cuya estructura se determinó a escala atómica mediante difracción de rayos X.
• 1ª proteína cuya masa molecular se midió con precisión.
• 1ª proteína que se estudió mediante ultracentrifugación.
• 1ª proteína con la que se encontró la base molecular de una enfermedad.
• 1ª proteína en la que se demostró que una mutación puntual en el gen puede alterar la función.

El problema del oxígeno

• Todas las células necesitan suministro constante de O₂
• ¿Cómo llega a todo el organismo?
  • Difundiendo :-(   tráqueas de los insectos
  • Disuelto :-(
  • Unido a una molécula transportadora :-)
    • Proteínas en la hemolinfa de algunos invertebrados hemocianina{Cu}; hemeritrina{Fe}
    • Proteínas en la sangre de vertebrados, dentro de células --> hemoglobina en los eritrocitos
    • Mantener reservas --> en vertebrados, mioglobina
• Captar aquí, liberar allá
• Cómo fijar O₂
  • De forma reversible
  • Evitando que reaccione
• Imposible con una proteína, posible con un ion metálico
  • Fe(II), Cu(I)
  • pero no debe oxidarse
  • Fe + protoporfirina IX = hemo, en mioglobina y hemoglobina (rojo)
  • Fe + una porfirina = otros hemo, en citocromos
  • Mg + una porfirina = clorofilas (verde)
• Hemo en el interior de una proteína
  • El Fe del hemo une O₂
  • El hemo en el entorno de la proteína evita la reacción del O₂ (la oxidación del Fe)
  • El O₂ puede liberarse

Estructura de la mioglobina

• Función: almacén de O₂ (reversible) en las células del músculo (estriado: esquelético y cardiaco; y liso).
• Primaria, secundaria y terciaria. Molécula de hemo como "grupo prostético". Concepto y definición de grupo prostético (no proteico)
• Concepto de apoproteína y holoproteína.
• Estructura del hemo
• Estructuras secundaria y terciaria de la mioglobina
• Interacción de la globina con el grupo hemo. Coordinación del ion ferroso. Histidinas proximal y distal. (en Biomodel-1)

Grupos no proteicos que forman parte de las proteínas participando en su estructura o en su función:

• Terminología preferida:
  • grupo prostético si está unido fuertemente (permanente)
  • cofactor si está unido débil y reversiblemente
• Tipos:
  • Biomoléculas: lípidos, glúcidos (oligosacáridos)
  • Moléculas orgánicas u organometálicas
  • Inorgánicos: iones metálicos (Ca, Mg, Zn, Cu), núcleos Fe·S ...
• Apoproteína (sin el grupo no proteico). Holoproteína (completa, con el grupo no proteico)

Estructura de la hemoglobina

• Ejemplo de estructura cuaternaria (en una proteína globular)
  • 4 cadenas (subunidades) :: tetramérica, α₂β₂; globina α, globina β muy parecidas entre sí y a la mioglobina
    141 (α) o 146 (β) residuos, ~64 kDa en total
  • 4× estructura de mioglobina
  • Hay interacción entre subunidades
• Ubicación: eritrocitos, células rojas sanguíneas
• Función: une O₂ reversiblemente: lo transporta -- ¿por qué del pulmón a los tejidos?
• Estados:

  		6º ligando
  desoxihemoglobina	Fe2+	(H2O)	funcional
  oxihemoglobina	Fe2+	O2	funcional
  metahemoglobina	Fe3+		no funcional
  carboxihemoglobina	Fe2+	CO	no funcional

• Diferencias en el espectro de absorción de luz visible entre las formas desoxi-, oxi-, carboxi-, meta- (Postmortem CO-oximetry. C. Higgins, 2014, AcuteCareTesting.Org)
  (también las puedes explorar en el laboratorio virtual)

Lectura opcional: terapia hiperbárica, en Cap.5, cuadro "Conceptos clínicos" (pon "terapia hiperbárica" en su buscador)

Curvas de saturación con oxígeno

Ensayos en laboratorio, para entender la función.

“Curvas de oxigenación”: concentración de O₂ disuelto ~ presión parcial de O₂ en el entorno (aire, pulmones, celda de ensayo)
Vamos variando la P_O2 y midiendo cuánta oximioglobina se forma (el espectro de absorción de Mb y MbO₂ es diferente; ejemplo)

Imagen insertada desde The Open University: Oxygen, blood and the body

Construcción de la curva: significado de las variables: fracción de saturación, presión parcial de oxígeno.

Simulación de la saturación con oxígeno. (Biomodel)

Interpretación de la forma de la curva (hiperbólica o sigmoide)

• en términos moleculares: cambio conformacional, cooperatividad
• en términos funcionales: facilidad para captar o ceder el oxígeno
• Ejemplos funcionales:
  • captación de O₂ en los pulmones y entrega en los tejidos
  • intercambio entre hemoglobina y mioglobina
  • suministro de de O₂ desde la madre al feto

Cambio conformacional de la hemoglobina. Formas T y R. (Biomodel)

Animaciones de la transición T/R: oxigenación y cambio conformacional; afinidad y cooperatividad; transporte y cesión del oxígeno; unión del 2,3-BPG

Moduladores de la función de la hemoglobina

Cap.44: 845-846,

Primario: concentración de O₂. Pero se modula por otras señales:

• CO₂ : procedente del metabolismo. Forma carbamatos (-NH-COO⁻) con grupo amino, estabiliza T
• pH: H⁺ procedentes del metabolismo y del CO₂. His(β) protonada estabiliza T
• 2,3-BPG: regulador; se eleva en altitud, en fumadores, en hipoxia; se une en cavidad central, estabiliza T
• CO: Se une en el sitio del O₂ , estabiliza R

Situación en pulmón y en tejidos, interpretación funcional, adecuación fisiológica.

Efecto en la curva de saturación.

Resumen:

CC-by-sa Michał Komorniczak

Variantes de hemoglobina y hemoglobinopatías

Cap.44: 850-852 .

Variantes en el desarrollo embrionario: hemoglobinas embrionarias, hemoglobina fetal (HbF) y hemoglobinas adultas (HbA, HbA2)

Intercambio de oxígeno entre hemoglobinas materna y fetal

Hemoglobina A glicada (HbA1, HbA1c) (no "glicosilada")

• Glicación: reacción espontánea y no enzimática entre grupo(s) amino de la globina y grupo aldehído de la glucosa
  HbA1 = { HbA1a + HbA1b + HbA1c } Principal: HbA1c
• Utilidad diagnóstica: refleja el promedio de glucemia en un periodo prolongado
• Análisis diagnóstico: por la diferencia de carga

Hemoglobinopatías:

• HbS, drepanocitosis, anemia de células falciformes (Biomodel-1 > Proteínas > Hemoglobina > Hemoglobina S )
• HbC y otras mutaciones
• Talasemias alfa y beta

-fin-