UEES Nombre: Bárbara Guzmán B Materia: Bioquímica II Docente: Dra. Gordillo
Fijación del oxígeno a la mioglobina y hemoglobina. Hemos visto que la mioglobina y la hemoglobina son similares en sus estructuras secundarias y terciarias. Las dos presentan grupos prostéticos hemo y con igual ubicación. Las dos son proteínas transportadoras de oxígeno, el cual se une al grupo hemo, estando esta unión modulada por la proximidad molecular de una histidina distal. La principal diferencia es que la mioglobina es una proteína monomérica y la hemoglobina es oligomérica, esto hace que su actividad biológica sea muy diferente.
Curva de saturación de oxigeno. La curva de saturación de oxigeno de una proteína es la representación gráfica del porcentaje de saturación de oxígeno de la proteína (%) en función de la presión parcial de oxígeno (PPO 2) presente en el medio (expresada en mm de Hg).
El porcentaje de saturación oscila entre el 0% y el 100% y representa la cantidad de oxígeno unido a las moléculas de la proteína en función de la cantidad máxima de oxígeno que se le puede unir (100%).
La presión parcial de oxígeno (PPO 2) se mide en mm de Hg. En el aire la presión es de 760 mm de Hg, pero el oxígeno constituye aproximadamente el 21% de la mezcla de gases que constituyen el aire, por lo que su presión parcial será de, aproximadamente, 159 mm de Hg en el aire (760 · 21% = 159). En los pulmones la PPO 2 es más baja debido a que parte del oxígeno es captado por los capilares de los alvéolos, y además, en los pulmones hay gran cantidad de vapor de agua, por lo que la PPO 2 en los pulmones es de, aproximadamente, 100 mm de Hg. La PPO 2 en los tejidos es de alrededor de 26 mm de Hg. Cuando aumenta la actividad del tejido, aumenta el consumo de oxígeno y, por tanto, disminuye la PPO2, mientras que, por el contrario, la PPO2 aumenta en los periodos de mayor reposo.
Curva de saturación de oxígeno de la mioglobina: La mioglobina muestra una curva de saturación hiperbólica, lo que indica que la mioglobina tiene una gran afinidad por unirse al oxígeno, ya que bastan PPO2 muy bajas para que la mioglobina alcance importantes valores de saturación; por poco oxígeno que haya en el medio la mioglobina lo capta, es decir, que tiene una gran tendencia a unirse al oxígeno. Basta una PPO2 de 1-2 mm de Hg para que la mioglobina se sature en más del 50%. En los tejidos, una PPO2 de 26 mm de Hg hace que la mioglobina se sature en más del 98%. La gran afinidad por el oxígeno que muestra la mioglobina es importante para su función biológica: captar para la célula el oxígeno que aporta la hemoglobina de la sangre.
Curva de saturación de oxígeno de la hemoglobina: La hemoglobina muestra una curva de saturación sigmoidea (forma de s) lo que nos indica que la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno va variando conforme aumenta la PPO 2, y, por tanto, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno depende de la PPO 2 que haya en el medio en cada momento. En la primera zona de la curva, que corresponde a bajas PPO2, la curva tiene una pendiente muy baja, por lo que un aumento importante de la PPO 2 en esta zona produce sólo un pequeño incremento en el porcentaje de saturación de la hemoglobina. Es decir, para bajas PPO 2 la hemoglobina muestra poca afinidad por el oxígeno. Al ir aumentando la PPO 2 aumenta considerablemente la pendiente de la curva y, por tanto, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Este comportamiento se debe a un fenómeno denominado cooperatividad positiva. La cooperatividad es propia de un grupo de proteínas que son las proteínas alostéricas que son un grupo especial de proteínas oligoméricas, entre las que se encuentra la hemoglobina. La cooperatividad positiva significa que cuando una molécula de oxígeno se une a una subunidad de la hemoglobina transmite información a las otras subunidades y las otras subunidades responden a esta información aumentando su afinidad por unirse al oxígeno, aumentando así la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno conforme se van uniendo a éste. La afinidad de unión por la 4ª molécula de oxígeno es de 300 a 500 veces superior a la afinidad por la 1ª molécula, y este comportamiento lo puede hacer la hemoglobina por ser una proteína oligomérica y no lo puede tener la mioglobina que posee una única cadena peptídica. Cambios conformacionales de la hemoglobina.
La cooperatividad positiva se debe a cambios conformacionales de la molécula de hemoglobina. Las subunidades de la hemoglobina puede estar en dos conformaciones: y
Conformación tensa (T): conformación de baja afinidad por el oxígeno, la muestra la hemoglobina cuando no está unida al oxígeno (desoxihemoglobina). La conformación T se caracteriza por tener numerosos enlaces iónicos entre las subunidades. La hemoglobina libera oxígeno cuando está en conformación tensa.
y
Conformación relajada (R): conformación de alta afinidad por el oxígeno, y es la que muestra la hemoglobina cuando esta unida al oxígeno (oxihemoglobina). La conformación R se caracteriza por tener pocos enlaces iónicos entre las subunidades. Para que la hemoglobina pueda captar oxígeno debe estar en conformación relajada.
Los cambios conformacionales en las subunidades de la hemoglobina están inducidos por la unión de la molécula de oxígeno. Cuando una subunidad de la hemoglobina no está ligada al oxígeno, el átomo de hierro del grupo hemo está unido por un lado a la histidina proximal, pero no está unido al oxígeno por el otro enlace, por lo que la histidina proximal tira del átomo de hierro hacia ese lado, desplazándolo del centro del anillo de protoporfirina. Cuando el oxígeno se une al átomo de hierro del grupo hemo establece un enlace en el lado contrario a la unión con la histidina proximal, tirando y provocando el desplazamiento del átomo de hierro hacia el centro del anillo de la protoporfirina, pero como el hierro del grupo hemo está unido a la histidina proximal, el hierro arrastra hacia dentro tanto a la histidina como al resto de la cadena peptídica (hélice F), provocando un cambio conformacional en esa subunidad que se ha unido al oxígeno.
Al cambiar la conformación de esa subunidad que se ha unido al oxígeno, cambia la relación espacial de ésta con las otras subunidades con las que forma la estructura cuaternaria de la hemoglobina, lo que provoca que se rompan algunos enlaces iónicos y se formen otros entre esa subunidad y las otras, estos enlaces son los que mantienen la conformación tensa (T), por lo que las otras subunidades, al variar estos enlaces iónicos, experimentan un cambio conformacional que tiende hacia la conformación relajada (R) de mayor afinidad por el oxígeno, preparándolas para que la unión de la próxima molécula de oxígeno se haga más fácilmente.
Cuando la siguiente molécula de oxígeno se une a otra subunidad vuelve a ocurrir el mismo proceso, se une al hierro desplazándolo y arrastrando a la histidina proximal provocando el cambio conformacional en esa subunidad con la consiguiente ruptura y formación de enlaces iónicos entre ésta y las otras subunidades, pero parte de ese cambio conformacional ya estaba favorecido por el reajuste molecular anterior e, igualmente, parte de los enlaces iónicos entre subunidades ya se habían roto por la misma causa; por lo tanto, la unión de esta segunda molécula a la segunda subunidad de la hemoglobina necesita menos modificaciones, pues parte de ellas ya se habían producido, y, por tanto, menos energía, lo cual aumenta la probabilidad de esta unión, es decir, la unión de la molécula de oxígeno anterior había aumentado la afinidad por el oxígeno en la segunda subunidad.
Lo mismo ocurre a cada nueva molécula de oxígeno que se une a la hemoglobina, haciendo que cada vez esté más facilitada la unión de esta nueva molécula de oxígeno, por lo que la hemoglobina va aumentando su afinidad por éste.
Transporte de oxígeno por la hemoglobina y la mioglobina. Como ya hemos señalado, la hemoglobina se une al oxigeno en función de la PPO 2 en el medio. En los pulmones hay una alta PPO2 (aprox. 100 mm de Hg), por lo que la hemoglobina se satura en, aproximadamente, un 96%, y cuando llega a los tejidos, donde la PPO 2 es más baja (aprox. 26 mm de Hg de media, variando según el estado de actividad del tejido), la hemoglobina sólo libera un tercio del oxígeno que lleva. Si la hemoglobina se descargara totalmente en los tejidos, luego le costaría mucho volver a cargarse debido a la baja afinidad que muestra por la primera molécula de oxígeno. Por tanto, la cantidad de oxígeno que libera la hemoglobina depende de la PPO 2 en los tejidos. Los tejidos, en momentos de mayor actividad, consumen más oxígeno, lo que provoca que localmente baje la PPO2, por lo que la cantidad de oxígeno liberado por la hemoglobina en ese tejido debe ser mayor. Los tejidos en reposo consumen menos oxígeno, por lo que su PPO 2 es mayor y, por tanto, la hemoglobina libera menos oxígeno, porque detecta que ese tejido en ese momento necesita menos oxígeno. Si la proteína de transporte de oxígeno en la sangre fuese la mioglobina, al mostrar una curva hiperbólica de saturación, entre la PPO2 de los pulmones y la de los tejidos sólo liberaría un 2-3% del oxígeno que transporta, debido a que no muestra cooperatividad positiva y
por tanto no sería nada efectiva en esta función, sería necesaria que la PPO 2 en los tejidos fuese excesivamente baja, asfixia tisular, para que liberase una cantidad apreciable de oxígeno. La función biológica de la mioglobina no es el transporte sanguíneo del oxígeno, sino captar el oxígeno para las células, lo que esta facilitado por su alta afinidad. Sea cual sea la PPO 2 en los tejidos, la mioglobina lo capta de forma efectiva.
Efecto Bohr (sobre el transporte de oxigeno por la hemoglobina): Los tejidos, como consecuencia de su metabolismo aeróbico, consumen oxígeno y producen anhídrido carbónico (CO2) que es expulsado a la sangre para su eliminación. Este CO 2 influye sobre el transporte de oxígeno por la hemoglobina.
Por un lado el CO2 se combina con el agua formando ácido carbónico, que es un ácido débil que se disocia parcialmente originando ión bicarbonato y un protón
+
CO2 + H2O D H2CO3 D HCO3 + H
+
De esta forma, se están liberando protones continuamente como resultado del metabolismo normal de la célula, provocando una ligera bajada local de pH. Cuanto mayor sea la actividad del tejido mayor será la producción de protones y la bajada del pH, dentro de límites fisiológicos.
Parte de estos protones van a ser captados por la hemoglobina, uniéndose al grupo R de dos residuos de histidina que están en posición carboxilo terminal de las cadenas beta. Por tanto, estos restos adquieren carga positiva y esta carga le permite, a cada uno de ellos, formar un enlace iónico (salino) con otro grupo con carga negativa de la misma molécula. Para formarse este enlace se tiene que producir un desplazamiento de los segmentos que contienen los residuos implicados, y este desplazamiento genera un cambio conformacional en la molécula, que va dirigido hacia la conformación tensa, por lo que disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, en consecuencia, la hemoglobina libera más oxígeno, precisamente en el tejido más activo que produce más CO2 y, por tanto, más protones y se necesita más oxígeno. Así, la hemoglobina también detecta las necesidades de oxígeno de cada tejido en función del pH local.
Además, al unirse los protones a la hemoglobina, disminuye su concentración y se equilibra el pH, por tanto la hemoglobina muestra poder tamponante, colaborando en el mantenimiento del pH de la sangre. Por otro lado, el CO2 se puede unir directamente a los 4 grupos alfa-amino N-terminales de las 4 -
cadenas de la hemoglobina, formando carbamino-hemoglobina (R-NH-COO ), lo que hace que tengan cargas negativas, y estas cargas le permiten, a cada una de ellas, formar un enlace iónico (salino) con otro grupo con carga positiva de la misma molécula. Para formarse este enlace se produce un desplazamiento que genera un cambio conformacional en la molécula hacia la conformación tensa, por lo que disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno; en consecuencia, la hemoglobina libera más oxígeno, precisamente en el tejido más activo, que produce más CO2. De esta forma, la hemoglobina también detecta las necesidades de oxígeno de cada tejido.
En resumen, la hemoglobina llega a los tejidos y detecta las necesidades de estos en función de: y
la PPO2, cuanto mas baja sea más cantidad de oxígeno se libera.
y
el pH, cuanto más bajo sea mayor cantidad de oxígeno libera.
y
la presión parcial de CO2, cuanto más alta sea, mayor cantidad de oxígeno se libera.
Por esto se dice que la hemoglobina es una molécula computerizada, capaz de detectar las necesidades de oxígeno de cada tejido en función de su actividad y responder a esas necesidades liberando en cada uno de ellos la cantidad de oxigeno adecuada en cada momento.
