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Las propiedades de hemoglobinas individuales son consecuencias de su estructura cuaternaria, así como de sus estructuras secundaria y terciaria. La estructura cuaternaria de la hemoglobina confiere notorias propiedades adicionales, ausentes de la mioglobina monomérica, que la adaptan a sus funciones biológicas singulares. Las propiedades alostéricas (del griego allos “otro”, steros “espacio”) de la hemoglobina proporcionan, además, un modelo para entender otras proteínas alostéricas (capítulo 17).
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La hemoglobina es tetramérica
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Las hemoglobinas son tetrámeros compuestos de pares de dos diferentes subunidades polipeptídicas (figura 6-6). Se usan letras griegas para designar cada tipo de subunidad. La composición de subunidad de las hemoglobinas principales son α2β2 (HbA; hemoglobina normal del adulto), α2γ2 (HbF; hemoglobina fetal), α2βS2 (HbS; hemoglobina de células falciformes) y α2δ2 (HbA2; una hemoglobina menor del adulto). Las estructuras primarias de las cadenas β, γ y δ de la hemoglobina humana están muy conservadas.
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La mioglobina y las subunidades β de la hemoglobina comparten estructuras secundaria y terciaria casi idénticas
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A pesar de diferencias en la clase y el número de aminoácidos presentes, la mioglobina y el polipéptido β de la hemoglobina A comparten estructuras secundaria y terciaria casi idénticas. Las similitudes comprenden la localización del hem y las regiones helicoidales, y la presencia de aminoácidos con propiedades similares en ubicaciones comparables. Aunque posee siete —en vez de ocho— regiones helicoidales, el polipéptido α de la hemoglobina también semeja de manera estrecha a la mioglobina.
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La oxigenación de la hemoglobina desencadena cambios de conformación en la apoproteína
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Las hemoglobinas unen cuatro moléculas de O2 por cada tetrámero, uno por cada hem. Una molécula de O2 se une a un tetrámero de hemoglobina con mayor facilidad si otras moléculas de O2 ya están unidas (figura 6-5). Este fenómeno, llamado unión cooperativa, permite a la hemoglobina maximizar tanto la cantidad de O2 cargada a la PO2 de los pulmones, como la cantidad de O2 liberada a la PO2 de los tejidos periféricos. Las interacciones cooperativas, una propiedad exclusiva de proteínas multiméricas, tienen importancia crucial para la vida aeróbica.
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La P50 expresa las afinidades relativas de diferentes hemoglobinas por el oxígeno
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La cantidad P50, una medida de la concentración de O2, es la presión parcial de O2 a la cual una hemoglobina dada alcanza la mitad de su saturación. Dependiendo del organismo, la P50 puede variar de manera significativa, pero en todos los casos excederá la PO2 de los tejidos periféricos; por ejemplo, los valores de P50 para la HbA y la HbF son de 26 y 20 mm Hg, respectivamente. En la placenta, tal diferencia permite que la HbF extraiga oxígeno de la HbA en la sangre de la madre; sin embargo, la HbF es subóptima posparto porque su alta afinidad por el O2 limita la cantidad de O2 suministrado a los tejidos.
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La composición de subunidad de tetrámeros de hemoglobina sufre cambios complejos durante el desarrollo. El feto humano en un inicio sintetiza un tetrámero ζ2ε2. Hacia el final del primer trimestre, las subunidades ζ y ε han quedado reemplazadas por subunidades α y γ, lo que forma HbF (α2γ2), la hemoglobina de etapas avanzadas de la vida fetal. Si bien la síntesis de subunidades β empieza durante el tercer trimestre, dichas subunidades no reemplazan por completo a las subunidades γ para producir HbA del adulto (α2β2) sino hasta algunas semanas después del parto (figura 6-7).
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La oxigenación de la hemoglobina se acompaña de grandes cambios de conformación
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La unión de la primera molécula de O2 a la desoxiHb desvía el hierro hem hacia el plano del anillo hem desde una posición alrededor de 0.04 nm más allá del mismo (figura 6-8). Este movimiento se transmite a la histidina proximal (F8) y a los residuos fijos a ella lo que, a su vez, causa la rotura de puentes salinos entre los residuos carboxilo terminal de las cuatro subunidades. Como resultado, un par de subunidades α/β rota 15 grados respecto al otro, lo que compacta el tetrámero (figura 6-9). Profundos cambios de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria acompañan a la transición de alta afinidad inducida por O2 de la hemoglobina desde el estado T (tenso) de baja afinidad hacia el estado R (relajado) de alta afinidad. Estos cambios aumentan de manera importante la afinidad de los hemes no oxigenados restantes por el O2, puesto que los eventos de unión subsiguientes requieren la rotura de menos puentes salinos (figura 6-10). Los términos “T” y “R” también se usan para hacer referencia a las conformaciones de afinidad baja y alta de enzimas alostéricas, respectivamente.
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Después de liberar O2 en los tejidos, la hemoglobina transporta CO2 y protones hacia los pulmones
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Además de transportar O2 desde los pulmones hacia los tejidos periféricos, la hemoglobina transporta CO2, el subproducto de la respiración, y protones, desde los tejidos periféricos hacia los pulmones. La hemoglobina porta CO2 como carbamatos formados con los nitrógenos amino terminal de las cadenas polipeptídicas.
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Los carbamatos cambian la carga en terminales amino desde positiva hacia negativa, lo que favorece la formación de puentes salinos entre las cadenas α y β.
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Los carbamatos de hemoglobina explican alrededor de 15% del CO2 en la sangre venosa. Gran parte del CO2 restante se transporta como bicarbonato, que se forma en los eritrocitos mediante la hidratación de CO2 hacia ácido carbónico (H2CO3), un proceso catalizado por la anhidrasa carbónica. Al pH de la sangre venosa, el H2CO3 se disocia hacia bicarbonato y un protón.
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La desoxihemoglobina une un protón por cada dos moléculas de O2 liberadas, lo que contribuye de manera significativa a la capacidad amortiguadora de la sangre. El pH un poco más bajo de los tejidos periféricos, auxiliado por la carbamación, estabiliza el estado T y, así, aumenta el aporte de O2. En los pulmones, el proceso se revierte. A medida que el O2 se une a la desoxihemoglobina, se liberan protones y se combinan con bicarbonato para formar ácido carbónico. La deshidratación del H2CO3, catalizada por la anhidrasa carbónica, forma CO2, que se exhala. De este modo, la unión de oxígeno impulsa la exhalación de CO2 (figura 6-11). Este acoplamiento recíproco de unión de protón y O2 se denomina efecto Bohr, el cual depende de interacciones cooperativas entre los hemes del tetrámero de hemoglobina. En contraste, la estructura monomérica de la mioglobina le impide mostrar el efecto Bohr.
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Los protones surgen a partir de la rotura de puentes salinos cuando se une O2
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Los protones de los cuales depende el efecto Bohr surgen a partir de la rotura de puentes salinos durante el enlace de O2 a la hemoglobina en estado T. En los pulmones, la conversión hacia el estado R oxigenado rompe puentes salinos que comprenden el residuo His 146 de la cadena β. La disociación subsiguiente de protones desde His 146 impulsa la conversión de bicarbonato hacia ácido carbónico (figura 6-11). En el momento de la liberación de O2, vuelven a formarse la estructura T y sus puentes salinos; este cambio en la conformación aumenta la pKa de los residuos His 146 de la cadena β, que une protones. Al facilitar que vuelvan a formarse puentes salinos, un aumento de la concentración de protón aumenta la liberación de O2 desde hemoglobina oxigenada (estado R). Por el contrario, un aumento de la PO2 promueve la liberación de protón.
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El 2,3-BPG estabiliza la estructura T de la hemoglobina
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Una PO2 baja en los tejidos periféricos promueve la síntesis de 2,3-bisfosfoglicerato (BPG) en eritrocitos. El tetrámero de hemoglobina une una molécula de BPG en la cavidad central formada por sus cuatro subunidades (figura 6-6). Sin embargo, el espacio entre las hélices H de las cadenas β que revisten la cavidad es lo bastante amplio como para dar cabida a BPG sólo cuando la hemoglobina se encuentra en el estado T. El BPG forma puentes salinos con los grupos amino terminal de ambas cadenas β por medio de Val NA1 y con Lis EF6 e His H21 (figura 6-12). Por ende, el BPG estabiliza hemoglobina desoxigenada (estado T) mediante la formación de puentes salinos adicionales que deben romperse antes de la conversión al estado R.
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La síntesis de BPG a partir del intermediario glucolítico 1,3-bisfosfoglicerato es catalizada por la enzima bifuncional 2,3-bisfosfoglicerato sintasa/2-fosfatasa (BPGM). El BPG es hidrolizado a 3-fosfoglicerato por la actividad de 2-fosfatasa de la BPGM, y hacia 2-fosfoglicerato por una segunda enzima, la múltiple inositol polifosfato fosfatasa (MIPP). Las actividades de estas enzimas y, por ende, la concentración de BPG en los eritrocitos, son sensibles al pH. Como una consecuencia, la concentración de BPG y la unión del mismo están influidas por, y refuerzan las repercusiones de, el efecto Bohr sobre la unión a, y el suministro de, O2 por la hemoglobina.
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El residuo H21 de la subunidad γ de la HbF es Ser más que His. Dado que Ser no puede formar un puente salino, el BPG se une de manera más débil a la HbF que a la HbA. La estabilización inferior proporcionada al estado T por el BPG explica la mayor afinidad de la HbF por el O2 que la de la HbA.
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Adaptación a altitud elevada
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Los cambios fisiológicos que acompañan a la exposición prolongada a altitud elevada comprenden aumentos del número de eritrocitos, la concentración de hemoglobina dentro de ellos, y la síntesis de BPG. El BPG alto disminuye la afinidad de la HbA por el O2 (aumenta la P50), lo que mejora la liberación de O2 en los tejidos periféricos.