Capítulo 21: Fisiología del eritrocito

Características

Si se considera que el eritrocito es una célula anucleada sin organelos, y que éstos parecen ser críticos para la supervivencia y función de la mayoría de las células, posiblemente la característica más importante del eritrocito es su durabilidad. Los eritrocitos no tienen mitocondria para un eficiente metabolismo oxidativo, ni ribosomas para la regeneración de las proteínas dañadas o perdidas; tienen un repertorio metabólico muy limitado que impide la síntesis de novo de lípidos y carecen de núcleo para dirigir procesos regenerativos, adaptarse al estrés circulatorio o dividirse para remplazarse a sí mismos. Por todas estas desventajas, la supervivencia de 100 a 120 días es aún más sorprendente considerando su ambiente extremadamente hostil. La capacidad de los eritrocitos para permanecer en la circulación depende de la simple pero excelente estructura adaptativa de la membrana, de las vías de metabolismo energético intermedio y de la capacidad para mantener los componentes citoplásmicos y la hemoglobina en estado soluble y no oxidado.

El eritrocito en reposo tiene la forma de una esfera desinflada, frecuentemente descrita como un “disco bicóncavo”. Tiene un diámetro que oscila entre 7 y 8 µm, un volumen promedio de 91 fl y una superficie de casi 135 µm² (figura 21-1). El eritrocito es capaz de atravesar capilares de 2.8 µm porque tiene un exceso de membrana, que además le permite formar una esfera de aproximadamente 150 fl cuando se hincha. El eritrocito se tiñe de color café-rojizo con el colorante de Wright, observándose el área central (de alrededor de un tercio) relativamente pálida, reflejando el que la hemoglobina se halla más concentrada en la periferia que en la parte central de la célula.

Membrana del eritrocito

Desde el punto de vista estructural la membrana plasmática (“fantasma” o “estroma”) no difiere de forma esencial de las restantes membranas biológicas; está compuesta de una bicapa de lípidos a la cual se ancla una red filamentosa de proteínas que están por debajo de la superficie citoplásmica de la membrana. Esta red filamentosa de proteínas se conoce también como esqueleto de la membrana y juega un papel importante al mantener la forma del eritrocito y al regular la deformabilidad y estabilidad mecánica (figura 21-2). La membrana contiene aproximadamente 52% de peso en proteínas, 40% en lípidos y 8% en carbohidratos. La mayoría de los carbohidratos se encuentran en las glucoproteínas y una pequeña porción en los glucolípidos.

Lípidos. Prácticamente todos los lípidos del eritrocito maduro se encuentran en la membrana. Los principales componentes lipídicos son el colesterol no esterificado y los fosfolípidos, los cuales se encuentran en cantidades casi equimolares, mientras que los ácidos grasos libres y los glucolípidos están presentes en pequeñas cantidades. La composición de los fosfolípidos de la membrana es como sigue: fosfatidilcolina 30%; esfingomielina 25%; fosfatidiletanolamina 28%; fosfatidilserina 14%, y ácido fosfatídico y fosfatidilinositol constituyendo aproximadamente 3% del total.

El eritrocito maduro no puede sintetizar ácidos grasos, fosfolípidos o colesterol de novo y depende del intercambio de lípidos y de la acetilación de ácidos grasos para la reparación y la renovación de los fosfolípidos. La función de los lípidos es proporcionar continuidad física a la membrana y servir como matriz de las proteínas transmembranales. La fluidez de esta matriz es regulada por la composición de los lípidos. Como la bicapa de los lípidos tiene esencialmente las propiedades físicas de una burbuja de jabón, la membrana del eritrocito sería rápidamente emulsificada en la circulación, sin embargo, el arreglo hexagonal de la espectrina forma un enrejado subyacente que le da fuerza a la membrana. La red de espectrina se mantiene unida por moléculas como la proteína 4.1, la proteína 4.2, la aducina y la anquirina, colocadas en puntos definidos. Estas interacciones proteína-proteína parecen ser críticas para mantener la red unida y para resistir al estrés constante.

Proteínas. Mediante el empleo de enfoque isoeléctrico y electroforesis en gel de poliacrilamida-dodecil sulfato de sodio, se han identificado más de 100 diferentes proteínas en la membrana del eritrocito, muchas de las cuales no han sido bien caracterizadas. Las proteínas de la membrana se clasifican en integrales y periféricas; las primeras se encuentran firmemente embebidas en la bicapa lipídica, mientras que las periféricas se unen de manera indirecta a la cara extracelular o citoplásmica de la capa de lípidos. La banda 3 y las glucoforinas son las proteínas integrales más abundantes y mejor estudiadas. Las dos funciones principales de la banda 3 son transportar aniones, lo que permite el intercambio de $HCO3−$ o Cl⁻ a través de la membrana y mantener ligada la capa bilipídica al esqueleto de la membrana. La presencia de carbohidratos en las glucoforinas imparte una carga neta negativa a la superficie de la célula y de esta forma reducen la interacción de los eritrocitos con otras células y con ellos mismos. Las glucoforinas transportan los determinantes antigénicos de algunos grupos sanguíneos.

La red filamentosa de proteínas periféricas está anclada a la bicapa por varias proteínas integrales y por lo general es referida como el esqueleto de la membrana; está constituida por tres componentes principales: espectrina, actina y proteína 4.1. Las interacciones espectrina-actina, las cuales son débiles, se estabilizan por la proteína 4.1. La aducina es otra proteína del esqueleto que estabiliza la interacción de espectrina y actina. La unión física del esqueleto de la membrana a la bicapa de lípidos se acompaña de dos importantes interacciones: anquirina con espectrina y con la banda 3; y la glucoforina C con la proteína 4.1.

Metabolismo del eritrocito

El eritrocito requiere un ingreso constante de glucosa para mantener su metabolismo energético. Al no tener mitocondrias, obtiene los compuestos de alta energía por dos vías: la glucólisis anaeróbica (ciclo de Embden-Meyerhof), y la vía aeróbica de la hexosa monofosfato (figura 21-3).

Ciclo de Embden-Meyerhof. En condiciones normales, el 90% de la glucosa que entra al eritrocito se metaboliza por la vía anaeróbica y sólo el 10% por la aeróbica. Hay tres productos relevantes del ciclo de Embden-Meyerhof, los dos primeros están interconectados por la enzima glucosa-6-fosfato-deshidrogenasa. La glucosa que entra al eritrocito termina con la formación del lactato por acción de la enzima lactato deshidrogenasa. No obstante su ineficiencia (ganancia neta de sólo 2 ATP/molécula de glucosa), esta vía es la única fuente de ATP útil en la célula, más aún, la vía genera NADH reducido, una molécula necesaria para la reducción de la metahemoglobina (hemoglobina con Fe³⁺) a hemoglobina. Un cortocircuito dentro de esta vía (Rapaport-Luebering) genera el tercer compuesto; 2,3 difosfoglicerato un importante cofactor que, cuando se une a la hemoglobina, reduce la afinidad de la proteína por el O₂. El ATP generado es necesario para las reacciones de cinasas que controlan tanto la fosforilación de la membrana como los componentes de señalización, para el abastecimiento de la bomba de iones y canales y para el mantenimiento del nivel de fosfolípidos.

La vía metabólica anaeróbica genera, como uno de sus intermediarios, a la glucosa-6-fosfato que es el sustrato para la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Esta enzima parece ser la limitante para una vía denominada vía oxidativa de la hexosa monofosfato, que involucra una cascada de reacciones que culminan en la reducción del glutatión oxidado (GSSG) a glutatión reducido (GSH). El glutatión reducido se emplea para revertir la oxidación de estructuras críticas, incluyendo la hemoglobina, las proteínas del citoesqueleto y los lípidos de membrana.

Factores nutricionales para la producción del eritrocito

Se requiere una gran cantidad de materiales para la eritropoyesis. Ninguno de ellos es único, es decir, ninguno es sólo necesario para la eritropoyesis sino que también lo es para otros sistemas en el organismo. Se mencionarán sólo aquellos nutrientes cuyo aporte es de importancia crucial y cuya deficiencia ocasiona cambios en la sangre, como el hierro, ácido fólico y la cobalamina (vitamina B₁₂).

Metabolismo del hierro

El hierro es un elemento esencial en el metabolismo celular que funciona como un componente de las proteínas transportadoras de oxígeno (hemoglobina y mioglobina) y de los citocromos. El contenido de hierro en el adulto es en promedio de 2 a 4 g, y en individuos normales tiende a permanecer dentro de límites relativamente estrechos, lo que se logra mediante un control de la absorción más que de la eliminación de éste. El hierro se pierde cuando las células, en especial del tracto gastrointestinal y urinario, se eliminan por descamación. Aunque el hierro es un componente fisiológico del sudor, sólo se pierden pequeñas cantidades (22.5 μg/L) por esta vía. Se ha estimado que la pérdida promedio de hierro es de 1.0 mg/día en el varón adulto y en la mujer menopáusica. La mujer en periodo de menstruación pierde una cantidad adicional de aproximadamente 0.006 mg/kg/día. En la mujer embarazada la pérdida de hierro es cerca de 3.5 veces más que la del varón. En una dieta equilibrada, la ingesta promedio de hierro oscila entre 10 y 30 mg/día. Si aceptamos una absorción de 5 a 10%, se obtiene 1 mg, cantidad necesaria para reponer la que se pierde a diario. El abastecimiento de hierro para la eritropoyesis se mantiene básicamente por el reciclaje diario de alrededor de 20 mg de hierro provenientes de los eritrocitos senescentes.

Absorción. En los mamíferos la mayoría del hierro está contenido en la hemoglobina de los eritrocitos. Los eritrocitos senescentes son fagocitados por los macrófagos y una porción significativa del hierro es reciclado de manera eficiente; sin embargo, las pérdidas diarias de hierro se deben compensar por la absorción de la dieta a través de los enterocitos duodenales (figura 21-4). El hierro existe en dos formas: férrico Fe³⁺ y ferroso Fe²⁺, antes de su absorción el Fe³⁺ de la dieta debe ser reducido a Fe²⁺ por el citocromo b duodenal (citb-d) en la superficie apical del enterocito. El hierro en estado ferroso es transportado dentro de la célula por el transportador divalente de metales (TDM), mismo que ha demostrado no ser esencial para el transporte de hierro de la madre a través de la placenta, pero sí lo es para la captación de hierro inorgánico de la dieta. Otra fuente de hierro de la dieta es el hem proveniente del catabolismo de la hemoglobina y de la mioglobina de la carne, el cual, es probable que sea transportado al interior a través de un mecanismo de endocitosis mediada por un receptor recientemente identificado, denominado proteína transportadora del hem (PTH). Se postula que las vesículas endosomales resultantes migran al retículo endoplásmico donde el hierro es liberado del hem por acción de la hemoxigenasa (HO). El hierro liberado del hem o el importado al enterocito por el TDM entra a la hipotética “poza lábil de hierro” (PLFe). El Fe²⁺ es entonces exportado a través de la membrana basolateral del enterocito al espacio intersticial por la ferroportina (FPN) y oxidado por la ferroxidasa hephaestin (Hp). La FPN es regulada en forma negativa por la hormona reguladora de hierro hepcidina. Una vez fuera de la célula, el hierro se une con alta afinidad a la proteína sérica transportadora del metal, la transferrina (Tf) y llevado a la circulación. Cinéticamente la Tf constituye el compartimiento más activo, ya que su hierro es por lo general reemplazado o recambiado al menos 10 veces cada 24 horas.

Homeostasis. La hepcidina, un péptido hormonal sintetizado en el hígado, actúa como un mediador de la inmunidad innata y es el principal regulador de la homeostasis sistémica del hierro (figura 21-5). La hepcidina controla la concentración de hierro interactuando directamente con la FPN dando como resultado la degradación de la FPN cuando la concentración de hierro en suero se encuentra elevada. Este mecanismo bloquea la liberación del hierro de los macrófagos, de los hepatocitos y de los enterocitos. Algunos experimentos preliminares indican que el TDM y el citb-d también regulan negativamente a la hepcidina. La regulación apropiada de la hepcidina por estos reguladores es esencial y la sobreexpresión puede conducir a anemia por deficiencia de hierro, mientras que la subregulación puede dar como resultado la sobrecarga de hierro. Empiezan a emerger evidencias que sugieren que la eritropoyesis puede ser el mediador para la expresión de la hepcidina, con eritropoyesis aumentada se suprime la acción de la hepcidina. Esto facilita la exportación del hierro del reticuloendotelio y del enterocito aumentando la disponibilidad del hierro para la eritropoyesis. La anemia y la hipoxia también suprimen la expresión de la hepcidina.

Captación celular. Los precursores eritroides requieren de una eficiente captación de transferrina para la síntesis de hemoglobina. Esto se obtiene principalmente por el reciclamiento del hierro proveniente de la eritrofagocitosis y en menor grado del hierro de la dieta. La captación celular de hierro se lleva a cabo a través de endocitosis mediada por el receptor de la transferrina (RTf). El hierro es exportado de la vesícula endosomal por el TDM donde nuevamente entra a la “poza lábil de hierro”. Una vez que el hierro es transportado a través de la membrana mitocondrial puede ser empleado para una variedad de procesos metabólicos, en particular síntesis de hem y proteínas hierro-azufre.

Reservas. El hierro intracelular es almacenado en hígado, bazo y médula ósea en forma de ferritina o de su producto de condensación semicristalina, la hemosiderina. La ferritina y la hemosiderina constituyen aproximadamente el 30% del hierro total, o cerca de 1 g en el varón. En la mujer sólo 200 a 400 mg de hierro se encuentran en forma de reservas. La ferritina es una macromolécula que consiste de una especie de concha (apoferritina) que consta de 24 subunidades, en cuyo interior se pueden almacenar hasta 4 500 átomos de hierro. El hierro en forma reducida entra a la molécula y es oxidado a Fe³⁺ por el oxígeno molecular, y es depositado irregularmente y en cantidades variables, formando microcristales. La hemosiderina no constituye una entidad química definible, parece estar formada por la degradación incompleta de la ferritina y la conglomeración de hierro y otros constituyentes subcelulares. Difiere de la ferritina por tener una relación hierro-proteína más alta y por ser menos soluble en agua. Desde el punto de vista fisiológico, el hierro almacenado en la hemosiderina representa una forma más estable y menos disponible que el hierro almacenado en la ferritina.

Metabolismo del ácido fólico

Estructura química. El ácido fólico (ácido pteroilglutámico) es una vitamina B soluble en agua compuesto de un anillo de pteridina, de paraaminobenzoato y de una o más cadenas laterales de glutamato. El ácido fólico se encuentra en la naturaleza en forma de conjugados, en los que múltiples (principalmente tri y hepta) residuos de ácido glutámico se unen mediante uniones peptídicas para constituir los poliglutamatos. Para formar los folatos que son los compuestos funcionales o vitámeros, el ácido fólico se debe reducir a tetrahidrofolatos (FH₄) por acción de la enzima dihidrofolato reductasa. En la forma reducida pueden aceptar fragmentos de un carbono tales como metil (–CH₃), formil (–CHO), metilen (–CH₂–) y metenil (=CH–).

Nutrición. Los humanos no pueden sintetizar folatos y por tanto dependen de la absorción intestinal y de su efectiva retención celular. Los folatos en los alimentos naturales no enriquecidos se encuentran en forma reducida (CH₃–FH₄ y CHO–FH₄). Las fuentes vegetales más ricas son: brócoli, espárrago, espinaca, lechuga, plátano, limón y melón; los alimentos de origen animal con más abundancia de folatos son el hígado y el riñón. La dieta promedio diaria contiene de 400 a 600 μg de folato. La cocción prolongada de los alimentos puede disminuir en forma importante su contenido de folatos. Las necesidades diarias son de 400 µg/día en el adulto normal; de 600 µg en la mujer embarazada; de 500 µg en la mujer lactante, y cantidades más pequeñas, escaladas por edad, en los niños. Por extrapolación de un estudio de depleción, se sugiere que las reservas de folato pueden disminuir en pocos meses a concentraciones incapaces de sostener una hematopoyesis normal.

Absorción. La absorción de folatos combina procesos mediados por acarreadores saturables específicos que predominan en el yeyuno proximal y en aquellos no saturables que predominan en el íleon. Los poliglutamatos son hidrolizados a monoglutamatos por la glutamato carboxipeptidasa. El alcohol daña la actividad de esta enzima y puede contribuir a la deficiencia de folatos en los alcohólicos. La conversión a metil-FH₄ ocurre en las células del intestino de donde son exportadas a la sangre. Los folatos aparecen en la sangre rápidamente después de la ingestión, alcanzando altas concentraciones a la hora.

El metil-FH₄ como monoglutamato es la forma predominante de los folatos circulantes. En fechas recientes se demostró la distribución en el organismo de los folatos ingeridos y aun cuando los vitámeros son particularmente importantes para la hematopoyesis, sólo el 0.25% de los folatos en plasma se destinan para la médula ósea, mientras que el 98.5% es tomado por otras vísceras. Los vitámeros de los folatos son necesarios para las reacciones de transferencia de fragmentos de un carbono de una molécula a otra.

Funciones. La entrada del N5-metil-FH₄ monoglutamato a las células es mediada por receptores, donde constituye la principal fuente de grupos metil para la remetilación de la homocisteína en presencia de la metionina sintetasa. En el interior de la célula el monoglutamato FH₄ es convertido a penta y hexa-glutamato en presencia de la poliglutamil sintetasa. El siguiente paso en el metabolismo intracelular de los folatos es adquirir su primera unidad de un carbono de la serina formándose el N5-N10-metilen-FH₄. Este vitámero tiene tres destinos metabólicos: donar de manera directa su carbono en la reacción de la timidilato sintetasa; convertirse en N5-N10-metenil-FH₄ y subsecuentemente a formil-FH₄; y la tercera es la conversión irreversible a N5-metil-FH₄ cuya principal función es la regeneración de la metionina a partir de la homocisteína.

Metabolismo de la cobalamina

Estructura química. La cobalamina, un miembro de la familia corrin, constituida por cuatro anillos pirrólicos en un solo plano, un átomo de cobalto en el centro, un nucleótido (5,6 dimetilbenzimidazol) y una molécula prostética variable. Las cobalaminas activas requieren la reducción del cobalto³⁺ a cobalto²⁺ y se designan de acuerdo con la molécula prostética; una molécula de metil da lugar a la metilcobalamina, que predomina en el plasma, y el 5 desoxiadenosil a la adenosilcobalamina predomina en la mitocondria.

Nutrición. Los alimentos que contienen cobalamina son los de origen animal como: carne, hígado, pescados y mariscos, no se han encontrado cobalaminas en los vegetales. Los requerimientos diarios son de 2 a 3 µg en el adulto. Una comparación interesante es que esta cifra es sólo aproximadamente el 1% de la cantidad de folatos requerido diariamente, aun cuando las reservas corporales de las dos vitaminas son casi iguales.

Absorción y transporte. En los fluidos extracelulares la cobalamina es transportada por tres diferentes proteínas acarreadoras, la haptocorrina, el factor intrínseco y la transcobalamina. La cobalamina es liberada de las proteínas que lo transportan en los alimentos por acción de la pepsina y de un pH ácido, y se une inicialmente a la haptocorrina presente en la saliva y en los fluidos del tracto gastrointestinal superior. La haptocorrina es degradada por enzimas y la cobalamina liberada se une al factor intrínseco secretado por la pared gástrica. El factor intrínseco, a diferencia de la haptocorrina y de la mayoría de otras proteínas, es resistente a las enzimas gastrointestinales y de esta forma el complejo cobalamina-factor intrínseco llega al íleon donde reconoce a la cubilina y es captado por un mecanismo mediado por receptor. El factor intrínseco no es resistente a las enzimas lisosomales y su misión termina en este compartimiento. La cobalamina libre se une a la transcobalamina que es su transportador esencial en el plasma.

Funciones. Los folatos y las cobalaminas están entrelazados en la reacción de la metionina sintetasa en la que la homocisteína es convertida a metionina permitiendo el reciclaje del N5-metil-FH₄ a N5-N10-metilen-FH₄, el cual es necesario para la síntesis de novo del ácido timidílico y posteriormente la formación del DNA. Debido a que la conversión de N5-metil-FH₄ a N5-N 10-metilen-FH₄ es irreversible, la deficiencia de cobalamina “atrapa” al N5-metil-FH₄. Concomitantemente se acumula homocisteína, disminuye la metionina y después la S-adenosilmetionina, la que limita la formación de 10-metilen-FH₄ disminuyendo la síntesis de formil-FH₄. La S-adenosilmetionina es el donador crítico de grupos metil para la mayoría de las reacciones de metilación celular que afectan proteínas, ácidos nucleicos, histonas, fosfolípidos, neurotransmisores y mielina (p. ej., la hipometilación del DNA) la cual se ha asociado con neoplasias, puede ser el resultado de una deficiencia de adenosilmetionina. Las cobalaminas participan también en la reacción de la metilmalonil CoA mutasa, en la que la metilmalonil CoA derivada del ácido propiónico sintetizado por las bacterias intestinales, es convertido a succinil CoA un precursor de ácidos grasos y de síntesis del hem.

La relación entre las funciones de las cobalaminas y las consecuencias metabólicas de su deficiencia no se han establecido. Sin embargo, está claro que las dos principales anormalidades de la deficiencia de vitamina B₁₂ son la anemia megaloblástica y los defectos desmielinizantes del sistema nervioso. La hipótesis de la trampa del metilfolato establece que la situación de la síntesis del DNA en la deficiencia de cobalamina es secundaria a una alteración del metabolismo de los folatos.

Destrucción del eritrocito

Al carecer de núcleo y de ribosomas el eritrocito maduro no puede sintetizar proteínas, por lo que es una célula incapaz de autorrepararse. Bajo circunstancias normales la vida media del eritrocito parece ser muy uniforme, viven alrededor de 120 días desde su liberación a la circulación como reticulocito hasta el secuestro del eritrocito senescente en las células del retículo endotelial del bazo y del hígado. Se desconocen las señales precisas que marcan la destrucción de los glóbulos rojos, pero es indudable que a lo largo de su vida acumulan desperfectos, posiblemente por acumulación de pequeñas cantidades de estructura de la membrana dañada por oxígeno. Estas regiones alteradas son identificadas y removidas por el reticuloendotelio durante el paso de los eritrocitos por el bazo y por el hígado. También los eritrocitos pierden de manera progresiva algunas de las enzimas críticas necesarias para el metabolismo intermedio y la capacidad antioxidante. Además, se ha propuesto que un mecanismo tipo inmune puede contribuir al envejecimiento normal y patológico de los glóbulos rojos.

Aproximadamente el 80 a 90% de la destrucción de los eritrocitos normales ocurre sin liberación de hemoglobina al plasma, es decir, por destrucción extravascular, es probable que dentro de los macrófagos del bazo y en un menor grado en el hígado y la médula ósea. De 10 a 20% de la destrucción normal ocurre de forma intravascular.

Destrucción extravascular

En individuos normales la eritrofagocitosis constituye la forma primaria de destrucción extravascular de los glóbulos rojos senescentes. Esto es apoyado por dos observaciones: 1) el sistema de hem oxigenasa responsable de la degradación de la hemoglobina se localiza principalmente en las células fagocíticas del bazo, hígado y médula ósea y 2) el hierro derivado de la degradación del hem es almacenado en los macrófagos. La importancia relativa del hígado y del bazo en la destrucción de los eritrocitos está influenciada por el grado de daño de las células. Los eritrocitos muy dañados son fagocitados por todos los órganos que tienen macrófagos, pero en especial por el hígado por su gran flujo de sangre. El bazo es más sensible al daño celular; las células mínimamente dañadas son fagocitadas por los macrófagos del bazo.

Destrucción intravascular

Cuando los eritrocitos se destruyen en el compartimiento vascular, la hemoglobina es liberada de manera directa en la circulación, de la cual es eliminada mediante diferentes mecanismos (figura 21-6). Cuando la cantidad de hemoglobina liberada es baja, toda se une a las haptoglobinas, familia de las α2 glucoproteínas. La molécula tetramérica semeja a la de las inmunoglobulinas con dos cadenas ligeras y dos cadenas pesadas. La haptoglobina une dímeros α-β de la hemoglobina, por lo que es necesaria la disociación de la hemoglobina tetramérica. El complejo hemoglobina-haptoglobina es depurado del plasma por el hígado, con un tiempo medio de desaparición de 9 a 30 minutos. El hem se separa de la globina-haptoglobina y se convierte en biliverdina; la haptoglobina no retorna al plasma. El contenido de haptoglobina libre en plasma disminuye en pacientes con hemólisis intravascular franca. Cuando la haptoglobina se satura, la hemoglobina circula libremente en el plasma. Las células del parénquima hepático son las responsables de la eliminación parcial de la hemoglobina del plasma. Además, la hemoglobina se disocia en dímeros α-β que pasan a través del glomérulo para ser reabsorbidos por el túbulo proximal, si la capacidad de éste se excede, la hemoglobina aparece en la orina.

En las células epiteliales tubulares el hierro de la hemoglobina se almacena en forma de ferritina y de hemosiderina. Cuando las células tubulares cargadas con hierro se descaman, la ferritina y la hemosiderina se pueden detectar en la orina. La hemoglobina libre se oxida a metahemoglobina (Fe³⁺), y ésta a su vez se disocia en hem y globina. El hem es muy insoluble a pH fisiológico. La hemopexina y la albúmina pueden unir hem y mantenerlo soluble. El hem es depurado de estas proteínas por los hepatocitos.

La hemoglobina consiste en alrededor de 90% de proteína con un peso molecular aproximado de 64 500 Da, tiene una conformación helicoidal con un diámetro de 6.4 nm. Es un tetrámero formado por dos pares de cadenas de polipéptidos, denominados globinas. A cada una de estas cadenas se encuentra unido un grupo prostético altamente colorido, el hem, que es un complejo de hierro y protoporfirina IX.

Síntesis de la globina

La síntesis de globina, al igual que la de otras proteínas requiere de mRNA, tRNA, aminoácidos, enzimas y ribosomas. Existen loci genéticos estructurales para cada una de las cadenas normales de polipéptidos de la hemoglobina. Así hay genes α, β, γ, δ, ε y ζ. En el humano el locus α está duplicado, por tanto hay cuatro genes α idénticos (dos pares). También se han identificado dos diferentes pares de genes γ. Aparentemente los genes α y β se encuentran localizados en cromosomas diferentes; el gen α se ubica en el cromosoma 16 y el gen β, así como los genes γ, δ y ε, en el cromosoma 11.

El hem es importante en el control de la síntesis de la globina, y ejerce su efecto en el paso de la cadena de iniciación en la traducción. En ausencia de hem se acumula un inhibidor de la síntesis de la globina.

Estructura de la globina

Las cadenas de polipéptidos en la hemoglobina difieren una de la otra en la secuencia y en el número de aminoácidos. La cadena α consta de 141 aminoácidos y las cadenas β, γ, δ de 146 aminoácidos. A pesar de las diferencias existentes en la estructura primaria de las cuatro cadenas de la hemoglobina normal, su estructura secundaria es muy similar. Alrededor de 75% de los aminoácidos en las cadenas α y β está en forma de hélices, designadas por letras, de la A a la H (figura 21-7). Entre las hélices se localizan los segmentos no helicales: NA, AB, CD, EF, FG, GH y HC, que permiten a la molécula doblarse. En la cadena de polipéptidos, un aminoácido en particular se puede nombrar por su número secuencial o por su número en la hélice. El hierro del hem forma una unión covalente con la histidina F8 (aminoácido número ocho de la hélice F), y cuando se une el oxígeno forma una unión covalente con el hem y con la histidina E7. En solución acuosa los aminoácidos polares de las cadenas de polipéptidos se orientan hacia la superficie molecular para interactuar con el agua, haciendo a la molécula soluble. Los grupos no polares se orientan hacia el interior impartiendo estabilidad a la molécula. Cuando se unen las cuatro cadenas de polipéptidos para formar la molécula de hemoglobina, cada cadena se coloca en el vértice de un tetraedro regular.

Síntesis del hem

En la síntesis del hem participan ocho pasos: 1) unión de la glicina con la succinil CoA para formar el ácido δ aminolevulínico (ALA) con la intervención de la enzima ALA sintetasa; 2) unión de dos moléculas de ALA para formar el porfobilinógeno (PBG) por la acción de la enzima ALA dehidrasa; 3) una PBG deaminasa cataliza la condensación de cuatro moléculas de PBG para dar el uroporfirinógeno I; 4) formación de uroporfirinógeno III por acción de una cosintetasa del uroporfirinógeno III; 5) una uroporfirinógeno descarboxilasa cataliza la descarboxilación de cuatro grupos carboxílicos para formar el coproporfirinógeno III; 6) formación del protoporfirinógeno IX mediante la enzima mitocondrial coproporfirinógeno oxidasa; 7) oxidación del protoporfirinógeno IX a protoporfirina IX, mediada por la protoporfirinógeno oxidasa, y 8) inserción del hierro en la protoporfirina IX para formar el hem, catalizada por la ferroquelatasa. De los ocho pasos, el primero y los tres últimos se llevan a cabo en mitocondria, los cuatro pasos intermedios se realizan en el citosol.

Estructura del hem

El hem está compuesto de un átomo de hierro (Fe²⁺) coordinado con cuatro anillos pirrólicos a través de un átomo de nitrógeno (figura 21-8). Los cuatro anillos pirrólicos (protoporfirina IX) se designan con las letras A, B, C y D. De los ocho lugares en la periferia de los tetrapirroles, cuatro están ocupados por grupos metil (CH₃), dos por grupos vinil (CH=CH₂) y dos por ácido propiónico (CH₂=CH₂=COOH).

Hemoglobina normal y sus variantes

Las hemoglobinas A, A₂, F, Gower I, Gower II y Portland se encuentran en diferentes proporciones dependiendo de la edad del individuo. La hemoglobina F, o fetal (α2, γ2), es la predominante durante la vida fetal y la primera infancia. Durante el primer año de vida la hemoglobina F es gradualmente reemplazada por hemoglobina A (α2, β2), y en los adultos sólo se encuentran pequeñas cantidades de hemoglobina F (<1%). La hemoglobina A₂ (α2, δ2) se encuentra en cantidades pequeñas en el feto (0.5%), y alcanza el 2 a 3% en el adulto. Las hemoglobinas Gower I (ζ2, ε2), Gower II (α2, ε2) y Portland (ζ2, γ2) son hemoglobinas embrionarias que sólo se encuentran, por lo general, durante los tres primeros meses del desarrollo fetal.

Función de la hemoglobina

La hemoglobina es la proteína respiratoria de todos los vertebrados y se localiza sólo en los eritrocitos. Reacciona en forma reversible con moléculas de oxígeno y lo transporta de los pulmones a todos los tejidos para cubrir las necesidades del metabolismo oxidativo de las células. Una función adicional de la hemoglobina parece ser la modulación del tono vascular mediante el transporte de óxido nítrico.

El transporte de CO₂, a diferencia de lo que ocurre con el transporte de oxígeno, no se lleva a cabo por unión directa con el hem (figura 21-9). El CO₂ difunde libremente dentro del eritrocito, se combina con el agua por acción de la anhidrasa carbónica (AC) para forma el ácido carbónico (H₂CO₃). Este último se disocia en iones de hidrógeno y bicarbonato. El bicarbonato difunde libremente, sale del eritrocito y es transportado por el plasma hasta los pulmones, donde la ventilación conserva el pCO₂ bajo dando lugar a la reacción inversa, así como a la excreción del CO₂ en el aire espirado. Aproximadamente el 85% del CO₂ tisular se procesa en esta forma. Del 15% restante, el 5% es transportado en solución y el 10% se une a los grupos amino N-terminal de la hemoglobina desoxigenada formando la carbaminohemoglobina.

Catabolismo de la hemoglobina

El hierro, la bilirrubina y el monóxido de carbono (CO) constituyen los productos finales del catabolismo de la hemoglobina (figura 21-10). Estas sustancias representan los productos de degradación del hem por un complejo enzimático compuesto de hem oxigenasa, NADPH-citocromo c reductasa y biliverdín reductasa. El proceso de degradación del hem consiste en una serie de oxidaciones autocatalíticas, catalizadas por la hem oxigenasa, hasta la formación de biliverdina, y la conversión de ésta a bilirrubina con liberación de CO. Esta reacción es la única fuente endógena de CO. La bilirrubina es muy lipofílica e insoluble en agua, es tóxica para el cerebro en desarrollo y debe ser conjugada para su eficiente eliminación biliar.

Una vez que la bilirrubina se libera en los sitios de catabolismo del hem, aparece en el plasma en varias formas. La bilirrubina no conjugada, insoluble en agua, se combina en forma reversible con la albúmina (dos moléculas de ligando por una de proteína), formando un complejo poco estable. A concentraciones normales de albúmina en plasma la capacidad teórica de unión de la bilirrubina es de 70 mg/dl, de los cuales la mitad puede estar débilmente unida. En el adulto normal, menos del 5% de la bilirrubina medible está conjugada. La concentración normal de bilirrubina en el plasma es de menos de 1 mg/dl.

Metabolismo de la bilirrubina

El proceso del metabolismo hepático de la bilirrubina transcurre por las fases de captación, conjugación y excreción. La captación es bidireccional y aproximadamente el 40% del pigmento sale de los hepatocitos al plasma sin cambio. En el hepatocito, la bilirrubina no conjugada se une a la enzima glutation S transferasa, conocida también como ligandina o proteína Y. Dentro de la célula hepática se conjuga con el ácido glucurónico (un derivado de la glucosa) para esterificar uno de los grupos propionil carboxil de la bilirrubina, formando el diglucurónido de bilirrubina. La reacción es catalizada por la UDP glucuronil transferasa. En los trastornos hepatocelulares y en casos de obstrucción biliar, cierta cantidad de la bilirrubina conjugada puede salir al plasma. En algunas anemias hemolíticas en las que hay gran destrucción de eritrocitos se observa hiperbilirrubinemia a expensas de la bilirrubina no conjugada.

El diglucurónido de bilirrubina se excreta en el duodeno con otros constituyentes de la bilis, y permanece conjugado durante su tránsito por el intestino delgado. Cuando alcanza el íleon terminal y el colon, es hidrolizado por una β- glucuronidasa bacteriana para formar una serie de tetrapirroles incoloros llamados urobilinógenos. Éstos son deshidrogenados para formar la urobilina, compuesto que por ser amarillo-naranja contribuye al color de las heces. Alrededor del 10 al 20% del urobilinógeno formado en el intestino se reabsorbe mediante la recirculación enterohepática del pigmento; el resto se pierde en las heces. La fracción reabsorbida se elimina por el hígado o por la orina.