La carboxihemoglobina o carboxihemoglobina (símbolo COHb o HbCO ) es un complejo estable de monóxido de carbono y hemoglobina (Hb) que se forma en los glóbulos rojos al entrar en contacto con el monóxido de carbono. La carboxihemoglobina a menudo se confunde con el compuesto formado por la combinación de dióxido de carbono ( carboxilo ) y hemoglobina, que en realidad es carbaminohemoglobina . La terminología de carboxihemoglobina surgió cuando el monóxido de carbono se conocía por su antiguo nombre de óxido carbónico; la nomenclatura IUPAC preferida es carbonilhemoglobina . [2] [3] [4]
Nombres | |||
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Nombre IUPAC preferido Carbonilhemoglobina | |||
Otros nombres Carboxihemoglobina | |||
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |||
Referencias de Infobox | |||
El no fumador promedio mantiene un nivel de carboxihemoglobina sistémica por debajo del 3% de COHb, mientras que los fumadores se acercan al 10% de COHb. [4] El umbral biológico para la tolerancia a la carboxihemoglobina es del 15% de COHb, lo que significa que la toxicidad se observa constantemente a niveles superiores a esta concentración. [5] La FDA ha establecido previamente un umbral del 14% de COHb en ciertos ensayos clínicos que evalúan el potencial terapéutico del monóxido de carbono. [6]
Producción endógena de monóxido de carbono.
En biología, el monóxido de carbono se produce naturalmente a través de muchas vías enzimáticas y no enzimáticas. [7] La vía más ampliamente estudiada es el metabolismo del hemo por la hemo oxigenasa que se produce en todo el cuerpo con una actividad significativa en el bazo para facilitar la degradación de la hemoglobina durante el reciclaje de eritrocitos . Por lo tanto, el hemo puede transportar monóxido de carbono en el caso de la carboxihemoglobina o sufrir un catabolismo enzimático para generar monóxido de carbono.
El monóxido de carbono se caracterizó como neurotransmisor en 1993 y desde entonces se ha subcategorizado como gasotransmisor . [4]
La mayor parte del monóxido de carbono producido de forma endógena se almacena como carboxihemoglobina. El gas se excreta principalmente por los pulmones; sin embargo, ciertos citocromos pueden oxidar pequeñas cantidades a dióxido de carbono , metabolizarlas la microbiota residente o excretarlas por difusión transdérmica. [4] [7]
Afinidad de la hemoglobina por el monóxido de carbono
El glóbulo rojo promedio contiene 250 millones de moléculas de hemoglobina . [7] La hemoglobina contiene una unidad de proteína globina con cuatro grupos hemo protésicos (de ahí el nombre hemo- o- globina ); cada hemo es capaz de unirse reversiblemente con una molécula gaseosa (oxígeno, monóxido de carbono, cianuro, etc.), [8] por lo tanto, un glóbulo rojo típico puede transportar hasta mil millones de moléculas de gas. Como la unión del monóxido de carbono con la hemoglobina es reversible, se estima que el 20% del monóxido de carbono transportado como carboxihemoglobina puede disociarse en tejidos remotos. [7]
En comparación con el oxígeno, el monóxido de carbono se une con aproximadamente 240 veces más afinidad, [9] [4] sin embargo, la afinidad del monóxido de carbono por la hemoglobina varía entre especies y dentro de una especie. En la década de 1950, Esther Killick fue una de las primeras en reconocer una diferencia en la afinidad del monóxido de carbono entre la sangre adulta y fetal , y una diferencia entre humanos y ovejas. [4] Las especies de murinae tienen una vida media de COHb de 20 minutos en comparación con los 300 minutos de un ser humano típico ( ver toxicocinética a continuación ). [4] Como resultado, la cinética metabólica, el punto de saturación sanguínea y la tolerancia a la exposición al monóxido de carbono varían entre las especies, lo que puede generar inconsistencias en los datos relacionados con la toxicología de la intoxicación por monóxido de carbono y la farmacología de los protocolos terapéuticos de dosis baja. [4]
En los seres humanos, la mutación Hb-Kirklareli tiene una afinidad relativa 80.000 veces mayor por el monóxido de carbono que el oxígeno, lo que hace que la carboxihemoglobina sistémica alcance un nivel sostenido de 16% de COHb. [5] Se sabe que algunas especies de mamíferos marinos que se sumergen en las profundidades contienen concentraciones de monóxido de carbono en la sangre que se asemejan a los niveles observados en los fumadores crónicos de cigarrillos. [10] Se cree que estos niveles de monóxido de carbono podrían ayudar a los animales a prevenir lesiones asociadas a eventos de isquemia / reperfusión asociados con la respuesta fisiológica al buceo, [11] y de manera similar, se ha sugerido que los niveles elevados en fumadores son la base para la paradoja del fumador . [4] La exposición prolongada al monóxido de carbono y la carboxihemoglobina elevada, como en el caso de fumar, produce eritremia . [4] Además, los humanos pueden aclimatarse a niveles tóxicos de monóxido de carbono según los hallazgos informados por Esther Killick . [4]
Las variaciones y mutaciones estructurales a través de otras hemoproteínas también afectan la interacción del monóxido de carbono con el grupo prostético hemo, como lo ejemplifica el citocromo P450, donde la familia CYP3A se ve relativamente menos afectada por los efectos inhibidores del monóxido de carbono. [4]
Historia
Una tez de piel de color rojo brillante se asocia comúnmente con niveles elevados de carboxihemoglobina. La evidencia de una presencia endógena de monóxido de carbono se remonta a Marcellus Donato alrededor de 1570, quien notó una tez inusualmente roja al realizar una autopsia de las víctimas que murieron por los vapores de carbón en Mantua . [4] Más tarde surgieron hallazgos similares relacionados con la tez roja, como lo documentaron Johann Jakob Wepfer en el siglo XVII y M. Antoine Portal a fines del siglo XVIII. [4]
La teoría del flogisto es un origen de las primeras explicaciones químicas de la carboxihemoglobina endógena ejemplificada por el trabajo de Joseph Priestley en el siglo XVIII, quien sospechaba que el flogisto era un producto de desecho celular transportado por la sangre de los animales que posteriormente se exhalaba. [4]
Thomas Beddoes , James Watt , Humphry Davy , James Lind y muchos otros investigaron el potencial terapéutico de inhalar aires artificiales a finales del siglo XVIII (véase también: Pneumatic Institution ). Entre los gases con los que se experimentó, el hidrocarbonato había recibido una atención significativa. El hidrocarbonato es agua gaseosa que se genera al pasar vapor sobre coque , cuyo proceso genera monóxido de carbono e hidrógeno, y algunos consideran que contiene flogisto . Beddoes y Watt reconocieron que el hidrocarbonato iluminaba la sangre venosa en 1793. Watt sugirió que los vapores de carbón podrían ser un antídoto para el oxígeno en la sangre, y Beddoes y Watt también especularon que el hidrocarbonato tiene una mayor afinidad por la fibra animal que el oxígeno en 1796. [4]
Después del descubrimiento del monóxido de carbono por William Cruickshank en 1800, Johann Dömling (1803) y John Bostock (1804) desarrollaron hipótesis que sugerían que la sangre regresaba al corazón cargada con monóxido de carbono para posteriormente oxidarse a dióxido de carbono en el pulmón antes de la exhalación. [4] Más tarde, en 1854, Adrien Chenot sugirió de manera similar que el monóxido de carbono podría eliminar el oxígeno de la sangre y oxidarse dentro del cuerpo a dióxido de carbono. [4] El mecanismo de la intoxicación por monóxido de carbono en el contexto de la formación de carboxihemoglobina se le atribuye ampliamente a Claude Bernard, cuyas memorias, que comenzaron en 1846 y se publicaron en 1857, expresaron notablemente "evita que la sangre de las arterias se vuelva venosa". [4] Felix Hoppe-Seyler publicó de forma independiente conclusiones similares al año siguiente.
El primer método analítico para detectar carboxihemoglobina surgió en 1858 con un método colorimétrico desarrollado por Felix Hoppe-Seyler , y el primer método de análisis cuantitativo surgió en 1880 con Josef von Fodor . [4]
Métodos analíticos de detección
Históricamente, la detección de carboxihemoglobina se ha logrado mediante análisis colorimétrico , reactividad química, espectrofotometría , métodos de detección gasométricos y termoeléctricos . [4] El análisis de cromatografía de gases surgió en 1961 y sigue siendo un método de uso común. [4]
Los métodos modernos incluyen la oximetría de pulso con un CO-oxímetro y una variedad de otras técnicas analíticas. [12] La mayoría de los métodos requieren equipos de laboratorio, técnicos capacitados o componentes electrónicos costosos, por lo que se siguen desarrollando tecnologías de detección rápidas y económicas.
El monóxido de carbono en el aliento es otro método de detección que puede correlacionarse con los niveles de carboxihemoglobina. [13]
Intoxicación por monóxido de carbono
La intoxicación por monóxido de carbono, también conocida como carboxihemoglobinemia, [14] [15] ha afectado a la humanidad desde que los antepasados primitivos aprovecharon el fuego por primera vez. En los tiempos modernos, los datos de carboxihemoglobina ayudan a los médicos a realizar un diagnóstico de intoxicación. Sin embargo, los niveles de carboxihemoglobina no se correlacionan necesariamente con los síntomas del envenenamiento por monóxido de carbono. [16] En general, el 30% de COHb se considera una intoxicación grave por monóxido de carbono. [4] El nivel de carboxihemoglobina no mortal más alto informado fue del 73% de COHb. [4]
Respiración
El intercambio de gases es un proceso esencial para que muchos organismos mantengan la homeostasis. El oxígeno representa aproximadamente el 20% del aire atmosférico de la Tierra . Si bien la inhalación de aire es fundamental para suministrar oxígeno a las células para la respiración aeróbica a través del efecto Bohr y el efecto Haldane (y quizás presión parcial local de oxígeno bajo, por ejemplo, músculos activos), [17] exhalar el dióxido de carbono del producto de desecho celular es posiblemente el aspecto más crítico de respiración. Mientras que el cuerpo puede tolerar breves períodos de hipoxia (como ocurre comúnmente en el ejercicio anaeróbico , aunque el cerebro, el corazón, el hígado y los riñones son significativamente menos tolerantes que el músculo esquelético), la falta de expulsión de dióxido de carbono puede causar acidosis respiratoria (es decir, fluidos corporales y sangre). se vuelven demasiado ácidos, lo que afecta la homeostasis). [18] En ausencia de oxígeno, las células cambian a respiración anaeróbica que, si se prolonga, puede aumentar significativamente el ácido láctico y provocar acidosis metabólica . [19]
Para proporcionar una sinopsis simplificada del mecanismo molecular del intercambio de gases sistémico, al inhalar aire se pensaba ampliamente que la unión del oxígeno a cualquiera de los sitios del hemo desencadena un cambio conformacional en la unidad de proteína de la hemoglobina que luego permite la unión de oxígeno adicional a cada uno. de los otros sitios hem. Al llegar a la célula, el oxígeno se libera en el tejido debido a la "acidificación" del pH local (es decir, una concentración relativamente más alta de protones / iones de hidrógeno 'ácidos' ) causada por un aumento en la biotransformación de los desechos de dióxido de carbono en ácido carbónico. vía anhidrasa carbónica . En otras palabras, la sangre arterial oxigenada llega a las células en el "estado de hemoglobina R" que tiene residuos de aminoácidos desprotonados / sindicalizados (con respecto a las aminas ) en función del pH menos ácido (la sangre arterial tiene un pH medio de 7,407 mientras que la sangre venosa es un poco más ácida). a pH 7,371 [20] ). El "estado T" de la hemoglobina se desoxigena en la sangre venosa parcialmente debido a la protonación / ionización causada por el ambiente ácido, lo que provoca una conformación inadecuada para la unión del oxígeno (es decir, el oxígeno es "expulsado" al llegar a la célula). Además, el mecanismo de formación de carbaminohemoglobina genera iones de hidrógeno adicionales que pueden estabilizar aún más la hemoglobina desoxigenada protonada / ionizada. Tras el retorno de la sangre venosa al pulmón y la posterior exhalación de dióxido de carbono, la sangre se "desacidifica" (ver también: hiperventilación ) para la desprotonación / unionización de la hemoglobina para reactivar la unión de oxígeno como parte de la transición a la sangre arterial. (tenga en cuenta que este proceso es complejo debido a la participación de quimiorreceptores y otras funcionalidades fisiológicas). La intoxicación por monóxido de carbono perturba este proceso fisiológico, por lo que la sangre venosa de los pacientes envenenados es de color rojo brillante similar a la sangre arterial, ya que se retiene el carbonilo / monóxido de carbono. [4]
En concentraciones tóxicas, el monóxido de carbono como carboxihemoglobina interfiere significativamente con la respiración y el intercambio de gases al inhibir simultáneamente la adquisición y el suministro de oxígeno a las células y prevenir la formación de carbaminohemoglobina, que representa aproximadamente el 30% de la exportación de dióxido de carbono. [21] Por lo tanto, un paciente que sufre envenenamiento por monóxido de carbono puede experimentar hipoxia y acidosis severas además de las toxicidades del exceso de monóxido de carbono que se une a numerosas hemoproteínas, dianas metálicas y no metálicas que afectan la maquinaria celular. [7]
Toxicocinética
En el aire común en condiciones atmosféricas normales, la carboxihemoglobina de un paciente típico tiene una vida media de alrededor de 300 minutos. [4] Este tiempo se puede reducir a 90 minutos con la administración de oxígeno puro de alto flujo, y el tiempo se reduce aún más cuando se administra oxígeno con dióxido de carbono al 5% como lo identificó por primera vez Esther Killick . [4] Además, el tratamiento en una cámara hiperbárica es una forma más eficaz de reducir la vida media de la carboxihemoglobina a 30 minutos [4] y permite que el oxígeno se disuelva en fluidos biológicos para su suministro a los tejidos. [ cita requerida ]
El oxígeno suplementario aprovecha el principio de Le Chatelier para acelerar la descomposición de la carboxihemoglobina en hemoglobina: [22]
HbCO + O 2 ⇌ Hb + CO + O 2 ⇌ HbO 2 + CO
Productos farmacéuticos de carboxihemoglobina
Como ahora se entiende que el monóxido de carbono tiene un potencial terapéutico, los esfuerzos farmacéuticos se han centrado en el desarrollo de moléculas liberadoras de monóxido de carbono e inductores selectivos de hemo oxigenasa . [23]
Un método alternativo para la administración de fármacos consiste en monóxido de carbono inmovilizado en carboxihemoglobina bovina aliada con polietilenglicol (PEG) que se encuentra actualmente en desarrollo clínico tardío. De manera similar, la carboxihemoglobina humana conjugada con maleimida PEG había sido previamente objeto de desarrollo farmacéutico. [24]
Referencias
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enlaces externos
- Carboxihemoglobina en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .