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Hemoglobina
(heterotetrámero, (αβ) 2 )
1GZX Haemoglobin.png
Estructura de la hemoglobina humana. Las subunidades α y β están en rojo y azul, respectivamente, y los grupos hemo que contienen hierro en verde. De AP : 1GZX Proteopedia hemoglobina
Tipo de proteinametaloproteína , globulina
Funcióntransporte de oxígeno
Cofactor (es)hemo (4)
Nombre de la subunidadGeneLocus cromosómico
Hb-α1HBA1Chr. 16 p13.3
Hb-α2HBA2Chr. 16 p13.3
Hb-βHBBChr. 11 p15.5

La hemoglobina o hemoglobina ( diferencias de ortografía ) (αἷμα griega (Haima, “sangre”) + -in) + -O- + globulina (de Globus América ( “bola, esfera”) + -in) ( / h i m ə ˌ ɡ l oʊ b ɪ n , h ɛ -, - m oʊ - / [1] [2] [3] ), abreviado Hb o Hgb , es el hierro que contiene oxígeno -Transporte metalloprotein en las células rojas de la sangre(eritrocitos) de casi todos los vertebrados [4] (con la excepción de la familia de peces Channichthyidae [5] ), así como los tejidos de algunos invertebrados . La hemoglobina en la sangre transporta oxígeno desde los pulmones o las branquias al resto del cuerpo (es decir, los tejidos). Allí libera el oxígeno para permitir que la respiración aeróbica proporcione energía para impulsar las funciones del organismo en el proceso llamado metabolismo . Un individuo sano tiene de 12 a 20 gramos de hemoglobina por cada 100 ml de sangre.

En los mamíferos , la proteína constituye aproximadamente el 96% del contenido seco de los glóbulos rojos (en peso) y alrededor del 35% del contenido total (incluida el agua). [6] La hemoglobina tiene una capacidad de unión de oxígeno de 1,34 ml de O 2 por gramo, [7] que aumenta la capacidad total de oxígeno en sangre setenta veces en comparación con el oxígeno disuelto en la sangre. La molécula de hemoglobina de los mamíferos puede unirse (transportar) hasta cuatro moléculas de oxígeno. [8]

La hemoglobina participa en el transporte de otros gases: transporta parte del dióxido de carbono respiratorio del cuerpo (alrededor del 20-25% del total [9] ) como carbaminohemoglobina , en la que el CO 2 se une a la proteína hemo . La molécula también lleva la importante molécula reguladora de óxido nítrico unido a un grupo tiol de la proteína globina , liberándolo al mismo tiempo que el oxígeno. [10]

La hemoglobina también se encuentra fuera de los glóbulos rojos y sus líneas progenitoras. Otras células que contienen hemoglobina incluyen las neuronas dopaminérgicas A9 en la sustancia negra , macrófagos , células alveolares , pulmones, epitelio pigmentario retiniano, hepatocitos, células mesangiales en el riñón, células endometriales, células cervicales y células epiteliales vaginales. [11] En estos tejidos, la hemoglobina tiene una función no transportadora de oxígeno como antioxidante y regulador del metabolismo del hierro . [12] El exceso de glucosa en la sangre puede adherirse a la hemoglobina y elevar el nivel de hemoglobina A1c. [13]

La hemoglobina y las moléculas similares a la hemoglobina también se encuentran en muchos invertebrados, hongos y plantas. [14] En estos organismos, las hemoglobinas pueden transportar oxígeno, o pueden actuar para transportar y regular otras moléculas e iones pequeños como el dióxido de carbono, el óxido nítrico, el sulfuro de hidrógeno y el sulfuro. Una variante de la molécula, llamada leghemoglobina , se utiliza para eliminar el oxígeno de los sistemas anaeróbicos , como los nódulos fijadores de nitrógeno de las plantas leguminosas , para que el oxígeno no envenene (desactive) el sistema.

La hemoglobinemia es una afección médica en la que hay un exceso de hemoglobina en el plasma sanguíneo . Este es un efecto de la hemólisis intravascular , en la que la hemoglobina se separa de los glóbulos rojos , una forma de anemia .

Historia de la investigación [ editar ]

Max Perutz ganó el Premio Nobel de Química por su trabajo en la determinación de la estructura molecular de la hemoglobina y la mioglobina [15].

En 1825, JF Engelhart descubrió que la proporción de hierro a proteína es idéntica en las hemoglobinas de varias especies. [16] [17] de la masa atómica conocida de hierro que calcula la masa molecular de la hemoglobina a n × 16 000 ( n = número de átomos de hierro por la hemoglobina, ahora se sabe que son 4), la primera determinación de la masa molecular de una proteína. Esta "conclusión apresurada" provocó muchas burlas en ese momento por parte de los científicos que no podían creer que una molécula pudiera ser tan grande. Gilbert Smithson Adair confirmó los resultados de Engelhart en 1925 midiendo la presión osmótica de las soluciones de hemoglobina. [18]

La propiedad de transporte de oxígeno de la hemoglobina fue descrita por Hünefeld en 1840. [19] En 1851, el fisiólogo alemán Otto Funke publicó una serie de artículos en los que describía el crecimiento de cristales de hemoglobina diluyendo sucesivamente los glóbulos rojos con un disolvente como agua pura, alcohol o éter, seguido de la evaporación lenta del disolvente de la solución de proteína resultante. [20] [21] La oxigenación reversible de la hemoglobina fue descrita unos años más tarde por Felix Hoppe-Seyler . [22]

En 1959, Max Perutz determinó la estructura molecular de la hemoglobina por cristalografía de rayos X . [23] [24] Este trabajo resultó en que compartiera con John Kendrew el Premio Nobel de Química de 1962 por sus estudios de las estructuras de las proteínas globulares.

El papel de la hemoglobina en la sangre fue dilucidado por el fisiólogo francés Claude Bernard . El nombre hemoglobina se deriva de las palabras hemo y globina , lo que refleja el hecho de que cada subunidad de hemoglobina es una proteína globular con un grupo hemo incrustado . Cada grupo hemo contiene un átomo de hierro, que puede unirse a una molécula de oxígeno a través de fuerzas dipolares inducidas por iones. El tipo más común de hemoglobina en los mamíferos contiene cuatro de esas subunidades.

Genética [ editar ]

La hemoglobina consta de subunidades de proteínas (las moléculas de globina ) y estas proteínas, a su vez, son cadenas plegadas de una gran cantidad de aminoácidos diferentes llamados polipéptidos . La secuencia de aminoácidos de cualquier polipéptido creado por una célula está determinada a su vez por tramos de ADN llamados genes. En todas las proteínas, es la secuencia de aminoácidos la que determina las propiedades químicas y la función de la proteína.

Hay más de un gen de hemoglobina: en los seres humanos, la hemoglobina A (la forma principal de hemoglobina presente) está codificada por los genes HBA1 , HBA2 y HBB . [25] Las secuencias de aminoácidos de las proteínas de la globina en las hemoglobinas suelen diferir entre las especies. Estas diferencias aumentan con la distancia evolutiva entre especies. Por ejemplo, las secuencias de hemoglobina más comunes en humanos, bonobos y chimpancés son completamente idénticas, sin una sola diferencia de aminoácidos en las cadenas de la proteína alfa o beta globina. [26] [27] [28]Mientras que la hemoglobina humana y del gorila difieren en un aminoácido en las cadenas alfa y beta, estas diferencias aumentan entre las especies menos relacionadas.

Incluso dentro de una especie, existen variantes de hemoglobina, aunque una secuencia suele ser "más común" en cada especie. Las mutaciones en los genes de la proteína hemoglobina en una especie dan como resultado variantes de hemoglobina . [29] [30] Muchas de estas formas mutantes de hemoglobina no causan enfermedad. Sin embargo, algunas de estas formas mutantes de hemoglobina causan un grupo de enfermedades hereditarias denominadas hemoglobinopatías . La hemoglobinopatía más conocida es la anemia de células falciformes , que fue la primera enfermedad humana cuyo mecanismo se entendió a nivel molecular. Un conjunto (en su mayoría) separado de enfermedades llamadoLas talasemias implican una subproducción de hemoglobinas normales y, a veces, anormales, a través de problemas y mutaciones en la regulación del gen de la globina . Todas estas enfermedades producen anemia . [31]

Alineación de proteínas de proteínas de hemoglobina humana, subunidades alfa, beta y delta, respectivamente. Las alineaciones se crearon utilizando la herramienta de alineación de UniProt disponible en línea.

Las variaciones en las secuencias de aminoácidos de la hemoglobina, como ocurre con otras proteínas, pueden ser adaptativas. Por ejemplo, se ha descubierto que la hemoglobina se adapta de diferentes formas a las grandes altitudes. Los organismos que viven en grandes alturas experimentan presiones parciales de oxígeno más bajas en comparación con los que viven al nivel del mar. Esto presenta un desafío para los organismos que habitan en tales ambientes porque la hemoglobina, que normalmente se une al oxígeno a altas presiones parciales de oxígeno, debe poder unirse al oxígeno cuando está presente a una presión más baja. Diferentes organismos se han adaptado a tal desafío. Por ejemplo, estudios recientes han sugerido variantes genéticas en ratones ciervo que ayudan a explicar cómo los ratones ciervos que viven en las montañas pueden sobrevivir en el aire enrarecido que acompaña a las grandes altitudes.Un investigador de la Universidad de Nebraska-Lincoln encontró mutaciones en cuatro genes diferentes que pueden explicar las diferencias entre los ratones ciervo que viven en las praderas de las tierras bajas y en las montañas. Después de examinar ratones salvajes capturados tanto en tierras altas como en tierras bajas, se descubrió que: los genes de las dos razas son "prácticamente idénticos, excepto los que gobiernan la capacidad de transporte de oxígeno de su hemoglobina". "La diferencia genética permite a los ratones de las tierras altas hacer un uso más eficiente de su oxígeno", ya que hay menos disponible en altitudes más altas, como las de las montañas.prácticamente idénticos, excepto aquellos que gobiernan la capacidad de transporte de oxígeno de su hemoglobina "." La diferencia genética permite a los ratones de las tierras altas hacer un uso más eficiente de su oxígeno ", ya que hay menos disponible en altitudes más altas, como las de las montañas.prácticamente idénticos, excepto aquellos que gobiernan la capacidad de transporte de oxígeno de su hemoglobina "." La diferencia genética permite a los ratones de las tierras altas hacer un uso más eficiente de su oxígeno ", ya que hay menos disponible en altitudes más altas, como las de las montañas.[32] La hemoglobina de mamut presentó mutaciones que permitieron el suministro de oxígeno a temperaturas más bajas, lo que permitió a los mamuts migrar a latitudes más altas durante el Pleistoceno . [33] Esto también se encontró en colibríes que habitan en los Andes. Los colibríes ya gastan mucha energía y, por lo tanto, tienen una alta demanda de oxígeno y, sin embargo, se ha encontrado que los colibríes andinos prosperan en grandes altitudes. Las mutaciones no sinónimas en el gen de la hemoglobina de múltiples especies que viven en grandes alturas ( Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas y A. viridicuada ) han provocado que la proteína tenga menos afinidad por el hexafosfato de inositol.(IHP), una molécula que se encuentra en las aves y que tiene un papel similar al 2,3-BPG en los seres humanos; esto da como resultado la capacidad de unir oxígeno a presiones parciales más bajas. [34]

Los pulmones circulatorios únicos de las aves también promueven el uso eficiente de oxígeno a bajas presiones parciales de O 2 . Estas dos adaptaciones se refuerzan entre sí y explican el notable rendimiento de las aves a gran altitud.

La adaptación de la hemoglobina también se extiende a los humanos. Existe una mayor tasa de supervivencia de la descendencia entre las mujeres tibetanas con genotipos de alta saturación de oxígeno que residen a 4.000 m. [35] La selección natural parece ser la fuerza principal que trabaja en este gen porque la tasa de mortalidad de la descendencia es significativamente menor para las mujeres con mayor afinidad hemoglobina-oxígeno en comparación con la tasa de mortalidad de la descendencia de mujeres con baja afinidad hemoglobina-oxígeno. Si bien el genotipo exacto y el mecanismo por el cual esto ocurre aún no está claro, la selección actúa sobre la capacidad de estas mujeres para unirse al oxígeno en presiones parciales bajas, lo que en general les permite sostener mejor los procesos metabólicos cruciales.

Síntesis [ editar ]

La hemoglobina (Hb) se sintetiza en una compleja serie de pasos. La parte hemo se sintetiza en una serie de pasos en las mitocondrias y el citosol de los glóbulos rojos inmaduros, mientras que las partes de la proteína globina son sintetizadas por los ribosomas en el citosol. [36] La producción de Hb continúa en la célula durante su desarrollo temprano desde el proeritroblasto hasta el reticulocito en la médula ósea . En este punto, el núcleo se pierde en los glóbulos rojos de los mamíferos, pero no en las aves y muchas otras especies. Incluso después de la pérdida del núcleo en los mamíferos, el ARN ribosómico residualpermite una mayor síntesis de Hb hasta que el reticulocito pierde su ARN poco después de entrar en la vasculatura (este ARN sintético de hemoglobina de hecho le da al reticulocito su apariencia reticulada y su nombre). [37]

Estructura del hemo [ editar ]

Grupo hem b

La hemoglobina tiene una estructura cuaternaria característica de muchas proteínas globulares de múltiples subunidades. [38] La mayoría de los aminoácidos en la hemoglobina forman hélices alfa , y estas hélices están conectadas por segmentos cortos no helicoidales. Los enlaces de hidrógeno estabilizan las secciones helicoidales dentro de esta proteína, provocando atracciones dentro de la molécula, que luego hace que cada cadena polipeptídica se pliegue en una forma específica. [39] La estructura cuaternaria de la hemoglobina proviene de sus cuatro subunidades en una disposición aproximadamente tetraédrica. [38]

En la mayoría de los vertebrados, la molécula de hemoglobina es un ensamblaje de cuatro subunidades de proteínas globulares . Cada subunidad está compuesta por una cadena de proteínas estrechamente asociada con un grupo hemo protésico no proteico . Cada cadena de proteínas se organiza en un conjunto de segmentos estructurales de hélice alfa conectados entre sí en una disposición de pliegues de globina . Se le da este nombre porque esta disposición es el mismo motivo de plegado que se usa en otras proteínas hemo / globina como la mioglobina . [40] [41] Este patrón de plegado contiene un bolsillo que une fuertemente al grupo hemo.

Un grupo hemo consiste en un ión de hierro (Fe) contenido en un anillo heterocíclico , conocido como porfirina . Este anillo de porfirina consta de cuatro moléculas de pirrol unidas cíclicamente (mediante puentes de metino ) con el ión de hierro unido en el centro. [42] El ion de hierro, que es el sitio de unión del oxígeno, se coordina con los cuatro átomos de nitrógeno en el centro del anillo, todos los cuales se encuentran en un plano. El hierro se une fuertemente (covalentemente) a la proteína globular a través de los átomos de N del anillo de imidazol de la histidina F8.residuo (también conocido como histidina proximal) debajo del anillo de porfirina. Una sexta posición puede unir oxígeno de forma reversible mediante un enlace covalente coordinado , [43] completando el grupo octaédrico de seis ligandos. Esta unión reversible con el oxígeno es la razón por la que la hemoglobina es tan útil para transportar oxígeno por el cuerpo. [44] El oxígeno se une en una geometría de "extremo en doblado" donde un átomo de oxígeno se une al Fe y el otro sobresale en un ángulo. Cuando el oxígeno no está unido, una molécula de agua muy débilmente unida llena el sitio, formando un octaedro distorsionado .

Aunque el dióxido de carbono es transportado por la hemoglobina, no compite con el oxígeno por las posiciones de unión al hierro, sino que está unido a los grupos amina de las cadenas de proteínas unidas a los grupos hemo.

El ion de hierro puede estar en el estado ferroso Fe 2+ o en el estado férrico Fe 3+ , pero la ferrihemoglobina ( metahemoglobina ) (Fe 3+ ) no puede unirse al oxígeno. [45] Al unirse, el oxígeno oxida temporal y reversiblemente (Fe 2+ ) a (Fe 3+ ) mientras que el oxígeno se convierte temporalmente en el ion superóxido , por lo que el hierro debe existir en el estado de oxidación +2 para unirse al oxígeno. Si se protona el ión superóxido asociado a Fe 3+ , el hierro de la hemoglobina permanecerá oxidado e incapaz de unirse al oxígeno. En tales casos, la enzima metahemoglobina reductasa podrá eventualmente reactivar la metahemoglobina reduciendo el centro de hierro.

En los seres humanos adultos, el tipo de hemoglobina más común es un tetrámero (que contiene cuatro subunidades de proteínas) llamado hemoglobina A , que consta de dos subunidades α y dos subunidades β unidas no covalentemente, cada una compuesta por 141 y 146 residuos de aminoácidos, respectivamente. Esto se denota como α 2 β 2 . Las subunidades son estructuralmente similares y aproximadamente del mismo tamaño. Cada subunidad tiene un peso molecular de aproximadamente 16.000  daltons , [46] para un peso molecular total del tetrámero de aproximadamente 64.000 daltons (64.458 g / mol). [47] Por tanto, 1 g / dL = 0,1551 mmol / L. La hemoglobina A es la más estudiada de las moléculas de hemoglobina.

En los bebés humanos, la molécula de hemoglobina está formada por 2 cadenas α y 2 cadenas γ. Las cadenas gamma son reemplazadas gradualmente por cadenas β a medida que el bebé crece. [48]

Las cuatro cadenas polipeptídicas están unidas entre sí por puentes salinos , puentes de hidrógeno y el efecto hidrofóbico .

Saturación de oxígeno [ editar ]

En general, la hemoglobina puede estar saturada con moléculas de oxígeno (oxihemoglobina) o desaturada con moléculas de oxígeno (desoxihemoglobina). [49]

Oxihemoglobina [ editar ]

La oxihemoglobina se forma durante la respiración fisiológica cuando el oxígeno se une al componente hemo de la proteína hemoglobina en los glóbulos rojos. Este proceso ocurre en los capilares pulmonares adyacentes a los alvéolos de los pulmones. Luego, el oxígeno viaja a través del torrente sanguíneo para caer en las células donde se utiliza como aceptor de electrones terminales en la producción de ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa . Sin embargo, no ayuda a contrarrestar la disminución del pH sanguíneo. La ventilación , o la respiración, pueden revertir esta condición al eliminar el dióxido de carbono , lo que provoca un cambio en el pH. [50]

La hemoglobina existe en dos formas, una forma tensa (tensa) (T) y una forma relajada (R). Diversos factores como pH bajo, CO 2 alto y 2,3 BPG alto a nivel de los tejidos favorecen la forma tensa, que tiene baja afinidad por el oxígeno y libera oxígeno en los tejidos. Por el contrario, un pH alto, un CO 2 bajo o un 2,3 BPG bajo favorecen la forma relajada, que puede unir mejor el oxígeno. [51] La presión parcial del sistema también afecta al O 2afinidad donde, a altas presiones parciales de oxígeno (como las presentes en los alvéolos), se favorece el estado relajado (alta afinidad, R). A la inversa, a presiones parciales bajas (como las presentes en los tejidos que respiran), se favorece el estado de tensión (baja afinidad, T). [52] Además, la unión del oxígeno al hierro (II) hemo empuja al hierro hacia el plano del anillo de porfirina, provocando un ligero cambio conformacional. El cambio alienta al oxígeno a unirse a las tres unidades de hemo restantes dentro de la hemoglobina (por lo tanto, la unión al oxígeno es cooperativa).

Hemoglobina desoxigenada [ editar ]

La hemoglobina desoxigenada es la forma de hemoglobina sin el oxígeno unido. Los espectros de absorción de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina difieren. La oxihemoglobina tiene una absorción significativamente menor de la longitud de onda de 660 nm que la desoxihemoglobina, mientras que a 940 nm su absorción es ligeramente mayor. Esta diferencia se utiliza para medir la cantidad de oxígeno en la sangre de un paciente mediante un instrumento llamado oxímetro de pulso . Esta diferencia también explica la presentación de cianosis , el color azul a violáceo que desarrollan los tejidos durante la hipoxia . [53]

La hemoglobina desoxigenada es paramagnética ; se siente débilmente atraído por los campos magnéticos . [54] [55] En contraste, la hemoglobina oxigenada exhibe diamagnetismo , una débil repulsión de un campo magnético. [55]

Evolución de la hemoglobina de vertebrados [ editar ]

Los científicos están de acuerdo en que el evento que separó la mioglobina de la hemoglobina ocurrió después de que las lampreas se separaron de los vertebrados con mandíbulas . [56] Esta separación de mioglobina y hemoglobina permitió que surgieran y se desarrollaran las diferentes funciones de las dos moléculas: la mioglobina tiene más que ver con el almacenamiento de oxígeno, mientras que la hemoglobina se encarga del transporte de oxígeno. [57] Los genes de globina α y β codifican las subunidades individuales de la proteína. [25] Los predecesores de estos genes surgieron a través de otro evento de duplicación también después del ancestro común gnatosoma derivado de peces sin mandíbula, hace aproximadamente 450-500 millones de años. [56]Los estudios de reconstrucción ancestral sugieren que el antepasado de preduplicación de los genes α y β era un dímero formado por subunidades de globina idénticas, que luego evolucionaron para ensamblarse en una arquitectura tetramérica después de la duplicación. [58] El desarrollo de los genes α y β creó la posibilidad de que la hemoglobina se componga de múltiples subunidades distintas, una composición física fundamental para la capacidad de la hemoglobina para transportar oxígeno. Tener múltiples subunidades contribuye a la capacidad de la hemoglobina de unirse al oxígeno de manera cooperativa y de regularse alostéricamente. [57] [58] Posteriormente, el gen α también experimentó un evento de duplicación para formar los genes HBA1 y HBA2 . [59]Estas duplicaciones y divergencias adicionales han creado una gama diversa de genes de globina de tipo α y β que están regulados de modo que ciertas formas ocurren en diferentes etapas de desarrollo. [57]

La mayoría de los peces de hielo de la familia Channichthyidae han perdido sus genes de hemoglobina como adaptación al agua fría. [5]

Estado de oxidación del hierro en la oxihemoglobina [ editar ]

Asignar el estado de oxidación de la hemoglobina oxigenada es difícil porque la oxihemoglobina (Hb-O 2 ), por medición experimental, es diamagnética (sin electrones no apareados netos), sin embargo, las configuraciones electrónicas de menor energía (estado fundamental) tanto en oxígeno como en hierro son paramagnéticas (lo que sugiere al menos un electrón desapareado en el complejo). La forma de oxígeno de menor energía y las formas de menor energía de los estados de oxidación relevantes del hierro son las siguientes:

  • El oxígeno triplete , la especie de oxígeno molecular de menor energía, tiene dos electrones desapareados en orbitales moleculares π * antienlazantes.
  • El hierro (II) tiende a existir en una configuración 3d 6 de alto espín con cuatro electrones desapareados.
  • El hierro (III) (3d 5 ) tiene un número impar de electrones y, por lo tanto, debe tener uno o más electrones no apareados, en cualquier estado energético.

Todas estas estructuras son paramagnéticas (tienen electrones desapareados), no diamagnéticas. Por lo tanto, debe existir una distribución de electrones no intuitiva (por ejemplo, una energía superior para al menos una especie) en la combinación de hierro y oxígeno, para explicar el diamagnetismo observado y la ausencia de electrones no apareados.

Las dos posibilidades lógicas para producir Hb-O 2 diamagnético (sin espín neto) son:

  1. El Fe 2+ de bajo espín se une al oxígeno singlete . Tanto el hierro de bajo espín como el oxígeno singlete son diamagnéticos. Sin embargo, la forma singlete de oxígeno es la forma de mayor energía de la molécula.
  2. El Fe 3+ de bajo espín se une al O 2 • - (el ion superóxido ) y los dos electrones no apareados se acoplan antiferromagnéticamente, dando propiedades diamagnéticas observadas. Aquí, el hierro se ha oxidado (ha perdido un electrón) y el oxígeno se ha reducido (ha ganado un electrón).

Otro posible modelo en el que el Fe 4+ de bajo espín se une al peróxido, O 2 2− , puede descartarse por sí mismo, porque el hierro es paramagnético (aunque el ion peróxido es diamagnético). Aquí, el hierro ha sido oxidado por dos electrones y el oxígeno reducido por dos electrones.

Datos experimentales directos:

  • La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X sugiere que el hierro tiene un estado de oxidación de aproximadamente 3,2.
  • Las frecuencias de vibración infrarroja del enlace OO sugieren una longitud de enlace que se ajusta al superóxido (un orden de enlace de aproximadamente 1,6, siendo el superóxido 1,5).
  • Absorción de rayos X cerca de las estructuras del borde en el borde K de hierro. El cambio de energía de 5 eV entre desoxihemoglobina y oxihemoglobina, como para todas las especies de metahemoglobina, sugiere fuertemente una carga local real más cercana al Fe 3+ que al Fe 2+ . [60] [61] [62]

Por tanto, el estado de oxidación formal más cercano del hierro en la Hb-O 2 es el estado +3, con el oxígeno en el estado -1 (como superóxido . O 2 - ). El diamagnetismo en esta configuración surge del único electrón desapareado en el superóxido que se alinea antiferromagnéticamente con el único electrón desapareado en el hierro (en un estado d 5 de bajo espín ), para no dar espín neto a toda la configuración, de acuerdo con la oxihemoglobina diamagnética del experimento. . [63] [64]

La segunda elección de las posibilidades lógicas anteriores para que la oxihemoglobina diamagnética sea correcta mediante un experimento, no es sorprendente: el oxígeno singlete (posibilidad n. ° 1) es un estado de energía irrealmente alta. El modelo 3 conduce a una separación de carga desfavorable (y no está de acuerdo con los datos magnéticos), aunque podría hacer una contribución menor como forma de resonancia . El cambio de hierro a un estado de oxidación más alto en Hb-O 2 disminuye el tamaño del átomo y lo permite entrar en el plano del anillo de porfirina, tirando del residuo de histidina coordinado e iniciando los cambios alostéricos observados en las globulinas.

Los primeros postulados de los químicos bioinorgánicos afirmaron que la posibilidad # 1 (arriba) era correcta y que el hierro debería existir en el estado de oxidación II. Esta conclusión parecía probable, ya que el estado de oxidación del hierro III como metahemoglobina , cuando no está acompañado de superóxido . O 2 - para "retener" el electrón de oxidación, se sabía que hacía que la hemoglobina fuera incapaz de unirse al triplete normal de O 2como ocurre en el aire. Por tanto, se supuso que el hierro permanecía como Fe (II) cuando el oxígeno gaseoso se unía a los pulmones. La química del hierro en este modelo clásico anterior era elegante, pero nunca se explicó la presencia requerida de la molécula de oxígeno singlete diamagnética de alta energía. Clásicamente se argumentó que la unión de una molécula de oxígeno colocaba hierro de alto espín (II) en un campo octaédrico de ligandos de campo fuerte; este cambio de campo aumentaría la energía de división del campo cristalino, lo que hace que los electrones del hierro se emparejen en la configuración de bajo espín, que sería diamagnética en Fe (II). De hecho, se cree que este emparejamiento forzado de bajo giro ocurre en el hierro cuando el oxígeno se une, pero no es suficiente para explicar el cambio de tamaño del hierro. Se requiere la extracción de un electrón adicional del hierro por el oxígeno para explicar tanto el tamaño más pequeño del hierro y el aumento observado del estado de oxidación, como el enlace más débil del oxígeno.

La asignación de un estado de oxidación de números enteros es un formalismo, ya que no se requiere que los enlaces covalentes tengan órdenes de enlace perfectos que impliquen la transferencia de electrones completos. Por tanto, los tres modelos de Hb-O 2 paramagnética pueden contribuir en cierto grado (por resonancia) a la configuración electrónica real de la Hb-O 2 . Sin embargo, el modelo de hierro en Hb-O 2 siendo Fe (III) es más correcto que la idea clásica de que sigue siendo Fe (II).

Cooperatividad [ editar ]

Un modelo visual esquemático del proceso de unión al oxígeno, que muestra los cuatro monómeros y hemes , y las cadenas de proteínas solo como bobinas esquemáticas, para facilitar la visualización en la molécula. El oxígeno no se muestra en este modelo, pero, para cada uno de los átomos de hierro , se une al hierro (esfera roja) en el hemo plano . Por ejemplo, en la parte superior izquierda de los cuatro hemes mostrados, el oxígeno se une a la izquierda del átomo de hierro que se muestra en la parte superior izquierda del diagrama. Esto hace que el átomo de hierro retroceda hacia el hemo que lo contiene (el hierro se mueve hacia arriba a medida que se une al oxígeno, en esta ilustración), tirando de la histidina.residuo (modelado como un pentágono rojo a la derecha del hierro) más cerca, como lo hace. Esto, a su vez, tira de la cadena de proteínas que contiene la histidina .

Cuando el oxígeno se une al complejo de hierro, hace que el átomo de hierro se mueva hacia el centro del plano del anillo de porfirina (ver diagrama móvil). Al mismo tiempo, la cadena lateral de imidazol del residuo de histidina que interactúa en el otro polo del hierro se tira hacia el anillo de porfirina. Esta interacción fuerza el plano del anillo lateralmente hacia el exterior del tetrámero, y también induce una tensión en la hélice de la proteína que contiene la histidina a medida que se acerca al átomo de hierro. Esta cepa se transmite a los tres monómeros restantes en el tetrámero, donde induce un cambio conformacional similar en los otros sitios hemo de modo que la unión del oxígeno a estos sitios se vuelve más fácil.

A medida que el oxígeno se une a un monómero de hemoglobina, la conformación del tetrámero cambia del estado T (tenso) al estado R (relajado). Este cambio promueve la unión de oxígeno a los tres grupos hemo de monómeros restantes, saturando así la molécula de hemoglobina con oxígeno. [sesenta y cinco]

En la forma tetramérica de la hemoglobina adulta normal, la unión de oxígeno es, por tanto, un proceso cooperativo . La afinidad de unión de la hemoglobina por el oxígeno aumenta por la saturación de oxígeno de la molécula, y las primeras moléculas de oxígeno unidas influyen en la forma de los sitios de unión para las siguientes, de una manera favorable para la unión. Esta unión cooperativa positiva se logra mediante cambios conformacionales estéricos del complejo proteico de hemoglobina como se discutió anteriormente; es decir, cuando una subunidad de la proteína de la hemoglobina se oxigena, se inicia un cambio conformacional o estructural en todo el complejo, lo que hace que las otras subunidades ganen una mayor afinidad por el oxígeno. Como consecuencia, la curva de unión al oxígeno de la hemoglobina es sigmoidea oEn forma de S , a diferencia de la curva hiperbólica normal asociada con la unión no cooperativa.

Se ha discutido el mecanismo dinámico de la cooperatividad en la hemoglobina y su relación con la resonancia de baja frecuencia . [66]

Unión para ligandos distintos del oxígeno [ editar ]

Además del ligando de oxígeno , que se une a la hemoglobina de manera cooperativa, los ligandos de hemoglobina también incluyen inhibidores competitivos como el monóxido de carbono (CO) y ligandos alostéricos como el dióxido de carbono (CO 2 ) y el óxido nítrico (NO). El dióxido de carbono se une a los grupos amino de las proteínas de la globina para formar carbaminohemoglobina ; Se cree que este mecanismo representa aproximadamente el 10% del transporte de dióxido de carbono en los mamíferos. El óxido nítrico también puede ser transportado por la hemoglobina; está unido a un tiol específicogrupos en la proteína globina para formar un S-nitrosotiol, que se disocia en óxido nítrico libre y tiol nuevamente, ya que la hemoglobina libera oxígeno de su sitio hemo. Se plantea la hipótesis de que este transporte de óxido nítrico a los tejidos periféricos ayuda al transporte de oxígeno en los tejidos, liberando óxido nítrico vasodilatador a los tejidos en los que los niveles de oxígeno son bajos. [67]

Competitivo [ editar ]

La unión de oxígeno se ve afectada por moléculas como el monóxido de carbono (por ejemplo, del tabaquismo , los gases de escape y la combustión incompleta en los hornos). El CO compite con el oxígeno en el sitio de unión del hemo. La afinidad de unión de la hemoglobina por el CO es 250 veces mayor que su afinidad por el oxígeno, [68] [69] lo que significa que pequeñas cantidades de CO reducen drásticamente la capacidad de la hemoglobina para suministrar oxígeno al tejido diana. [70] Dado que el monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro e insípido, y representa una amenaza potencialmente fatal, los detectores de monóxido de carbonoestán disponibles comercialmente para advertir sobre niveles peligrosos en residencias. Cuando la hemoglobina se combina con el CO, forma un compuesto rojo muy brillante llamado carboxihemoglobina , que puede hacer que la piel de las víctimas de envenenamiento por CO parezca rosada al morir, en lugar de blanca o azul. Cuando el aire inspirado contiene niveles de CO tan bajos como 0.02%, ocurren dolor de cabeza y náuseas ; si la concentración de CO aumenta al 0,1%, seguirá la pérdida del conocimiento. En los fumadores empedernidos, el CO puede bloquear hasta el 20% de los sitios activos de oxígeno.

De manera similar, la hemoglobina también tiene una afinidad de unión competitiva por el cianuro (CN - ), el monóxido de azufre (SO) y el sulfuro (S 2− ), incluido el sulfuro de hidrógeno (H 2 S). Todos estos se unen al hierro en el hemo sin cambiar su estado de oxidación, pero sin embargo inhiben la unión del oxígeno, causando una toxicidad grave.

El átomo de hierro en el grupo hemo debe estar inicialmente en el estado de oxidación ferroso (Fe 2+ ) para soportar la unión y el transporte de oxígeno y otros gases (cambia temporalmente a férrico durante el tiempo que el oxígeno está unido, como se explicó anteriormente). La oxidación inicial al estado férrico (Fe 3+ ) sin oxígeno convierte la hemoglobina en "hem i globina" o metahemoglobina , que no puede unirse al oxígeno. La hemoglobina en los glóbulos rojos normales está protegida por un sistema de reducción para evitar que esto suceda. El óxido nítrico es capaz de convertir una pequeña fracción de hemoglobina en metahemoglobina en los glóbulos rojos. La última reacción es una actividad remanente de la dioxigenasa de óxido nítrico más antigua. función de las globinas.

Alostérico [ editar ]

Más información: Curva de disociación oxígeno-hemoglobina

El dióxido de carbono ocupa un sitio de unión diferente en la hemoglobina. En los tejidos, donde la concentración de dióxido de carbono es mayor, el dióxido de carbono se une al sitio alostérico de la hemoglobina, lo que facilita la descarga de oxígeno de la hemoglobina y, en última instancia, su eliminación del cuerpo después de que el oxígeno se haya liberado a los tejidos que se someten a metabolismo. Esta mayor afinidad por el dióxido de carbono por la sangre venosa se conoce como efecto Bohr . A través de la enzima anhidrasa carbónica , el dióxido de carbono reacciona con el agua para dar ácido carbónico , que se descompone en bicarbonato y protones :

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → HCO 3 - + H +
La forma sigmoidea de la curva de disociación de oxígeno de la hemoglobina resulta de la unión cooperativa de oxígeno a la hemoglobina.

Por lo tanto, la sangre con niveles altos de dióxido de carbono también tiene un pH más bajo (más ácido ). La hemoglobina puede unirse a protones y dióxido de carbono, lo que provoca un cambio conformacional en la proteína y facilita la liberación de oxígeno. Los protones se unen en varios lugares de la proteína, mientras que el dióxido de carbono se une al grupo α-amino. [71] El dióxido de carbono se une a la hemoglobina y forma carbaminohemoglobina . [72] Esta disminución en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno por la unión del dióxido de carbono y el ácido se conoce como efecto Bohr . El efecto Bohr favorece el estado T en lugar del estado R. (desplaza la curva de saturación de O 2 hacia la derecha). Por el contrario, cuando los niveles de dióxido de carbono en la sangre disminuyen (es decir, en los capilares pulmonares), la hemoglobina libera dióxido de carbono y protones, lo que aumenta la afinidad por el oxígeno de la proteína. Una reducción en la capacidad total de unión de la hemoglobina al oxígeno (es decir, el desplazamiento de la curva hacia abajo, no solo hacia la derecha) debido a la reducción del pH se denomina efecto raíz . Esto se ve en peces óseos.

Es necesario que la hemoglobina libere el oxígeno que se une; si no, no tiene sentido atarlo. La curva sigmoidea de la hemoglobina la hace eficiente en la unión (captación de O 2 en los pulmones) y eficiente en la descarga (descarga de O 2 en los tejidos). [73]

En personas aclimatadas a grandes altitudes, la concentración de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) en la sangre aumenta, lo que permite a estas personas suministrar una mayor cantidad de oxígeno a los tejidos en condiciones de menor tensión de oxígeno . Este fenómeno, en el que la molécula Y afecta la unión de la molécula X a una molécula de transporte Z, se denomina efecto alostérico heterotrópico . La hemoglobina en organismos a grandes altitudes también se ha adaptado de manera que tiene menos afinidad por el 2,3-BPG y, por lo tanto, la proteína se desplazará más hacia su estado R. En su estado R, la hemoglobina se unirá al oxígeno más fácilmente, permitiendo así que los organismos realicen los procesos metabólicos necesarios cuando el oxígeno está presente a presiones parciales bajas. [74]

Los animales distintos de los humanos utilizan diferentes moléculas para unirse a la hemoglobina y cambiar su afinidad por el O 2 en condiciones desfavorables. Los peces usan tanto ATP como GTP . Estos se unen a una "bolsa" de fosfato en la molécula de hemoglobina del pescado, lo que estabiliza el estado tenso y, por lo tanto, disminuye la afinidad por el oxígeno. [75] El GTP reduce la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina mucho más que el ATP, que se cree que se debe a la formación de un enlace de hidrógeno adicional que estabiliza aún más el estado tenso. [76] En condiciones hipóxicas, la concentración de ATP y GTP se reduce en los glóbulos rojos de los peces para aumentar la afinidad por el oxígeno. [77]

Una variante de hemoglobina, llamada hemoglobina fetal (HbF, α 2 γ 2 ), se encuentra en el feto en desarrollo y se une al oxígeno con mayor afinidad que la hemoglobina adulta. Esto significa que la curva de unión de oxígeno para la hemoglobina fetal se desplaza hacia la izquierda (es decir, un porcentaje más alto de hemoglobina tiene oxígeno unido a una tensión de oxígeno más baja), en comparación con la de la hemoglobina adulta. Como resultado, la sangre fetal en la placenta puede tomar oxígeno de la sangre materna.

La hemoglobina también transporta óxido nítrico (NO) en la parte de globina de la molécula. Esto mejora el suministro de oxígeno en la periferia y contribuye al control de la respiración. El NO se une reversiblemente a un residuo de cisteína específico en la globina; la unión depende del estado (R o T) de la hemoglobina. La hemoglobina S-nitrosilada resultante influye en diversas actividades relacionadas con el NO, como el control de la resistencia vascular, la presión arterial y la respiración. El NO no se libera en el citoplasma de los glóbulos rojos, sino que es transportado fuera de ellos por un intercambiador de aniones llamado AE1 . [78]

Tipos en humanos [ editar ]

Las variantes de hemoglobina son parte del desarrollo embrionario y fetal normal . También pueden ser formas patológicas mutantes de hemoglobina en una población , causadas por variaciones en la genética. Algunas variantes de hemoglobina bien conocidas, como la anemia de células falciformes , son responsables de enfermedades y se consideran hemoglobinopatías . Otras variantes no causan patología detectable y, por lo tanto, se consideran variantes no patológicas. [29] [79]

En el embrión :

  • Gower 1 (ζ 2 ε 2 )
  • Gower 2 (α 2 ε 2 ) ( PDB : 1A9W )
  • Hemoglobina Portland I (ζ 2 γ 2 )
  • Hemoglobina Portland II (ζ 2 β 2 ).

En el feto:

  • Hemoglobina F (α 2 γ 2 ) ( PDB : 1FDH ).

Después del nacimiento:

  • Hemoglobina A (hemoglobina adulta) (α 2 β 2 ) ( PDB : 1BZ0 ): la más común con una cantidad normal superior al 95%
  • La síntesis de la cadena de hemoglobina A 2 (α 2 δ 2 ) - δ comienza al final del tercer trimestre y, en los adultos, tiene un rango normal de 1,5 a 3,5%
  • Hemoglobina F (hemoglobina fetal) (α 2 γ 2 ): en adultos, la hemoglobina F está restringida a una población limitada de glóbulos rojos llamados células F. Sin embargo, el nivel de Hb F puede estar elevado en personas con anemia de células falciformes y beta-talasemia .
Expresión genética de hemoglobina antes y después del nacimiento. También identifica los tipos de células y órganos en los que la expresión génica (datos de Wood WG , (1976). Br. Med. Bull. 32, 282. )

Formas variantes que causan enfermedad:

  • Hemoglobina D-Punjab - (α 2 β D 2 ) - Una forma variante de hemoglobina.
  • Hemoglobina H (β 4 ): una forma variante de hemoglobina, formada por un tetrámero de cadenas β, que puede estar presente en variantes de la talasemia α .
  • Hemoglobina Barts (γ 4 ): una forma variante de hemoglobina, formada por un tetrámero de cadenas γ, que puede estar presente en variantes de la talasemia α.
  • Hemoglobina S (α 2 β S 2 ): una forma variante de hemoglobina que se encuentra en personas con anemia de células falciformes. Existe una variación en el gen de la cadena β, lo que provoca un cambio en las propiedades de la hemoglobina, lo que resulta en la formación de células falciformes de los glóbulos rojos.
  • Hemoglobina C (α 2 β C 2 ): otra variante debido a una variación en el gen de la cadena β. Esta variante provoca una anemia hemolítica crónica leve .
  • Hemoglobina E (α 2 β E 2 ): otra variante debido a una variación en el gen de la cadena β. Esta variante provoca una anemia hemolítica crónica leve.
  • Hemoglobina AS: una forma heterocigótica que causa el rasgo de células falciformes con un gen adulto y un gen de la enfermedad de células falciformes
  • La hemoglobina SC enfermedad - Una forma heterocigótica compuesto con un gen de la hoz y otro que codifica hemoglobina C .
  • Hemoglobina Hopkins-2 : una forma variante de hemoglobina que a veces se ve en combinación con la hemoglobina S para producir la anemia de células falciformes.

Degradación en animales vertebrados [ editar ]

Cuando los glóbulos rojos llegan al final de su vida debido al envejecimiento o defectos, son eliminados de la circulación por la actividad fagocítica de los macrófagos en el bazo o el hígado o por hemólisis dentro de la circulación. A continuación, la hemoglobina libre se elimina de la circulación a través del transportador de hemoglobina CD163 , que se expresa exclusivamente en monocitos o macrófagos. Dentro de estas células, la molécula de hemoglobina se descompone y el hierro se recicla. Este proceso también produce una molécula de monóxido de carbono por cada molécula de hemo degradado. [80] La degradación del hemo es la única fuente natural de monóxido de carbono en el cuerpo humano y es responsable de los niveles sanguíneos normales de monóxido de carbono en las personas que respiran aire normal.[81] El otro producto final importante de la degradación del hemo es la bilirrubina . Se detectan niveles elevados de esta sustancia química en la sangre si los glóbulos rojos se destruyen más rápidamente de lo habitual. La proteína de hemoglobina mal degradada o la hemoglobina que se ha liberado de las células sanguíneas con demasiada rapidez pueden obstruir los vasos sanguíneos pequeños, especialmente los delicados vasos sanguíneos que filtran la sangre de los riñones , causando daño renal. El hierro se extrae del hemo y se recupera para su uso posterior, se almacena como hemosiderina o ferritina en los tejidos y se transporta en el plasma por las beta globulinas como transferrinas.. Cuando se rompe el anillo de porfirina, los fragmentos se secretan normalmente como un pigmento amarillo llamado bilirrubina, que se secreta en los intestinos en forma de bilis. Los intestinos metabolizan la bilirrubina en urobilinógeno. El urobilinógeno sale del cuerpo en las heces, en un pigmento llamado estercobilina. La globulina se metaboliza en aminoácidos que luego se liberan a la circulación.

Papel en la enfermedad [ editar ]

La deficiencia de hemoglobina puede ser causada por una cantidad disminuida de moléculas de hemoglobina, como en la anemia , o por una menor capacidad de cada molécula para unirse al oxígeno a la misma presión parcial de oxígeno. Las hemoglobinopatías (defectos genéticos que dan como resultado una estructura anormal de la molécula de hemoglobina) [82] pueden causar ambos. En cualquier caso, la deficiencia de hemoglobina disminuye la capacidad de transporte de oxígeno en sangre . En general, la deficiencia de hemoglobina se distingue estrictamente de la hipoxemia , definida como disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre, [83] [84] [85] [86] aunque ambas son causas de hipoxia (suministro insuficiente de oxígeno a los tejidos).

Otras causas comunes de hemoglobina baja incluyen pérdida de sangre, deficiencia nutricional, problemas de la médula ósea, quimioterapia, insuficiencia renal o hemoglobina anormal (como la enfermedad de células falciformes).

La capacidad de cada molécula de hemoglobina para transportar oxígeno normalmente se modifica por la alteración del pH sanguíneo o el CO 2 , lo que provoca una curva de disociación de oxígeno-hemoglobina alterada . Sin embargo, también se puede alterar patológicamente en, por ejemplo, intoxicación por monóxido de carbono .

La disminución de la hemoglobina, con o sin una disminución absoluta de los glóbulos rojos, conduce a síntomas de anemia. La anemia tiene muchas causas diferentes, aunque la deficiencia de hierro y la anemia por deficiencia de hierro resultante son las causas más comunes en el mundo occidental. Como la ausencia de hierro disminuye la síntesis de hemo, los glóbulos rojos en la anemia por deficiencia de hierro son hipocrómicos (carecen del pigmento rojo de hemoglobina) y microcíticos (más pequeños de lo normal). Otras anemias son más raras. En la hemólisis (degradación acelerada de los glóbulos rojos), la ictericia asociada es causada por el metabolito bilirrubina de la hemoglobina, y la hemoglobina circulante puede causar insuficiencia renal .

Algunas mutaciones en la cadena de globina están asociadas con las hemoglobinopatías , como la enfermedad de células falciformes y la talasemia . Otras mutaciones, como se comenta al principio del artículo, son benignas y se denominan simplemente variantes de hemoglobina .

Existe un grupo de trastornos genéticos, conocidos como porfirias, que se caracterizan por errores en las vías metabólicas de síntesis del hemo. El rey Jorge III del Reino Unido fue probablemente el que sufrió porfiria más famoso.

En pequeña medida, la hemoglobina A se combina lentamente con la glucosa en la valina terminal (un aminoácido alfa) de cada cadena β. La molécula resultante a menudo se denomina Hb A 1c , una hemoglobina glicosilada . La unión de la glucosa a los aminoácidos de la hemoglobina se produce de forma espontánea (sin la ayuda de una enzima) en muchas proteínas y no se sabe que tenga un propósito útil. Sin embargo, a medida que aumenta la concentración de glucosa en sangre, aumenta el porcentaje de Hb A que se convierte en Hb A 1c . En los diabéticos cuya glucosa suele ser alta, el porcentaje de Hb A 1c también es alto. Debido a la lentitud de la combinación de Hb A con glucosa, la Hb A 1cEl porcentaje refleja un promedio ponderado de los niveles de glucosa en sangre durante la vida útil de los glóbulos rojos, que es de aproximadamente 120 días. [87]Por tanto, se miden los niveles de hemoglobina glicosilada para monitorizar el control a largo plazo de la enfermedad crónica de la diabetes mellitus tipo 2 (DM2). Un control deficiente de la T2DM da como resultado niveles altos de hemoglobina glicosilada en los glóbulos rojos. El rango de referencia normal es aproximadamente de 4,0 a 5,9%. Aunque es difícil de obtener, se recomiendan valores inferiores al 7% para personas con DM2. Los niveles superiores al 9% se asocian con un control deficiente de la hemoglobina glicosilada y los niveles superiores al 12% se asocian con un control muy deficiente. Los diabéticos que mantienen sus niveles de hemoglobina glicosilada cerca del 7% tienen muchas más posibilidades de evitar las complicaciones que pueden acompañar a la diabetes (que aquellos cuyos niveles son del 8% o más). [88]Además, el aumento de la glicosilación de la hemoglobina aumenta su afinidad por el oxígeno, evitando así su liberación en el tejido e induciendo un nivel de hipoxia en casos extremos. [89]

Los niveles elevados de hemoglobina están asociados con un mayor número o tamaño de glóbulos rojos, lo que se denomina policitemia . Esta elevación puede ser causada por cardiopatía congénita , cor pulmonale , fibrosis pulmonar , exceso de eritropoyetina o policitemia vera . [90] Los niveles altos de hemoglobina también pueden deberse a la exposición a grandes altitudes, el tabaquismo, la deshidratación (artificialmente al concentrar la Hb), la enfermedad pulmonar avanzada y ciertos tumores. [48]

Un estudio reciente realizado en Pondicherry, India, muestra su importancia en la enfermedad de las arterias coronarias. [91]

Usos diagnósticos [ editar ]

Artículo principal: hemoglobinómetro
Una medición de la concentración de hemoglobina que se administra antes de una donación de sangre en el Centro de Donación de Sangre de Boston de la Cruz Roja Americana .

La medición de la concentración de hemoglobina es uno de los análisis de sangre que se realizan con más frecuencia , generalmente como parte de un hemograma completo . Por ejemplo, generalmente se prueba antes o después de la donación de sangre . Los resultados se expresan en g / L , g / dL o mol / L. 1 g / dL equivale a aproximadamente 0,6206 mmol / L, aunque estas últimas unidades no se utilizan con tanta frecuencia debido a la incertidumbre con respecto al estado polimérico de la molécula. [92] Este factor de conversión, utilizando el peso molecular de una sola globina de 16.000 Da, es más común para la concentración de hemoglobina en sangre. Para MCHC (concentración media de hemoglobina corpuscular), el factor de conversión 0.155, que usa el peso del tetrámero de 64.500 Da, es más común. [93] Los niveles normales son:

  • Hombres: 13,8 a 18,0 g / dL (138 a 180 g / L o 8,56 a 11,17 mmol / L)
  • Mujeres: 12,1 a 15,1 g / dL (121 a 151 g / L o 7,51 a 9,37 mmol / L)
  • Niños: de 11 a 16 g / dL (de 110 a 160 g / L o de 6,83 a 9,93 mmol / L)
  • Mujeres embarazadas: 11 a 14 g / dL (110 a 140 g / L o 6,83 a 8,69 mmol / L) (valor habitual de 9,5 a 15 durante el embarazo) [94] [95]

Los valores normales de hemoglobina en el primer y tercer trimestre de las mujeres embarazadas deben ser de al menos 11 g / dL y de al menos 10,5 g / dL durante el segundo trimestre. [96]

La deshidratación o hiperhidratación pueden influir en gran medida en los niveles de hemoglobina medidos. La albúmina puede indicar el estado de hidratación.

Si la concentración está por debajo de lo normal, esto se llama anemia. Las anemias se clasifican por el tamaño de los glóbulos rojos, las células que contienen hemoglobina en los vertebrados. La anemia se denomina "microcítica" si los glóbulos rojos son pequeños, "macrocítica" si son grandes y "normocítica" en caso contrario.

El hematocrito , la proporción del volumen sanguíneo ocupado por los glóbulos rojos, es típicamente aproximadamente tres veces la concentración de hemoglobina medida en g / dL. Por ejemplo, si la hemoglobina se mide a 17 g / dL, se compara con un hematocrito del 51%. [97]

Los métodos de análisis de hemoglobina de laboratorio requieren una muestra de sangre (arterial, venosa o capilar) y un análisis en el analizador de hematología y el CO-oxímetro. Además, también está disponible un nuevo método de prueba de hemoglobina no invasiva (SpHb) llamado pulsioximetría con una precisión comparable a la de los métodos invasivos. [98]

Las concentraciones de oxi y desoxihemoglobina se pueden medir de forma continua, regional y no invasiva utilizando NIRS . [99] [100] [101] [102] [103] NIRS se puede utilizar tanto en la cabeza como en los músculos. Esta técnica se utiliza a menudo para investigación, por ejemplo, en entrenamiento deportivo de élite, ergonomía, rehabilitación, monitorización de pacientes, investigación neonatal, monitorización funcional del cerebro, interfaz cerebro-ordenador , urología (contracción de la vejiga), neurología (acoplamiento neurovascular) y más.

El control a largo plazo de la concentración de azúcar en sangre se puede medir mediante la concentración de Hb A 1c . Medirlo directamente requeriría muchas muestras porque los niveles de azúcar en sangre varían ampliamente a lo largo del día. La Hb A 1c es el producto de la reacción irreversible de la hemoglobina A con la glucosa. Una concentración de glucosa más alta da como resultado más Hb A 1c . Debido a que la reacción es lenta, la proporción de Hb A 1c representa el nivel de glucosa en sangre promediado durante la vida media de los glóbulos rojos, típicamente de 50 a 55 días. Una Hb A 1cproporción del 6,0% o menos muestra un buen control de la glucosa a largo plazo, mientras que los valores superiores al 7,0% son elevados. Esta prueba es especialmente útil para los diabéticos. [104]

La máquina de imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI) utiliza la señal de la desoxihemoglobina, que es sensible a los campos magnéticos ya que es paramagnética. La medición combinada con NIRS muestra una buena correlación con la señal de oxi y desoxihemoglobina en comparación con la señal BOLD . [105]

Usos de seguimiento atlético y seguimiento automático [ editar ]

La hemoglobina se puede rastrear de manera no invasiva, para construir un conjunto de datos individuales que rastreen los efectos de hemoconcentración y hemodilución de las actividades diarias para una mejor comprensión del rendimiento y el entrenamiento deportivo. Los atletas a menudo se preocupan por la resistencia y la intensidad del ejercicio. El sensor utiliza diodos emisores de luz que emiten luz roja e infrarroja a través del tejido a un detector de luz, que luego envía una señal a un procesador para calcular la absorción de luz por la proteína hemoglobina. [106] Este sensor es similar a un oxímetro de pulso, que consiste en un pequeño dispositivo sensor que se sujeta al dedo.

Análogos en organismos no vertebrados [ editar ]

Existe una variedad de proteínas de transporte y unión de oxígeno en los organismos de los reinos animal y vegetal. Los organismos que incluyen bacterias , protozoos y hongos tienen proteínas similares a la hemoglobina cuyas funciones conocidas y predichas incluyen la unión reversible de ligandos gaseosos . Dado que muchas de estas proteínas contienen globinas y el resto hemo (hierro en un soporte de porfirina plano), a menudo se les llama hemoglobinas, incluso si su estructura terciaria general es muy diferente de la de la hemoglobina de vertebrados. En particular, la distinción de "mioglobina" y hemoglobina en animales inferiores a menudo es imposible, porque algunos de estos organismos no contienen músculos.. O pueden tener un sistema circulatorio separado reconocible pero no uno que se ocupe del transporte de oxígeno (por ejemplo, muchos insectos y otros artrópodos ). En todos estos grupos, las moléculas que contienen hemo / globina (incluso las de globina monomérica) que se ocupan de la unión de gases se denominan oxihemoglobinas. Además de lidiar con el transporte y la detección de oxígeno, también pueden lidiar con NO, CO 2 , compuestos de sulfuro e incluso la captación de O 2 en ambientes que deben ser anaeróbicos. [107] Incluso pueden ocuparse de la desintoxicación de materiales clorados de una manera análoga a las peroxidasas y enzimas P450 que contienen hemo.

El gusano tubular gigante Riftia pachyptila muestra penachos rojos que contienen hemoglobina

La estructura de las hemoglobinas varía según las especies. La hemoglobina se encuentra en todos los reinos de organismos, pero no en todos los organismos. Las especies primitivas como las bacterias, los protozoos, las algas y las plantas suelen tener hemoglobinas de una sola globina. Muchos gusanos nematodos , moluscos y crustáceos contienen moléculas multisubunitarias muy grandes, mucho más grandes que las de los vertebrados. En particular, las hemoglobinas quiméricas que se encuentran en los hongos y los anélidos gigantes pueden contener tanto globina como otros tipos de proteínas. [14]

Una de las ocurrencias y usos más llamativos de la hemoglobina en los organismos es el gusano tubo gigante ( Riftia pachyptila , también llamado Vestimentifera), que puede alcanzar los 2,4 metros de longitud y puebla los respiraderos volcánicos del océano . En lugar de un tracto digestivo , estos gusanos contienen una población de bacterias que constituyen la mitad del peso del organismo. Las bacterias oxidan el H 2 S del respiradero con el O 2 del agua para producir energía para producir alimentos a partir del H 2 O y el CO 2 . El extremo superior de los gusanos es una estructura en forma de abanico de color rojo oscuro ("pluma"), que se extiende hacia el agua y absorbe H 2 S y O 2 para las bacterias, y CO2 para uso como materia prima sintética similar a las plantas fotosintéticas. Las estructuras son de color rojo brillante debido a su contenido de varias hemoglobinas extraordinariamente complejas que tienen hasta 144 cadenas de globina, cada una de las cuales incluye estructuras hemo asociadas. Estas hemoglobinas son notables por ser capaces de transportar oxígeno en presencia de sulfuro, e incluso transportar sulfuro, sin ser completamente "envenenadas" o inhibidas por él como lo son las hemoglobinas en la mayoría de las otras especies. [108] [109]

Otras proteínas que se unen al oxígeno [ editar ]

Artículo principal: pigmento respiratorio
Mioglobina
Se encuentra en el tejido muscular de muchos vertebrados, incluidos los humanos, y le da al tejido muscular un color rojo o gris oscuro distintivo. Es muy similar a la hemoglobina en estructura y secuencia, pero no es un tetrámero; en cambio, es un monómero que carece de unión cooperativa. Se utiliza para almacenar oxígeno en lugar de transportarlo.
Hemocianina
La segunda proteína transportadora de oxígeno más común que se encuentra en la naturaleza, se encuentra en la sangre de muchos artrópodos y moluscos. Utiliza grupos protésicos de cobre en lugar de grupos hemo de hierro y es de color azul cuando se oxigena.
Hemeritrina
Algunos invertebrados marinos y algunas especies de anélidos utilizan esta proteína no hemo que contiene hierro para transportar oxígeno en la sangre. Aparece rosa / violeta cuando se oxigena, claro cuando no.
Clorocruorina
Se encuentra en muchos anélidos, es muy similar a la eritrocruorina, pero el grupo hemo tiene una estructura significativamente diferente. Aparece verde cuando se desoxigena y rojo cuando se oxigena.
Vanabins
También conocidos como cromógenos de vanadio , se encuentran en la sangre de las ascidias marinas . Una vez se planteó la hipótesis de que utilizaban el vanadio metálico como grupo protésico de unión al oxígeno. Sin embargo, aunque contienen vanadio de preferencia, aparentemente se unen poco oxígeno y, por lo tanto, tienen alguna otra función, que no se ha dilucidado (las ascidias marinas también contienen algo de hemoglobina). Pueden actuar como toxinas.
Eritrocruorina
Se encuentra en muchos anélidos, incluidas las lombrices de tierra , es una proteína sanguínea gigante que flota libremente que contiene muchas docenas, posiblemente cientos, de subunidades de proteínas que contienen hierro y hemo unidas en un solo complejo proteico con una masa molecular superior a 3,5 millones de daltons.
Pinnaglobina
Solo visto en el molusco Pinna nobilis . Proteína de porfirina marrón a base de manganeso.
Leghemoglobina
En las plantas leguminosas, como la alfalfa o la soja, las bacterias fijadoras de nitrógeno en las raíces están protegidas del oxígeno por este hemo de hierro que contiene proteína transportadora de oxígeno. La enzima específica protegida es la nitrogenasa , que es incapaz de reducir el gas nitrógeno en presencia de oxígeno libre.
Coboglobina
Una porfirina sintética a base de cobalto. La coboproteína parecería incolora cuando se oxigena, pero amarilla cuando está en las venas.

Presencia en células no eritroides [ editar ]

Algunas células no eritroides (es decir, células distintas de la línea de glóbulos rojos) contienen hemoglobina. En el cerebro, estos incluyen las neuronas dopaminérgicas A9 en la sustancia negra , los astrocitos en la corteza cerebral y el hipocampo , y en todos los oligodendrocitos maduros . [12] Se ha sugerido que la hemoglobina cerebral en estas células puede permitir el "almacenamiento de oxígeno para proporcionar un mecanismo homeostático en condiciones anóxicas, lo cual es especialmente importante para las neuronas A9 DA que tienen un metabolismo elevado con un alto requerimiento de producción de energía". . [12] Se ha observado además que "A9 dopaminérgicoLas neuronas pueden correr un riesgo particular, ya que, además de su alta actividad mitocondrial, están sometidas a un intenso estrés oxidativo causado por la producción de peróxido de hidrógeno a través de la autooxidación y / o desaminación de la dopamina mediada por la monoaminooxidasa (MAO) y la posterior reacción del hierro ferroso accesible. para generar radicales hidroxilo altamente tóxicos". [12] Esto puede explicar el riesgo de estas células para la degeneración en la enfermedad de Parkinson . [12] el hierro de la hemoglobina derivada en estas células no es la causa de la oscuridad post-mortem de estas células ( origen del nombre de América, la sustancia nigra ), sino más bien se debe a neuromelanin .

Fuera del cerebro, la hemoglobina tiene funciones no transportadoras de oxígeno como antioxidante y regulador del metabolismo del hierro en macrófagos , [110] células alveolares , [111] y células mesangiales en el riñón. [112]

En historia, arte y música [ editar ]

Corazón de acero (hemoglobina) (2005) de Julian Voss-Andreae . Las imágenes muestran la escultura de 5 pies (1,50 m) de altura inmediatamente después de la instalación, después de 10 días y después de varios meses de exposición a los elementos.

Históricamente, una asociación entre el color de la sangre y el óxido se produce en la asociación del planeta Marte , con el dios romano de la guerra, ya que el planeta es de un rojo anaranjado, lo que les recuerda a los antiguos la sangre. Aunque el color del planeta se debe a los compuestos de hierro en combinación con el oxígeno en el suelo marciano, es un error común pensar que el hierro en la hemoglobina y sus óxidos le da a la sangre su color rojo. En realidad, el color se debe a la fracción de porfirina de la hemoglobina a la que está unido el hierro, no al hierro en sí mismo, [113] aunque la ligadura y el estado redox del hierro pueden influir en las transiciones electrónicas pi a pi * o n a pi * de la porfirina y por tanto sus características ópticas.

El artista Julian Voss-Andreae creó una escultura llamada Corazón de acero (hemoglobina) en 2005, basada en la columna vertebral de la proteína. La escultura estaba hecha de vidrio y acero resistente a la intemperie . La oxidación intencional de la obra de arte inicialmente brillante refleja la reacción química fundamental de la hemoglobina de unión del oxígeno al hierro. [114] [115]

El artista de Montreal Nicolas Baier creó Lustre (Hémoglobina) , una escultura en acero inoxidable que muestra la estructura de la molécula de hemoglobina. Se exhibe en el atrio del centro de investigación del Centro de Salud de la Universidad McGill en Montreal. La escultura mide unos 10 metros x 10 metros x 10 metros. [116] [117]

Ver también [ editar ]

  • Clorofila
  • Hemograma completo
  • Delta globina
  • Hemoglobinómetro
  • Hemoproteína
  • Oxihemoglobina (con oxígeno diatómico , de color rojo sangre)
  • Complejo de Vaska: complejo organometálico de iridio notable por su capacidad para unirse al O 2 de forma reversible.

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Lectura adicional [ editar ]

Recursos de la biblioteca sobre la
hemoglobina
  • Recursos en su biblioteca
  • Recursos en otras bibliotecas
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Enlaces externos [ editar ]

  • Proteopedia Hemoglobina
  • Consejo Nacional de Acción contra la Anemia - anemia.org
  • Un nuevo tipo de hemoglobina provoca un diagnóstico simulado con oxímetros de pulso
  • Animación de la hemoglobina: de la forma desoxi a la oxi

Preguntas relacionadas:

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