CAPITULO III:CAPITULO III:

HEMOGLOBINAHEMOGLOBINA

TRANSPORTADORES DE OXIGENO

• En vertebrados son las proteínas hemoglobina y En vertebrados son las proteínas hemoglobina y mioglobina.mioglobina.

• Hemoglobina Hemoglobina (Hb) --> eritrocitos. (Hb) --> eritrocitos. • 3 x 103 x 1088 moléculas de Hb por eritrocito. moléculas de Hb por eritrocito.• Su función es la de transportar oxígeno en la sangre Su función es la de transportar oxígeno en la sangre

mediante el sistema circulatorio.mediante el sistema circulatorio.• Mioglobina Mioglobina (Mb) --> músculo(Mb) --> músculo• Su función es la de reservar y desplazar el oxígeno Su función es la de reservar y desplazar el oxígeno

en el músculo.en el músculo.

EL OXÍGENO SE UNE AL GRUPO PROSTÉTICO HEMO

• La función de la Hb y Mb depende de la presencia del grupo hemo (unidad no polipeptídica), el cual da el color rojizo característico.

• Grupo prostético: unidad específica no polipeptídica que se unen a muchas proteínas para cumplir su actividad biológica.

• Grupo prostético hemo consta de:

– una parte orgánica --> protoporfirina: formada por 4 grupos pirrólicos unido por puentes metino (anillo tetrapirrólico).

H - C - C - H

H - C C - H N

HMolécula de Pirrol

protoporfirina IX

• El isómero protoporfirina IX está presente en los sistemas biológicos.

• Fe del grupo hemo ligado a los 4 N en el centro de la protoporfirina.

• Fe puede formar otros dos enlaces a cada lado del grupo hemo (quinta y sexta posición de coordinación).

1N N2

Fe 5 Fe 6

4N N3

Plano del hemo

• Átomo de Fe estado de oxidación:

– (+2) ferroso, en hemoglobina ferrohemoglobina (capta oxígeno).

– (+3) férrico, en hemoglobina

ferrihemoglobina

LA CRISTALOGRAFÍA POR RAYOS X REVELA LA ESTRUCTURA

TRIDIMENSIONAL CON DETALLE ATÓMICO

• 1957 John Kendrew y Max Perutz descubrieron la estructura tridimensional de la Hb y la Mb respectivamente.

• La microscopía electrónica revela estructura de macromoléculas biológicas pero no da con detalle atómico.

• La cristalografía de rayos X revela la estructura tridimensional de muchos de los átomos en una proteína

• Experimento

Adición Varios dias

(NH4)2SO4

Mioglobina en una Mioglobina en Cristales de

solución tampón diluida (NH4) 2SO4, 3M, pH 7 mioglobina

• La solubilidad de la mayoría de proteínas se reduce por adición lenta de concentraciones altas de cualquier sal (salting out o precipitación por salado).

• Los tres componentes en cristalografía por rayos X son:– Fuente de rayos X– Cristal de proteína– Detector haces difractados

haz de rayos x

Cristal Detector

(ie: película)

Se produce un haz de rayos X de una longitud de onda de 154 Aº

Fuente de rayos X

• Los haces dispersos se detectan por medio de una película fotográfica.

• Principios básicos de la técnica:• Los electrones dispersan los rayos X, a más

electrones mayor es la longitud de la onda dispersada.

• Las ondas dispersas se recombinan.• El recombinación depende del ordenamiento de

los átomos

La mioglobina tiene una estructura compacta y un alto

contenido de hélices α• Características:• Compacta (45 x 35 x 25 Å).

• 75% hélice dextrógiras. Existen ocho segmentos helicoidales principales A,B,C,D,E,F,G,H. Los residuos se enumeran deacuerdo al segemento en donde se encuentren. Las regiones no helicoidales entre los segmentos toman el nombre de los segmentos contiguos.

• Hay otras dos regiones no helicoidales: dos residuos en el extremo amino terminal (NA y NA2) y cinco residuos en el extremo carboxilo-terminal (HC1......HC5).

Val – Leu – Ser – Glu - Gly……………….Glu……………….Glu – Leu – Gly – Tyr – Gln - Gly

 NA1 NA2 A1 A2 A3 A16 H24 HC1 HC2 HC3 HC4 HC5 Empieza con la cadena A y termina con la cadena H

• La interrupción de los segementos se debe a varios factores (no se conocen todos), uno importante es la presencia de un residuo de prolina (este no se puede acomodar en la hélice excepto al final), pero solo hay 4 mientras hay 8 terminaciones de hélices, indicando claramente la presencia de otros factores (Ej. el OH de la S y T interaccionan con el cerboilo de la cadena principal)

COO H2N - C – H H2N CH2 Prolina CH2

 

• Los grupos peptídicos son planos.Carbonilo trans con respecto al NH. Los ángulos de distancia y enlace son como los de los dipeptidos.

LA AFINIDAD POR EL CO DISMINUYE POR LA PRESENCIA DE LA HISTIDINA

DISTALO C

N His E7

C C C

Fe N O

H C

N

Fe

C C N His F8 C C N - C N - C

• CO es un veneno porque se combina con la ferrihemoglobina y la ferrimioglobina interfiriendo en el transporte de O2.

• Un grupo hemo aislado es 25000 veces más afin al CO que al O2,, sin embargo la afinidad de Hb y Mb tan solo es 200 veces mayor que para el O2. Esto se explica así:

• En los complejos CO- hierroporfirina de elevada afinidad el Fe - C - O está en línea recta.

• En la carboximioglobina el Fe - C toma un cierto ángulo en el eje del CO.

• El enlace lineal de CO se dificulta por el impedimiento estereo de la histidina distal (E7)

• El eje de la molécula de O2 toma un ángulo con el enlace Fe - O tanto en la oximioglobina como en las sustancias modelo.

• La histidina distal (E7) obliga al CO a enlazarse en angulo y no en recta, lo que debilita su interacción con el Fe.

LA HEMOGLOBINA CONSTA DE CUATRO CADENAS POLIPEPTIDICAS

• Estas cadenas se mantienen unidas por interacciones no covalentes

• Hb tiene 4 sitios de unión para el O2 porque cada cadena tiene un grupo hemo.

• Hb A (principal en los adultos) consta de :

– 2 cadenas (2, 2)

– 2 cadenas • Hay una Hb minoritaria en adultos Hb A2

(2, 2) 25% del total .

• El feto tiene distinta Hb – Hb embrionaria (2 , 2) en forma temprana,

luego se sustituye por Hb F (2,,, 2)

• La cadena es común a todas y tiene 141 aminoácidos.

• Las cadenas , , contienen cada una 146 aminoácidos unidos en secuencias similares.

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9

Cadena phe - ala - thr - Leu - Ser - Glu - Leu - His - Cys

Cadena phe - Ser - Gln - Leu - Ser - Glu - Leu - His - Cys

Cadena phe - Ala - Gln - Leu - Ser - Glu - Leu - His - Cys Unicas diferencias de esta secuencia de 9 aa

ESTRUCTURA CUATERNARIA DE LA HEMOBLOBINA

• La molécula de Hb es casi esférica, con un díametro de 55Aº.

• Las 4 cadenas empaquetadas en posición tetraédrica.• Los grupos hemo están en una oquedad cerca del

exterior de la molécula, una en cada subunidad.

• Los 4 lugares de unión al O2 están separados. La distancia entre los átomos de Fe cercanos es 25Aº.

• Cada cadena está en contacto con las dos cadenas • Poca interacción entre - y -

• La interacción 1- 1 y 2- 2 se sostiene por

17 - 19 enlaces de hidrógeno y por ello son muy rígidos.

• Los contactos 1 - 2 y 2 - 1 son menos

extensos y por lo tanto más débiles.

LAS CADENAS y DE LA HEMOGLOBINA SON MUY

SEMEJANTES A LA MIOGLOBINA• Las estructuras tridimensionales de la mioglobina y de

las cadenas a y b de la hemoglobina humana son sorprendentemente similares.

Hemoglobina humana F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9

Cadena Leu - Ser - Ala - Leu - Ser - Asp - Leu - His - Ala

Cadena phe - ala - thr - Leu - Ser - Glu - Leu - His - Cys

Mioglobina del Leu - Lys - Pro - Leu - Ala - Gln - Ser - His - AlaCachalote

• Coinciden en 24 de las 141 posiciones por lo que secuencias diferentes de aa pueden determinar estructuras tridimensionales similares

DIFERENCIAS FUNCIONALES ENTRE LA MIOGLOBINA Y LA HEMOGLOBINA

• La Hb es una proteína alostérica, mientras que la Mb no lo es. Esta diferencia queda reflejada en tres maneras:

1) La unión de O2 a la Hb favorece nuevas adiciones de O2 a la misma molécula de Hb. El O2 se une a la Hb cooperativamente lo que no sucede con la Mb.

2) La afinidad de la Hb por el O2 depende del pH, mientras que la afinidad de la Mb es independiente de él. La molécula de CO2 también afecta a la capacidad de enlazar el O2 por parte de la Hb.

• La afinidad de la Hb por el O2 se regula además por fosfatos orgánicos como el 2,3 difosfoglicerato. Como resultado la Hb tiene menor afinidad que la Mb

O O O-

C – OPO3= C

H - C - OH H - C - OPO3

=

CH2OPO3

= CH2OPO3=

DPG 2,3 BPG

LA UNIÓN DEL OXÍGENO A LA HEMOGLOBINA ES COOPERATIVA

• Función de saturación, Y, como la fracción de ocupación de los centros de unión del oxígeno. Su valor oscila desde 0 hasta 1.

Curva de disociación

• La curva de disociación del oxígeno

mioglobina hemoglobina• Aspectos en que difieren la mioglobina y la

hemoglobina

1.- PO2 (presión parcial del oxígeno) es > para la mioglobina que para la hemoglobina.

La afinidad del oxígeno parámetro denominado P50 (presión parcial del O2 a la cual se encuentran ocupados el 50% de los centros de unión, esto es, en la que Y = 0.5)

Mioglobina P50 = 1 Torr

Hemoglobina P50 = 26 Torr

2.- La curva de disociación del oxígeno:Mioglobina tiene forma hiperbólicaHemoglobina tiene forma sigmoidea

• En términos moleculares forma sigmoidea unión del O2 a la hemoglobina = cooperativa.

• La unión del O2 al grupo hemo facilita la unión del O2 a los otros tres grupos hemo.

• Curvas de disociación en términos cuantitativos:

Mb O2 Mb + O2

• La constante de equilibrio K para la disociación de la oxihemoglobina es :

[Mb] [O2]

(1) K =-------------- [Mb O2]

[Mb O2] = concentración oxihemoglobina

[Mb ] = concentración de desoxihemoglobina

[O2] = concentración de combinado

• La fracción de saturación Y se define como: [MbO2]

(2) Y =-------------------- [MbO2] + [Mb]

• Sustituyendo la ecuación 1 en la 2 resulta: [O2]

Y =------------ [O2] + K

• Puesto que el O2 es un gas, se expresa su concentración en términos de pO2

• La ecuación 3 queda transformada en: pO2

Y =-------------------- pO2 + P50

• La ecuación se representa como una hipérbole.

• La curva de disociación del oxígeno, tomando P50 como un Torr, se adapta a la curva observada exprerimentalmente para la mioglobina.

• Ninguna de las curvas que se obtiene con esta ecuación sería aplicable a la hemoglobina (sigmoidea).

• La curva de saturación del O2 de la hemoglobina está situada entre la curva n = 1 y n = 4

• El valor de n se incrementa con el cooperativismo.• El valor máximo de n es igual al número de sitios

ligando.

• Al unirse el O2 a un hemo se facilitará la unión de más O2 a los grupos hemo del mismo tetrámero de la hemoglobina e inversamente su liberación facilita la liberación de los demás O2.

• Hay una comunicación entre los grupos hemo de una molécula de hemoglobina.

• La unión cooperativa del O2 a la hemoglobina se denomina interacción hemo - hemo.