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Descripcion del comportamiento de la Hemoglobina y Mioglobina
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Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Facultad de Ciencias
Escuela de Física y Matemática
Biofísica
Mioglobina y Hemoglobina
Por:
Andrea Samaniego
Curi Guapizaca
Andrés Valencia
Riobamba-Ecuador
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Mioglobina y Hemoglobina
Hemoglobina
La hemoglobina (HB) es una proteína globular, que está presente en altas concentraciones
en lo glóbulos rojos y se encarga del transporte de O2 del aparato respiratorio hacia los
tejidos periféricos; y del transporte de CO2 y protones (H+) de los tejidos periféricos hasta
los pulmones para ser excretados. Las hemoglobinas están presentes en todos los reinos de
la naturaleza con particulares especializaciones de acuerdo con las necesidades de cada
organismo.[1]
Estructura
La hemoglobina es una proteína con estructura cuaternaria, es decir, está constituida por
cuatro cadenas polipeptídicas: alfa, beta, gamma y delta. La hemoglobina A –la forma más
frecuente en el adulto- es una combinación de dos cadenas alfa y dos cadenas beta. Debido
a que cada cadena tiene un grupo proteico hem, hay 4 átomos de hierro en cada molécula
de hemoglobina; cada una de ellas puede unirse a una molécula de oxígeno, siendo pues un
total de 4 moléculas de oxígeno las que pueden transportar cada molécula de hemoglobina.
[1]
Figura 1. Estructura de la hemoglobina.
Imagen tomada de: http://es.slideshare.net/ecuamalu/hemoglobina-y-mioglobina-estructura
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Mioglobina
La mioglobina es una hemoproteína encontrada principalmente en el tejido muscular donde
sirve como sitio de almacenamiento intracelular para el oxígeno. Es una proteína
relativamente pequeña que contiene un grupo hemo con un átomo de hierro, y cuya
función es la de almacenar y transportar oxígeno. Las mayores concentraciones de
mioglobina se encuentran en el músculo esquelético y en el músculo cardíaco, donde se
requieren grandes cantidades de O2 para satisfacer la demanda energética de las
contracciones.
Estructura
La mioglobina es una cadena polipeptídica sencilla de 153 residuos aminoácido. Es una
proteína globular con la superficie polar (rojo) y el interior apolar (amarrillo), patrón
característico de las proteínas globulares. Sin contar los dos residuos de His que
intervienen en el proceso de fijación del oxígeno, el interior de la mioglobina sólo contiene
residuos no polares (por ejemplo, Leu, Val, Phe y Met).
Figura 2. Estructura de la mioglobina.
Imagen tomada de: http://lacienciaysusdemonios.com/2010/07/01/evolucion-molecular/
La mioglobina (Mb) y la hemoglobina (Hb) no son fermentos su función consiste en la
fijación reversible del oxígeno, reservándolo para su sucesiva utilización. Por eso, una gran
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cantidad de Mb se contiene en los organismos de las ballenas que pasan un tiempo largo
debajo del agua. La hemoglobina es una proteína funcional de los eritrocitos, que sirve
para trasladar el oxígeno desde los pulmones a todos los órganos y tejidos que participan
en el transporte inverso del anhídrido carbónico.
La unión del O2 y otros ligandos por estas proteínas es completamente análoga con la
unión de los substratos por los fermentos. El oxígeno molecular penetra en las oquedades
de las moléculas de Mb y Hb, pero a diferencia de los substratos no se somete a la
transformación química. Algunas veces la Mb y Hb se llaman (fermentos de honor). La
mioglobina y hemoglobina se obtienen en forma cristalina. Ambas proteínas han sido
estudiadas detalladamente por métodos de análisis roentgeno-estructural, con resolución
hasta de 0.28nm, tanto en la forma oxigenada como la formula desoxigenada (Mb, Hb). La
existencia en la Mb y Hb de grupos prostéticos del hemo, que poseen propiedades
electrónicas específicas, que permite utilizar con eficacia los métodos de espectroscopia,
de RPE y también la receptividad magnética, el efecto Mossbauer.
La Mb no tiene estructura cuaternaria, la molécula Hb consta de cuatro subunidades, dos
unidades alfa y dos beta, cada una de las cuales es semejante, pero no idéntica a la
molécula de la Mb. La Hb posee correspondientemente, a diferenciad de la Mb,
propiedades cooperativas, en la Hb se realizan la así llamada interacción de hemo – hemo.
El oxígeno y otros ligando se unen al grupo hemo, saturando la sexta valencia coordinativa
del átomo de hierro. La formación de este enlace origina una serie de acontecimientos en la
molécula de la proteína.
El hemo representa la ferroprotoporfirina. El átomo de Fe que se encuentra en ferro-estado
bivalente (Fe2+¿¿), esta unido coordinadamente con cuatro atomos de nitrógeno de los
grupos pirrolicos del anillo porfirinico plano. El quinto enlace coordinativo, está dirigido
perpendicularmente al plano del anillo, une el átomo de Fe con el imidozol de la histidila,
la sexta valencia bien esta libre, o bien está ocupada por el ligando.
La hemoglobina y mioglobina, y sus formas oxigenadas contienen ferrohema. Durante la
oxidación de la Hb y la Mb se forman compuestos férricos, que contienen el átomo
trivalente de hierro Fe3+¿¿. El átomo del hierro es paramagnético. En la tabla 1 están
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expuestas las características de las propiedades magnéticas de la Hb y sus derivados en
distintos estados.
Tabla 1. Propiedades magnéticas de la hemoglobina.
COMPUESTO VALENCIA SEXTO
LIGANDO
MOMENTO
MAGNETICO,
MOMENTO DE BOHR
ESPIN
Hemoglobina (Hb) 2 No tiene 5,2-5,2 2
Oxihemoglobina (HbO8) 2 O2 0 0
Carboxihemoglobina 2 CO 0 0
Ferrihemoglobina 2 H 2O 5,6-5,8 5/2
Hidroximetahemoglobina 2 OH- 4,5-4,7 1/2,5/2
Ac. de ferrihemoglobina 2 N 3−¿ ¿ 2,4-2,8 1,2
Cianuro de ferrihemoglobina
2 CN−¿¿ 2,3-2,5 ½
Tomada de: Volkenshtein, M.V. (1985). Biofísica. Cap.: 6.(Pág.: 228)
Vemos que el ferrohemo puede estar en los estados con espín alto (Hb) y con espín bajo
como la oxihemoglobina y la carboxihemoglobina. La unión del ligando se manifiesta en el
espectro de absorción en la zona visible.
Figura 3. Espectros de absorción de la Hb y la HbO8.
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Figura tomada de: https://vidauniversoydemas.wordpress.com/author/esenrique/
La interpretación de las propiedades magnéticas y espectrales de hemo se basa en el
análisis cuanto-mecánico.
Los electrones exteriores del átomo de hierro tienen la configuración 3 d6 para el
Fe+2 y3 d5 para el Fe+3.
Figura 4. Estructura electrónica del hierro.
Imagen tomada de: http://www.heurema.com/QG28.htm
Los cálculos teóricos están basados en la teoría de los campos de los ligandos. Los
sistemas orbitales moleculares se representan por combinaciones lineales de las orbitales
del Fe, del ciclo porfirino y de los ligandos.
La homoglobina y mioglobina son paramagnéticas a diferencia de la mayoría de las otras
moléculas biológicas. Se habla así de la Magnetobiología que estudia la influencia de los
campos magnéticos en los fenómenos biológicos. Los campos magnéticos podrían
influenciar en el comportamiento de la Hb y Mb y de las células correspondientes, y
también en la cinética de las reacciones bioquímicas que transcurren con la participación
de los radicales libres.
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Se han descubierto bacterias en las tuberías de EE.UU, que contienen magnetita
ferrimagnética FeO.Fe2O2. Esta bacterias son capaces de orientarse en el campo magnético.
Al mism tiempo no existe ninguna base científica para afirmar sobre el papel biológico del
"agua magnetizada", sobre que el agua que pasó a través de un campo magnético acelera,
al parecer, el desarrollo de los vegetales, tienen propiedades bactericidas, etc.
La curva Y ( p) de saturación para la Mb con el oxígeno molecular, donde p es la presión
parcial del O2, es semejante a la isoterma de Langmuir
Y= pK+ p
Por el contrario, la curva Y ( p) de la Hb posee una inflexión, o sea, la forma de S. Puede ser descrita por la ecuación de Hill
Y= pn
K ,+ pn
Donde K' es una constante, y el parámetro n=2,8.
El significado Fisiológico de la curva Y ( p) en forma de S para Hb consiste en la
disminución de la afinidad de la Hb hacia el O2 a medida que se desprende el O2. los
cambios de la presión parcial del O2 no es grande en los tejidos. Si la curva hiperbólica
Y(p) fuese característica para la Hb, entonces, se separaría en los tejidos solo una parte
pequeña del O2 transportado.
Figura 5. Curva de saturación para la Hb y Mb por el oxígeno molecular
Imagen tomada de: http://es.slideshare.net/bioserizierucv/guia-protenas
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Como resultado el organismo se ahogaría incluso en una atmosfera de oxígeno. La
efectividad del transporte respiratorio se regula además, por la presencia de un cofactor, el
2,3-difosfoglicerato(DFG), que rebaja la afinidad de la Hb hacia el O2 y con el efecto de
Borh.
El efecto de Borh que le es propio a la Hb, pero no a la Mb, consiste en la dependencia
entre la afinidad de la Hb al O2 y el pH promedio. La afinidad es mínima cerca del pH 6 y
máxima cerca al pH 9. Las pequeñas concentraciones de O2 facilitan la union con los
protones con la Hb.
Figura 6. Desplazamiento de la Tir HG2(140), durante la oxigenación.
Imagen obtenida de : Volkenshtein, M.V. (1985). Biofísica. Cap.: 6.(Pág.: 232)
En la HbO8 los terminales C de todas las cuatro cadenas tienen una libertad completa de
giros, y los restos antepenúltimos Tir(140), parcial. Por el contrario, en la Hb cada uno de
los terminales C esta dos veces fijada con puentecitos β1 salinos de Arg(141) α1 con
Asp(126) α2, His(146) con Lis(40)α2 y Asp(84) β1
La oxigenación de la Hb origina el desplazamiento de la espiral F y la rotura de los
puentecitos salinos.
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La reorganización de los subglóbulos y las roturas de los puentecitos salinos cambia la
estructura cuaternaria
La Hb es un tetrámero su conformación en dímeros ocurre por pequeñas concentraciones.
Con ello se deberían romper los puentes salinos y la estructura cuaternaria toma la oxi-
conformación. Los efectos cooperativos se determinan por la estructura tetramérica. La
dispersión de la rotación magnética (DRM) y el dicromismo circular magnético (DCM)
son extraordinariamente sensibles a las particularidades de la Hb y Mb, que prácticamente
no se pueden diferenciar por los efectos de absorción.
En la Mb y también en las subunidades α y β de la Hb en las bandas α y β de la DRM es
aproximadamente igual. Por el contrario en la Hb tetrámera el efecto en la banda α es dos
veces mayor que ne la banda β (Figura 5).El efecto DRM permitió investigar la asociación
de la Hb en subunidades.
El efecto de Bohr obtuvo una interpretación molecular. Durante las transiciones
conformativas de la oxi-Hb en desoxi-Hb se cambia la envoltura de 3 pares de bases
débiles de tal modo que estas tienden a unir los protones durante el desprendimiento de O2.
Wyman construyo una teoría fenomenológica de las funciones enlazadas para la Hb y ASF.
Suponemos que la molécula de ASF une a dos ligandos X e Y, teniendo a q como centros
activos para X y r, para Y.
La concentración total de las moléculas de ASF será:
c=co∑i=0
q
∑j=0
r
Kij xi ji
Donde co es la concentración de moléculas libres, (x e y) son las concentraciones de X e
Y, Kij es la constante de equilibrio para la reacción:
M +iX+ jY ⇆MXiYj
Las funciones de saturación son iguales a:
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Yx=a ln∑∑ Kij xi ji
a ln x
Yy=a ln∑∑ Kij x i ji
ay
Figura 1. Curvas de rotación de la Mb y sus complejos.
Imagen tomada de: Volkenshtein, M.V. (1985). Biofísica. Cap.: 6.(Pág.: 236)
Vamos a representar la curva de equilibrio por la relación de dependencia entre:
ln [x (1-x)] y el ln x, donde x = Yα / q, e introducir el parámetro n que se determina por:
n=dln [ x (1−x ) ]
dln x= 1
x (1−x )= d x
dlnx
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Figura. a) Curvas de la DHM de la Hb, b) Gráfico de hill para la satracion de la
hemoglobina del caballo con oxígeno
Imagen tomada de: Volkenshtein, M.V. (1985). Biofísica. Cap.: 6.(Pág.: 237)
Si todos los centros son idénticos independientes uno de otro entonces la gráfica tiene la
forma de una recta con n=1.Para que las reacciones se estabilicen se debe cumplir n>1.
Esto corresponde a la ecuación de Hill que se puede escribir de la forma:
ln x1−x
=ln K+n ln x
La hemoglobina puede enlazar el O2 y el CO. Para la saturación, el coeficiente A de
distribución no depende de la presión parcial de ambos gases. (Primera ley de Haldane)
[ Hb(CO )4 ]HbO 8
=A PCOPO2
Mientras la segunda ley nos dice que la saturación durante la interacción con la mezcla de
O2 y CO es la función PO2 + APCO. Las propiedades de la hemoglobina demuestran el
comportamiento dinámico de la proteína. Las estructuras tercearia y cuaternaria de la Hb
oscilan rápida y continuamente entre las oxi-desoxi-conformaciones.
10. Referencias
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1. Volkenshtein, M.V. (1985). Biofísica. U.R.S.S - Rusia.: Editorial Mir. Cap.: 6.(Págs.: 227 - 238)
2. Evolución molecular. (s,f). Mioglobina y hemoglobina. Documento electrónica.
[En línea]. Recuperado el 1 de diciembre del 2015. Disponible en:
http://lacienciaysusdemonios.com/2010/07/01/evolucion-molecular/
3. King, M.(2015).Mioglobina y Hemoglobina. Documento electrónica. [En línea].
Recuperado el 1 de diciembre del 2015. Disponible en:
http://themedicalbiochemistrypage.org/es/h
4. Suela, F. (2009). Proteínas. Documento electrónica. [En línea]. Recuperado el 1 de
diciembre del 2015. Disponible en: http://es.slideshare.net/bioserizierucv/guia-
protenas
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