Modelo de estructura-funcin en protenas. Hemoglobina y
Mioglobina
Modelo de estructura-funcin en protenas. Hemoglobina y
Mioglobina
Modelo de estructura-funcin en protenas. Hemoglobina y
Mioglobina
Castro Buitrn, Diego Armando Daz Minchan, Roberto Antonio
Fernndez Rebaza, Gustavo Garamendez Castillo, Edson Bruno Flores
Choque, Pool Harol
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE FARMACIA Y
BIOQUMICA
Las Protenas
Las protenas son las macromolculas biolgicas ms importantes. Hay
gran variedad de protenas y cumplen gran variedad de funciones en
los organismos. Expresan la informacin gentica en los seres vivos:
componen las estructuras celulares y hacen posible las reacciones
qumicas del metabolismo celular. En la mayora de los seres vivos (a
excepcin de las plantas que tienen ms celulosa) representan ms de
un 50% de su peso en seco. Una bacteria puede tener cerca de 1000
protenas diferentes, en una clula humana puede haber 10.000 clases
de protenas distintas.Qumicamente son polmeros de aminocidos,
unidos por enlaces covalentes (enlaces peptdicos) y dispuestos de
forma lineal. Las clulas producen protenas con propiedades muy
diferentes a partir de 20 aminocidos1.
AminocidosLos aminocidos son molculas orgnicas pequeas que
contienen un grupo carboxilo (COOH) y un grupo amino (NH2). El
grupo carboxilo es cido dbil, mientras que el grupo amino es bsico
dbil.Todas las protenas se construyen a partir de 20 aminocidos,
aunque se conocen muchos ms aminocidos, que no forman parte de las
protenas. Algunas protenas contienen otras molculas que no
pertenecen a ese conjunto de 20 aminocidos, y que en muchas
ocasiones son aminocidos modificados durante la formacin de la
protena.
Aminocidos : son los nicos que forman protenas en cualquier
organismo. Algunos pptidos elaborados por microorganismos contienen
otra clase de aminocidos (aminocidos D). Los organismos hetertrofos
pueden sintetizar la mayora de los aminocidos, aquellos que no
pueden sintetizarse se denominan aminocidos esenciales, y deben ser
incorporados con la dieta (en el ser humano son 10).Estructura de
un -aminocido: el grupo amino y el grupo carboxilo se unen a un
mismo tomo de carbono (carbono ), al que tambin se une una cadena
lateral (cadena R) y un tomo de hidrgeno.Difieren en las cadenas
laterales (cadenas R), que son las que determinan sus propiedades,
como la polaridad o el carcter cido o bsico.
El -aminocido ms simple es la glicina, y su cadena R es un tomo
de carbono. Los aminocidos se pueden clasificar por su cadena R. Se
han definido 5 grupos principales:
Apolares (alifticos): el grupo R es apolar e hidrfobo. En las
protenas, permanecen en el interior. La glicina es el aminocido ms
simple de este grupo.Aromticos: son relativamente apolares
(hidrfobos). Su cadena R es aromtica (grupo fenilo).Polares: son
hidrfilos (solubles en agua).Bsicos: algunos tienen una carga
positiva neta y otros (los ms reactivos) pueden tener carga
positiva o negativa.cidos: hay 2 aminocidos en este grupo, con
carga negativa neta.
En las clulas, los aminocidos se suelen presentar ionizados. En
disolucin, un aminocido puede actuar como cido o base:
cido: pierde un protn Base: capta un protnZwitterin: molcula que
puede ionizarse positiva o negativamente. Un aminocido es un
zwitterin.
Enlace peptdicoSe llama enlace peptdico a la unin de dos
aminocidos mediante la prdida de una molcula de agua entre el grupo
amino de un aminocido y el grupo carboxilo del otro. El resultado
es un enlace covalente CO-NH. El enlace peptdico slo permite formar
estructuras lineales, sin ramificaciones, que se denominan pptidos;
estas estructuras son muy estables, pues los enlaces peptdicos son
covalentes. Todos los pptidos tienen un grupo amino en un extremo y
un grupo carboxilo en el otro.La reaccin qumica en que se forma un
enlace peptdico se llama condensacin, y su descomposicin en
aminocidos es la hidrlisis.
Enlace peptdico: condensacin e hidrlisisEn funcin de su nmero de
aminocidos, los pptidos se pueden clasificar en:Oligopptidos: unin
de unos pocos aminocidos.Polipptidos: unin de muchos
aminocidos.Protenas: grandes cadenas de aminocidos con una
estructura tridimensional definida. Se suele llamar protenas a los
polipptidos con masa molecular superior a 10000. Las protenas
generalmente estn formadas por entre 100 y 300 aminocidos, aunque
algunas pueden tener ms de un millar de aminocidos.Se llama residuo
a cada uno de los aminocidos que forman un pptido.Enlace peptdico:
formacin de un pptido
Enlace peptdico: formacin de un pptidoEn condiciones fisiolgicas
estndar, el equilibrio est desplazado hacia los aminocidos. Para
favorecer la reaccin, el grupo carboxilo debe ser modificado
(activado) para que el grupo hidroxilo pueda ser eliminado ms
fcilmente.La estructura de los pptidos se compone de un gran nmero
de enlaces covalentes, que permiten la rotacin de cada una de sus
partes.Se llama conformacin a cada una de las disposiciones
tridimensionales que pueden adoptar los tomos de un pptido
conservando todos sus enlaces covalentes. De todas las posibles,
slo se dan unas pocas en condiciones fisiolgicas. Una conformacin
se puede estabilizar por las interacciones entre los grupos que las
forman, como puentes de hidrgeno y enlaces disulfuro y con el
solvente (agua).El enlace peptdico impone restricciones a las
posibles conformaciones, ya que no es posible el giro alrededor del
enlace C-N, por lo que tiene un comportamiento similar al de un
doble enlace. Todos los tomos unidos al carbono y el nitrgeno del
enlace peptdico estn en el mismo plano y mantienen unas distancias
y ngulos caractersticos2.Enlace peptdico1. Tipos de
estructurasEstructura primariaSe distinguen 4 niveles en la
estructura de una protena.La secuencia de aminocidos determina la
estructura primaria. Este nivel de la estructura se mantiene
mediante enlaces peptdicos. Por convencin, se escribe desde el
extremo que tiene el grupo amino terminal hacia el grupo carboxilo
final.
Estructura primaria: secuencia de aminocidosLos enlaces
peptdicos forman el esqueleto de la protena, del que emergen las
cadenas laterales de los aminocidos.Las protenas se diferencian en
la secuencia y nmero de aminocidos. Aunque un pptido puede adoptar
diferentes conformaciones, cada protena tiene una nica estructura
tridimensional en condiciones fisiolgicas, que resulta ser la ms
estable de todas las posibles, es decir, aqulla con mayor nmero de
interacciones dbiles entre sus tomos. La secuencia de aminocidos
que forma una protena determina su estructura tridimensional y su
funcin.Las llamadas protenas polimrficas admiten variaciones en su
estructura primaria, conservando su funcin. Las variaciones en
algunas zonas de las protenas tienen muy poca o ninguna repercusin
en su funcin, pero hay zonas crticas, en las que cualquier variacin
afecta a la estructura, y por tanto a la funcin de la protena.
Estructura secundariaEl trmino estructura secundaria se refiere
a la estructura que adopta espacialmente una parte del polipptido.
Ocurre cuando los hidrgenos de la secuencia interactan mediante
puentes de hidrgeno.Puente de hidrgeno: se comparte un protn entre
dos molculas, formando un enlace dbil.Dos tipos de estructuras son
particularmente estables y frecuentes en las protenas: la hlice y
la lmina .Hlice : la cadena adopta una estructura helicoidal, que
se mantiene mediante puentes de hidrgeno, con los grupos R
orientados hacia el exterior. Para formar esta estructura, el grupo
carboxilo de cada aminocido (n) se une mediante un puente de
hidrgeno al grupo amino de otro aminocido (n+4). Es una estructura
estable porque da lugar a un mximo nmero de interacciones.
Hlice Conformacin : la cadena queda estirada y la estructura se
dispone espacialmente en zigzag formando lminas (hojas plegadas ).
La disposicin puede ser paralela o antiparalela. Puede darse entre
regiones prximas o distantes del polipptido. Los grupos R
sobresalen de la lmina en ambos sentidos, de forma alterna. La
conformacin se estabiliza mediante puentes de hidrgeno, como en el
caso anterior.
Lminas : antiparalela y paralelaEn las lminas los giros se
forman por la unin mediante un puente de hidrgeno del aminocido n y
el n+3.
Estructura del giro en una lmina Al representar la estructura de
una protena, si se desea resaltar su estructura secundaria, las
hlices alfa se representan como cintas en espiral, las lminas beta
como cintas en flecha y las regiones con otro tipo de estructura
como lneas finas (random coil).
Representacin de la estructura secundaria de una
protena.Estructura terciariaEs la estructura plegada y completa de
la cadena en 3D. Ocurre cuando ciertas atracciones estn presentes
entre hlices alfa y hojas plegadas (conformacin).Es especfica de
cada protena y determina su funcin. Las caractersticas fsicas y
qumicas de la molcula dependen de su estructura terciaria.Las
regiones de la protena con una estructura secundaria definida se
llaman dominos. La estructura terciaria define las interacciones
entre los diferentes dominios que la forman.El plegamiento
terciario no es inmediato, primero se agrupan conjuntos de
estructuras denominadas dominios que luego se articulan para formar
la estructura terciaria definitiva. Este plegamiento est facilitado
por uniones denominadas puentes disulfuro, -S-S- que se establecen
entre los tomos de azufre del aminocido cistena.Hay dos tipos de
protenas, segn su estructura terciaria:Protenas fibrosas:
estructuras con forma de fibra o lmina. Insolubles en el agua. Las
protenas que dan forma y proteccin a los organismos suelen ser
fibrosas. Las protenas fibrosas se forman por repeticin de
estructuras secundarias simples.Protenas globulares: estructuras
globulares. Solubles en el agua. Muchas enzimas y protenas
reguladoras tienen esta forma. Las protenas globulares tienen una
estructura terciaria ms compleja, formada a partir de varias
estructuras secundarias diferentes. En las protenas globulares, los
residuos apolares se orientan hacia el interior (hidrfobos), y los
polares hacia el exterior (hidrfilos).
Ejemplo de protena fibrosa: colgeno
Ejemplo de protena globular: mioglobinaLas protenas mantienen su
estructura y funcin dentro de la clula, pero un cambio en las
condiciones puede suponer la alteracin de su estructura terciaria,
llegando incluso a perder su funcin.La prdida de la estructura
terciaria de una protena supone la prdida de su funcin. Se habla de
desnaturalizacin cuando el cambio en la estructura de la protena es
tan grande que sta no puede mantener su funcin. La mayora de las
protenas se pueden desnaturalizar por calor, pH extremos,
disolventes, o detergentes. La desnaturalizacin no supone la
ruptura de los enlaces covalentes, pero s de las interacciones
dbiles que mantienen la estructura tridimensional.Estructura
cuaternariaSlo est presente en las protenas que constan de ms de
una cadena de aminocidos. La estructura cuaternaria se refiere a
las uniones entre las distintas cadenas polipeptdicas que forman la
protena, dando lugar a una estructura tridimensional.
Ejemplo de estructura cuaternaria: la hemoglobinaCada una de las
cadenas de aminocidos que componen la protena se denomina
protmero.En la siguiente figura tenemos un resumen de los distintos
niveles de la estructura de una protena3:
Los cuatro niveles de la estructura de una protena
(hemoglobina).2. El transporte de oxigeno por la sangreTodos los
organismos superiores son estrictamente aerobios; necesitan
indispensablemente el oxgeno. Se debe a Lavoisier, que descubri el
oxgeno en 1778, la idea de que la respiracin animal equivale a una
combustin lenta, en la que el carbono de la materia orgnica se
transforma en CO2 con el correspondiente consumo de oxgeno.
Realmente, el proceso es ms complicado y no se acab de aclarar
hasta mediado elsiglo XX. La materia orgnica, con algunas escasas
excepciones, no se oxida directamente por el oxgeno atmosfrico,
sino por distintas coenzimas, que quedan reducidas en consecuencia.
El oxgeno molecular se emplea para re oxidar esas coenzimas, un
proceso que en los organismos eucariticos tiene lugar en las
mitocondrias y recibe el nombre de cadena respiratoria. Pero, en
cualquier caso, el balance de la oxidacin equivale al de una
combustin, como anticip Lavoisier. Por ejemplo, la oxidacin
completa de la glucosa obedece globalmente al esquema
estequiomtrico:C6H12O6 + 6O2 6CO2+ 6H2OPor ms que el mecanismo real
sea muy complicado e implique docenas de reacciones, incluidas las
de la cadena respiratoria. Los vertebrados terrestres captan el
oxgeno atravs de los pulmones y han de transportarlo a todos los
rganos, puesto que todos ellos lo requieren para la cadena
respiratoria. El vehculo mediante el que se produce el transporte
es la sangre. La compleja red del sistema circulatorio, que en un
adulto humano llega a alcanzar los 96 000 km de longitud si se suma
la de todas las arterias, venas y vasos, asegura la llegada del
oxgeno a todas y cada una de las clulas, cuyo nmero est comprendido
entre 10 y 100 billones. Pero se presenta una importante dificultad
para este transporte. La molcula de dioxgeno, O2, es muy apolar y
como el 79% de la sangre es agua, la cantidad de oxgeno que se
puede transportar disuelto en la sangre representa slo el 2% del
requerido. Para transportar el 98% restante del oxgeno, se utiliza
la hemoglobina, una protena de peso molecular 68 000, que puede
cargarse con 4 molculas de dioxgeno. Aqu se aprecia ya un dato
sorprendente: teniendo en cuenta que el peso molecular de la
molcula de dioxgeno es 32, la relacin entre la masa transportada y
la del transportador es de 1:531. La situacin equivaldra a la de un
camin de 8 Tm, que slo pudiera llevar una carga de 15 kg. Estos
nmeros, son el resultado de lo que podramos llamar un fracaso de la
naturaleza?, o, por el contrario, reflejan una precisa funcin para
cuyo desempeo se requiere ese aparente derroche? Los datos que irn
apareciendo a lo largo del presente artculo permitirn decidir que
la segunda opcin es la que responde a la realidad. El examen
microscpico de la sangre, como es bien sabido, revela que una
fraccin importante de su volumen, que se aproxima al 50%, est
ocupado por clulas. De estas, las ms abundantes son los eritrocitos
o hemates, vulgarmente conocidos como glbulos rojos, de los que hay
entre 4,7 y 6,1 millones por mm3 en los varones y entre 4,2 y 5,4
en las mujeres, con lo que, si se tiene en cuenta que el volumen de
sangre en un adulto ronda los 5L, resulta la fabulosa cantidad de
unos 25 billones de eritrocitos por persona adulta. Los eritrocitos
son unas clulas de apariencia discoidal, algo hundidas por su regin
central y con un dimetro de unos 7,1 Pm. Su organizacin es
extremadamente simple: no contienen ningn orgnulo subcelular, son
clulas carentes de DNA, y por tanto, genticamente inactivas y su
metabolismo es muy sencillo. Slo son capaces de realizar la
glicolisis hasta lactato y algunas reacciones de la ruta de las
pentosas. Su funcin primordial es la de almacenar la hemoglobina,
de la que cada uno llega a encerrar 270 millones de molculas, que
se encuentran en un alto grado de compactacin. De este modo, el
nmero total de molculas de hemoglobina presentes en un ser humano
adulto es de alrededor de 6 750 trillones. La sangre contiene,
adems de los eritrocitos, una cantidad mucho ms pequea de
leucocitos los populares glbulos blancos, implicados
mayoritariamente en funciones inmunes y de defensa, y las
plaquetas, clulas esenciales para la coagulacin sangunea. Como
ninguna de estas clulas est involucrada en el transporte de oxgeno,
no se harn ms referencias a ellas en este artculo. Como se ver ms
adelante, la unin de oxgeno a la hemoglobina es reversible y sigue
los principios generales de las interacciones protena-ligando.P+L
PL
Figura 2.2Figura 2.1Se rigen por las leyes del equilibrio
qumico. Esto hace que en los pulmones, en los que al estar en
contacto directo con el aire, la presin parcial de oxgeno es
elevada, del orden de 100 torr, el equilibrio se desplace hacia la
unin del oxgeno, que forma un complejo con la hemoglobina. En los
tejidos, no accesibles directamente al aire atmosfrico, la presin
parcial de oxgeno es ms baja y el equilibrio revierte, con la
consiguiente liberacin de oxgeno. Un caso paradigmtico es el del
msculo, en cuyas clulas abunda la mioglobina una molcula
relacionada estructural y evolutivamente con la hemoglobina, tambin
capaz de ligar dioxgeno y con mayor afinidad que la hemoglobina.
Por eso, el oxgeno liberado por esta se une a la mioglobina hasta
su utilizacin. La figura 2.1 reproduce la estructura de ambas
protenas, hemoglobina y mioglobina. La primera est formada por
cuatro cadenas polipeptdicas, dos D y dos E, mientras que la
mioglobina posee una nica cadena polipeptdica. Aunque luego habr
ocasin de contemplarlo con ms detalle, ya se puede adelantar y se
pone de manifiesto en la figura 2.1 que la estructura terciaria de
la mioglobina es muy parecida a la de las cadenas de la
hemoglobina. Volviendo a los aspectos funcionales, la hemoglobina
transporta O2 desde los pulmones hasta los tejidos, donde puede o
no almacenarse temporalmente unido a la mioglobina hasta su
utilizacin. Como se ha comentado antes, esta utilizacin, en ltimo
trmino, produce CO2, que, al disolverse en el medio acuoso
intracelular, produce cido carbnico. Se trata de una reaccin que se
produce de modo espontneo, aunque una enzima, la anhidrasa
carbnica, facilita an ms la reaccin desde un punto de vista
cintico. El cido carbnico es un cido diprtico, cuyos valores de pKa
son 3,601 y 10,33. Como consecuencia, en el medio intracelular se
encuentra fundamentalmente en forma del anin bicarbonato, lo que
conlleva la prdida de un protn. Todas estas reacciones que tienen
lugar en los tejidos se esquematizan en la figura2.2. El CO2 se
transporta desde los tejidos hacia los pulmones de dos formas: una
parte, como ion bicarbonato disuelto en el plasma sanguneo; otra
parte se une a la hemoglobina del modo que luego se ver. En los
pulmones tienen lugar las mismas reacciones que en los tejidos,
pero en sentido inverso debido a que la presin parcial de CO2 es
baja. La figura 3 tambin da cuenta esquemticamente de este
intercambio gaseoso.3. Estructura de la Hemoglobina
Figura 3.3Figura 3.2. Figura 3.1. estructura del g. hemoHay que
tener en cuenta un detalle estructural fundamental del que no se ha
hecho mencin hasta ahora: la mioglobina y la hemoglobina son
protenas conjugadas y en ambos casos el grupo prosttico es el hemo,
o protoporfirina IX (figura 3.1). El grupo hemo es una molcula
prcticamente plana. Su sistema de dobles enlaces conjugados hace
que los electrones pi estn deslocalizados en ambas caras del plano.
El hierro central es un ion Fe2+, coordinado a los 4 nitrgenos de
los anillos pirrlicos. Con la salvedad de este ion y de los dos
carboxilatos de las cadenas laterales, el conjunto de la molcula es
bastante apolar. El ion Fe2+ tiene posibilidad de formar 6 enlaces
de coordinacin, con una geometra octadrica. Los cuatro formados con
los nitrgenos de los anillos pirrlicos se dirigen aproximadamente
desde el centro hacia los vrtices de un cuadrado, por lo que los
dos restantes pueden dirigirse en direccin perpendicular al plano
del hemo, uno a cada lado figura 3.2. Uno de estos enlaces
precisamente se emplea para unir el grupo hemo firmemente a la
apoprotena, concretamente a travs de un nitrgeno del imidazol de un
residuo de histidina. La figura 6 muestra la disposicin del hemo en
una cadena E de la hemoglobina, aunque, dada la similitud entre
ambas cadenas y de ellas con la mioglobina, la figura 3.3 sirve
tambin, en general, para ilustrar la posicin del grupo hemo en la
cadena Dy en la mioglobina. La histidina que establece el quinto
enlace de coordinacin con el hemo es la F82. Al otro lado del plano
se encuentran los residuos de fenilalanina CD1 y valina E11, que
proporcionan un entorno apolar adecuado para el acoplamiento del
hemo y, como se ver inmediatamente, para la entrada de la molcula
apolar de dioxgeno. Como se aprecia tambin en la figura, los
carboxilatos del hemo se proyectan hacia la superficie de la
molcula, que est en contacto con el medio polar. En conjunto, se
puede decir que el grupo hemo ocupa una hendidura, delimitada por
las hlices E y F que estn orientadas en forma de V abierta hacia la
superficie de la molcula. La unin de la molcula de dioxgeno tiene
lugar por medio del sexto enlace de coordinacin del hierro hemnico,
como se muestra en la figura 5-11. Como consecuencia de esta unin,
la molcula de dioxgeno se polariza lo suficiente como para
establecer un enlace de hidrgeno con el imidazolprotonado de la
histidina E7. As pues, hay dos histidinas importantes en el entorno
del hemo, la F8 y la E7, que frecuentemente se designan como
proximal o distal, respectivamente, atendiendo a su distancia al
grupo hemo. Se puede unir una molcula del ligando a cada uno de los
cuatro grupos hemo, de donde resulta la estequiometria, ya
adelantada, de 4 molculas de dioxgeno a cada molcula de
hemoglobina. La unin puede describirse por una serie de 4
equilibrios consecutivos:
Donde la que Hb representa la desoxihemoglobina, o hemoglobina
totalmente desoxigenada, mientras que la forma totalmente cargada
con el ligando, suele denominarse oxihemoglobina.
4.- Unin reversible de la Mioglobina al oxigeno
4.1.- Sitio de fijacin para el oxgeno de la Mioglobina La
mioglobina es una protena de unin a oxgeno relativamente simple que
est presente en casi todos los mamferos, principalmente en el
tejido muscular. Al ser una protena de transporte, facilita la
difusin del oxgeno en el msculo. La mioglobina consta de un nico
polipptido de 153 aminocidos con un grupo hemo. Es un ejemplo tpico
de las protenas llamadas globinas, que poseen estructuras primarias
y terciarias similares. El polipptido est formado por ocho
segmentos -helicoidales conectados por giros, alrededor de un 78%
de los residuos aminocidos presentes en la protena se encuentran en
estas hlices . Tal como se en la figura 3.1, los segmentos
helicoidales se nombran de la A a la H. Un residuo aminocido
individual puede designarse ya sea por la posicin en la secuencia
de aminocidos o por su localizacin dentro de la secuencia de un
segmento concreto - helicoidal.
Figura N 3.1. Estructura de la Mioglobina. Los ocho segmentos -
helicoidales (mostrados aqu como cilindros) estn marcados de la A a
la H. los residuos de conexin que no forman parte de las hlices, se
nombran como AB, CD y EF, etc. Indicando los segmentos que
interconectan. El grupo hemo esta unido a una bolsa formada
principalmente por las hlices E y F, aunque tambin participan
algunos residuos aminocidos de otros segmentos.4.2.- Las
interacciones Mioglobina ligando La funcin de la mioglobina depende
no solo de la capacidad de la protena para unir oxgeno, sino tambin
de liberarlo cuando y donde sea necesario. La funcin bioqumica
depende a menudo de una interaccin reversible protena-ligando de
este tipo. Una descripcin cuantitativa de esta interaccin es por lo
tanto un aspecto clave en muchas investigaciones bioqumicas.En
general una unin reversible de una protena [P] a un ligando [L]
puede describirse por una ecuacin simple ecuacin de equilibrio:
3-1
La reaccin se caracteriza por una constante de equilibrio: 3-2El
trmino Ka es una constante de asociacin; la cual proporciona una
medida de la afinidad del ligando L por la protena. La Ka tiene
unidades de M-1, un valor ms alto de Ka corresponde a una mayor
afinidad del ligando por la protena. Una reorganizacin de la
ecuacin 3-2 muestra que el cociente entre protena unida y protena
libre es directamente proporcional a la concentracin del ligando
libre:
3-3
Cuando la concentracin del ligando es mucho mayor que la
concentracin de los sitios de fijacin a ligando, la unin del
ligando por parte de la protena no afecta de manera significativa a
la concentracin de ligando libre (no unido), con lo que [L]
permanece constante. Esta situacin es aplicable en general a la
mayora de los ligandos que se unen a las protenas en las clulas.Por
lo tanto se considera el equilibrio de unin en funcin de la
fraccin, (zeta), de sitios de fijacin a ligando de la protenas que
estn ocupados por el ligando: 3-4
Sustituyendo [PL] por Ka[L][P] y reorganizando los trminos
tenemos:
3-5
El trmino Ka puede ser determinado a partir de una representacin
de frente a la concentracin de ligando libre [L], la fraccin de
sitios de fijacin a ligando ocupados tiende a la saturacin de
manera asinttica a medida que [L] aumenta. La [L] a la que la mitad
de los sitios de fijacin a ligando disponibles estn ocupados ( =
0,5) corresponde a 1/Ka.A veces es ms fcil considerar
intuitivamente la contante de disociacin, Kd, que es el recproco de
Ka (Kd = 1/Ka). Y que se expresa en unidades de molaridad (M). Kd
es la constante de equilibrio para la liberacin del ligando. Las
ecuaciones cambian a: 3-6
3-7 3-8
Cuando [L] es igual a Ka la mitad de los sitios de fijacin a
ligando estn ocupados. Cuando [L] desciende por debajo de Kd, cada
vez hay menos protenas con ligando unido. Para que u n 90% de los
sitios de fijacin a ligando disponibles estn ocupados, [L] debe ser
nueve veces mayor que Kd.Por lo tanto se puede decir que un valor
ms bajo de Kd corresponde a una mayor afinidad del ligando por la
protena. Kd equivale a la concentracin molar de ligando a la cual
la mitad de los sitios de fijacin a ligando disponibles estn
ocupados. En este punto, se dice que la protena a alcanzado su
punto medio de saturacin con respecto a la unin de ligando. Cuando
ms fuerte es la unin de una protena a su ligando, menor ser la
concentracin de ligando requerida para que estn ocupados la mitad
de los sitios de fijacin y por tanto menor ser el valor de Kd.
La unin de oxgeno a la mioglobina sigue los patrones descritos
anteriormente. Sin embargo, al ser el oxgeno un gas, se debe de
hacer algunos ajustes mnimos en las ecuaciones para proceder con ms
facilidad a los experimentos necesarios. En primer lugar se
sustituye [L] por la concentracin de oxgeno disuelto en la Ecuacin
3-8 para tener: 3-9
Como en cualquier ligando, Kd es igual a la [O2] a la que estn
ocupados la mitad de los sitios de fijacin a ligando disponibles, o
[O2]0.5 la ecuacin 3-9 pasa a ser:
3-10El parmetro que se varia en los experimentos que utilizan el
oxigeno como ligando es la presin parcial de oxigeno en la fase
gaseosa que se encuentra sobre la disolucin, pO2, debido a que es
ms fcil de medir que la concentracin de oxigeno disuelto. La
concentracin de una sustancia voltil en disolucin es siempre
proporcional a la presin parcial de oxigeno a [O2]0.5 como P50, la
sustitucin en la ecuacin 5-10 da: 3-11En la figura 3.2b se muestra
una curva de unin para la mioglobina que relaciona con pO2.
Figura 3.2. Representaciones grficas de la unin de ligando: Se
representa la proporcin se sitios de unin a ligando ocupados, ,
frente a la concentracin de ligando libre. Ambas curvas son
hiprbolas rectangulares. (a) Curva hipottica de unin a un ligando
L. la [L] necesaria para ocupar la mitad de los sitios de unin a
ligando disponibles es equivalente a 1/Ka o Kd. La curva tiene una
asntota horizontal en = 1. (b) Curva representada de la unin de
oxgeno a la mioglobina. La presin parcial de O2 en el aire sobre la
solucin est expresada en kilopascales (kPa). El oxgeno se une
fuertemente a la mioglobina con una P50 de slo 0,26 kPa.4.3.-
Relacin de la estructura proteica con el modo de unin del ligandoLa
unin de un ligando a una protena no es tan sencilla como parece. La
interaccin se ve afectada en gran medida por la estructura proteica
y suele ir acompaada de cambios conformacionales. Por ejemplo, la
especificidad con la que el grupo hemo se une a sus diversos
ligandos se ve alterada cuando el grupo hemo es un componente de la
mioglobina. El monxido de carbono se une unas 20000 veces mejor que
el O2 a las molculas libres de grupo hemo (es decir, la Kd o P50
para la unin de CO es ms de 20000 veces menor que la del O2) pero
se une tan solo una 200 veces mejor cuando el grupo hemo est unido
a la mioglobina. La diferencia se explica en una parte por el
impedimento estrico. Cuando el O2 se une al grupo hemo libre, el
eje de la molcula de oxgeno forma un ngulo respecto al enlace Fe-O
(figura 3.3a). Por el contrario, cuando el CO se une al grupo hemo
libre, los tomos de fe, C y O se sitan en lnea recta (figura 3.3b).
En ambos casos, la unin refleja la geometra de orbitales hbridos de
cada ligando. En la mioglobina la Histidina64 (His E7) del sitio de
fijacin al O2 del grupo hemo est demasiado lejos para coordinarse
con el fierro hemo, pero interacciona con el ligando unido a un
grupo hemo. Este residuo llamado la His distal, forma un enlace he
hidrogeno con el O2 (figura 3.5c) pero puede evitar la formacin del
enlace lineal del Co, dando as una explicacin para la disminucin
selectiva de la unin del CO al grupo hemo en la mioglobina. La
reduccin en la unin de CO es importante fisiolgicamente, debido a
que el CO es un subproducto de bajo nivel del metabolismo
celular.La unin del grupo hemo a la mioglobina tambin depende de
movimientos moleculares, o respiracin, en la estructura proteica.
La molecula proteica esta profundamente anterrada en el polipeptido
plegado, sin que haya un camino directo para el oxgeno desde la
disolucin hasta el sitio de fijacin al ligando. Si la protena fuese
rgida, el O2 no podra engtrar o salir de la bolsa del hemo a una
velocidad significativa. Sin embargo la rpida flexion molecular de
las cadenas laterales de los aminocidos provoca la formacin de
cavidades transitorias en la estructura de la protena, de manera
que el O2 puede encontrar su camino movindose a gtravs de esas
cavidades. Una de las rutas principales viene proporcionada por la
rotacin de la cadna lateral de la his distal, que tiene lugar en un
nano segundo.
Figura 3.3. Efectos estricos de la unin de los ligandos al grupo
de la mioglobina. (a) El oxgeno se une al grupo hemo con el eje del
O2 en angulo, una conformacipon del enlace facilitada por la
mioglobina. (b) El monxido de carbono se une al grupo hemo libre
con el eje del CO perpendicular al plano del anillo de porfirina.
Cuando se une al grupo hemo en la mioglobina, el CO se ve forzado a
adoptar un ligero ngulo debido a que la disposicin perpendicular
esta bloqueada estricamente por la his E7, la His distal. Este
efecto debilita la unin del CO a la mioglobina. (c) muestra la
disposicin de los residuos aminocidos clave alrededor del grupo
hemo de la mioglobina. El O2 unido tiene un enlace de hidrogeno con
la His distal, la his E7 (His64) facilitando ms la unin del O2.La
mioglobina, con su curva hiperbolica de unin al oxgeno (figura
3.2b), es relativamente insensible a pequeos cambios en la
concentracin de O2 disuelto y por lo tanto fuinciona bien como una
protena de almacenamiento de oxgeno.
5. Cooperatividad de la hemoglobina y la mioglobina
Para hablar acerca de la cooperatividad tanto de la hemoglobina
como la mioglobina debemos definir qu se entiende por
cooperatividad. Este concepto lo podemos definir como el efecto que
tiene la unin del ligando a uno de los grupos proteicos sobre la
afinidad de la unin de ligando de otro grupo proteico. Una vez
definido lo anterior pasamos a mencionar que esta propiedad es
exclusiva de protenas multimricas1, as la hemoglobina que posee 4
subunidades presenta cooperatividad, todo lo contrario con la
mioglobina que al ser un monmero no posee la mencionada
propiedad.Esto lo podemos observar de manera grfica a travs de una
curva de unin al oxgeno, en la figura 5.1, para la hemoglobina, se
ve que a medida que la presin parcial de oxgeno disminuye (tejidos
perifricos) hay una mayor cantidad de oxgeno liberado, ya que la
sola liberacin de uno hace que se liberen los otros tres de manera
gradual; as tambin, a nivel pulmonar donde la presin parcial de
oxgeno es alta (100 torr) la sola unin de un oxgeno hace que los
otros tres se unan tambin, saturando los grupos hem de la
hemoglobina (100%). Todo esto se traduce en una curva sigmoidea que
hace dar entender este cooperativismo. Para el caso de la
mioglobina, el porcentaje de saturacin a presiones parciales de
oxgeno bajas resulta muy alto, esto refleja la ausencia de
cooperatividad de dicha protena y se evidencia por la forma de la
curva, en este caso hiperblica2.
Figura 5.1. Curva de unin de oxgeno para la mioglobina (azul) y
la hemoglobina (rojo).
As pues, la estructura tetramrica de la hemoglobina permite la
existencia de cooperatividad, circunstancia que hace de esa protena
un transportador ideal. Pero para que haya cooperatividad en la
unin de ligando a una protena no basta con que haya ms de un sitio
de unin. Se precisa que haya una comunicacin entre ellos, de modo
que un sitio detecte si hay otros ocupados o no y la afinidad de la
unin de ligando se ajuste en consecuencia. Dicho de otro modo,
cuanto se ha considerado previamente explica por qu la conducta
cooperativa de la hemoglobina representa una ventaja fisiolgica
para su actuacin como protena de transporte, pero no explica las
causas de la cooperatividad.2 Esto se explica por dos
modelos:Modelo MWC o modelo concertado.- Este modelo propuesto por
Monod, Wyman y Changeux supone que las subunidades de una protena
con unin cooperativa son funcionalmente idnticas, que cada
subunidad puede existir en 2 conformaciones, T para la forma
desoxigenada y R para la forma oxigenada, adems todas estas
experimentan la transicin de una conformacin a otra de manera
simultnea. En este modelo ninguna protena tiene subunidades con
conformaciones diferentes. Las dos conformaciones estn en
equilibrio, predominando la forma T inicialmente y a medida que se
oxigena pasa a la forma R (figura 5.2a). El ligando puede unirse a
cualquiera de ellas aunque con diferente afinidad. La unin sucesiva
de molculas de ligando a la conformacin de baja afinidad T (la cual
sera ms estable en ausencia de ligando) hace ms probable la
transicin a la conformacin de alta afinidad R.Modelo KNF o modelo
secuencial.- El segundo modelo propuesto en 1966 por Koshland y
colaboradores plantea que la unin del ligando puede inducir un
cambio de conformacin en una subunidad individual. Un cambio
conformacional en una subunidad provoca un cambio similar en la
subunidad adyacente y tambin hace ms probable la unin de una
segunda molcula de ligando. Hay ms estados intermedios potenciales
en este modelo que en el modelo concertado (figura 5.2b).3
Figura 5.2. Esquemas de los modelos MWC (a) y KNF (b). Observen
la mayor cantidad de estadios intermedios en el segundo modelo.
Hasta aqu no se ha dado an una explicacin molecular de la
interconversin de la forma T a R y la subsiguiente cooperatividad
de la hemoglobina; podemos mencionar que la informacin del estado
de unin de O2 de un grupo hem se transmite en forma mecnica a los
otros grupos por movimientos de la protena. Estos movimientos son
responsables por las diferentes estructuras cuaternarias de
oxihemoglobina (forma R) y desoxihemoglobina (forma T).Ya se haba
mencionado que la hemoglobina posee dos estados conformacionales,
el estado T y el estado R. Las conformaciones de las cuatro
subunidades en la hemoglobina en el estado T difieren de aquellas
en el estado R. La unin de oxgeno inicia una serie de movimientos
coordinados que da como resultado un cambio del estado T al estado
R en unos pocos microsegundos:1. En el estado T, el Fe (II) en cada
uno de los cuatro hemos se ubica a 0,6 A fuera del plano del hemo
debido al movimiento en forma de cpula piramidal del grupo
porfirina hacia la His F8. La unin del oxgeno cambia el estado
electrnico del hemo, que acorta el enalce Fe-Nporfirina en 0,1 A y
provoca que la porfirina forme una cpula hacia abajo. En
consecuencia, durante la transicin T R, el Fe (II) se mueve hacia
el centro del plano del hemo (figura 5.3).2. El Fe (II) arrastra
consigo la His F8 unida covalentemente. Sin embargo el movimiento
directo de la His F8 de 0,6 A hacia el plano del hemo provocara su
colisin con el hemo. Para evitar este choque estrico, la hlice F
unida se inclina y traslada 1 A y cruza el plano del hemo (figura
5.3).
Figura 5.3. Interconversin de la forma T (azul) a la R (rojo),
se observan los movimientos de la hlice F y del Fe (II).3. Los
cambios en la estructura terciaria estn acoplados a una variacin en
el ordenamiento de las cuatro subunidades de la hemoglobina. El
cambio ms grande producido por la transicin T R es el resultado de
los movimientos de los residuos en las interfaces 1-2 y 2- 1; en
otras palabras, en la interfaz entre las dos unidades protomricas
de la hemoglobina. En el estado T, la His 97 en la cadena beta hace
contacto con la Thr 41 en la cadena alfa. En el estado R, la His 97
hace contacto con Thr 38 (figura 5.4), que est ubicada una vuelta
atrs a lo largo de la hlice C. En ambas conformaciones, los
abultamientos de una subunidad se acomoda adecuadamente en las
cavidades de la otra. Una posicin intermedia sera severamente
resistida porque pondra la His 97 y la Thr 41 demasiado juntas (o
sea bultos sobre bultos).
Figura 5.4. Cambio en la interfaz 1-2 durante la transicin T-R
en la hemoglobina
4. Los residuos C-terminales de cada subunidad (Arg 141 e His
146) en la hemoglobina en estado T participan cada uno en una red
de pares de iones intrasubunidad e intersubunidad que estabilizan
el estado T. Sin embargo, el cambio conformacional en la transicin
T R arranca estos pares de iones en un proceso que esta conducido
por la energa de las formacin de los enlaces Fe-O2 (figura
5.5).
Figura 5.5. Redes de pares inicos que estabilizan la conformacin
T
La caracterstica esencial de la transicin de la hemoglobina T a
la R es que sus subunidades estn tan estrechamente acopladas que
los grandes cambios estructurales terciarios en una subunidad no
pueden producirse sin cambios estructurales cuaternarios en toda la
protena tetramrica.Ahora estamos en una posicin de racionalizar en
forma estructural la cooperacin de la unin de oxgeno a la
hemoglobina. El estado T de la hemoglobina tiene baja afinidad por
el O2, sobre todo por el largo mayor en 0,1 A de su enlace Fe-O2 en
relacin con el estado R. La evidencia experimental indica que
cuando por lo menos un O2 se uni a cada dmero la resistencia en el
estado T de la molcula de hemoglobina es suficiente para arrancar
el par de iones C-terminal, lo que lleva bruscamente la protena al
estado R. Todas las subunidades son este modo convertidas de forma
simultanea de la conformacin del estado R tengan o no O2 unido. Las
subunidades no ligadas en la conformacin del estado R aumentaron la
afinidad por el O2 porque ya estn en la conformacin de unin de O2.
Esto explica la alta afinidad de la hemoglobina casi saturada.4
6.-Efecto del pH: efecto Bohr
Christian H. L. P. E. Bohr (1855-1911), fisilogo dans y padre
del fsico Niels Bohr (Figura 6.1), descubri en 1903 que la sangre
retena menos oxgeno cuanto ms bajo era su pH. En trminos actuales,
se puede decir que la unin del oxgeno a la hemoglobina est regulada
por el pH sanguneo, de modo que un descenso de pH disminuye la
afinidad de la protena por su ligando2 (figura 6.2). Para el caso
de la mioglobina, si se observa la curva de la figura 8, la
capacidad de captacin del oxgeno no se ve alterada ante cambios de
pH o de concentracin de CO2.5
Figura 6.1. Christian Bohr
Si se observa de nuevo la figura 6.3, se recordar que el CO2
producido en los tejidos como consecuencia de la actividad
metablica acaba convirtindose en cido carbnico, que se disocia
liberando protones, es decir, bajando el pH del medio en que se
produce la reaccin. Estos procesos tienen lugar tambin en el propio
eritrocito.
Figura 6.2. Curva de unin al oxgeno de la hemoglobina a
diferentes valores de pHFigura 6.3. Curva de unin al oxgeno para la
mioglobina (hiprbola), el pH no afecta dicha unin.
El CO2 que se produce en los tejidos pasa en parte a la sangre
y, por difusin, se introduce en los eritrocitos. Evidentemente,
cuanto mayor sea la actividad metablica de los tejidos, tanto mayor
es la cantidad de CO2 que se produce y, en consecuencia mayor es la
disminucin del pH de los eritrocitos. El efecto Bohr permite de
esta manera que la hemoglobina libere ms oxgeno cuanto mayor sea la
actividad metablica de un tejido. La ventaja fisiolgica de la
existencia del efecto Bohr es, pues, fcil de entender.Ahora el
mecanismo se da del siguiente modo (Figura 6.4), la hemoglobina
sale de los pulmones cargada totalmente de oxgeno y en su forma R.
En los tejidos, la menor presin parcial de oxgeno, la mayor acidez
(pH 7,2 en condiciones basales) y el desprendimiento de CO2 hace
que, en mayor o menor grado segn los requerimientos, el oxgeno
transportado se libere y la hemoglobina forme el anin carbamato
(reaccin del CO2 con el grupo amino libre de la valina N-terminal
(NA1) de las cadenas ). Como consecuencia de todo esto, el
equilibrio conformacional se desplaza ms o menos hacia la forma T y
as retorna la hemoglobina a los pulmones. Al llegar a ellos, la
elevada presin parcial de oxgeno, la baja proporcin de CO2 en el
aire inspirado y el mayor pH (entre 7,4 y 7,5) hace que todos los
procesos sigan un camino inverso: el carbamato revierte y se libera
CO2, la hemoglobina se vuelve a cargar de oxgeno y el equilibrio
conformacional se desplaza de nuevo hacia la forma R.2 Para el caso
de la mioglobina (tejido muscular de respiracin rpida) el oxgeno se
une a este al haber mayor afinidad, esto aumenta la velocidad a la
cual el oxgeno puede difundirse desde los capilares hacia los
tejidos aumentando en efecto su solubilidad.4
Figura 6.4. Papel de la hemoglobina y la mioglobina en el
transporte de oxgeno.
5. Hemoglobinopatias
Se denomina hemoglobinopata a cierto tipo de defecto de carcter
hereditario, que tiene como consecuencia una estructura anormal en
una de las cadenas de las globina de la molcula de hemoglobina. Sin
embargo, suele reservarse el trmino Hemoglobinopatias para las
anomalas de la Hb producidas por el simple cambio de un aminocido
en una de las cadenas de globina; el trmino talasemias se reserva
para las hemoglobinopatas debidas a la falta de sntesis, total o
parcial, de una cadena completa de globina.En la actualidad se
conocen ms de 600 hemoglobinopatas, aunque no todas producen
problemas clnicos. Las hemoglobinopatas por afectacin de la cadena
beta son algo ms frecuentes que las de la alfa. Las talasemias
(palabra que deriva del griego thalassa, mar) son frecuentes en el
rea mediterrnea, en la poblacin africana, el subcontinente indio y
el sudeste asitico. Se debe a la herencia de uno o dos alelos
patolgicos de uno o varios genes de los cromosomas 11 y 16 (todos
recibimos dos copias de un gen, una copia procedente del padre y
otra de la madre, a cada una de esas copias se le llama alelo).
Probablemente sea la enfermedad gentica ms frecuente.
Clasificacin de las hemoglobinopatas
Existen cuatro clases principales de hemoglobinopatas:
1. Hemoglobinopatas Estructurales:Hb con alteraciones de la
secuencia de aminocidos que causan alteraciones de la funcin o de
las propiedades fsicas o qumicas.A) Hemoglobinas con alteracin de
su movilidad electrofortica (Hb S, Hb C, Hb J, Hb D, Hb E). B)
Hemoglobinas con alteracin de la estabilidad (Hb Kln entre otras).
C) Hemoglobinas con aumento de la afinidad por el oxgeno. D)
Hemoglobinas que no consiguen mantener el hierro en estado
reducido.
2. Talasemias:A)- Talasemia alfaB)- Talasemia betaC)- Talasemias
delta-beta, gammadelta- beta, alfa-beta.
3. Variantes de la Hb talasmicas: Hb estructuralmente anormal
vinculada con la herencia de un fenotipo talasmico:A)- Hb EB)- Hb
Constant SpringC)- Hb Lepore
4. Persistencia hereditaria de la Hb fetal: persistencia en
adultos de concentraciones altas de HbF.
5.1. Hemoglobinopatas estructurales
Reciben este nombre las alteraciones de la molcula de Hb debidas
a la sustitucin de un aminocido en una de las cadenas de globina.
La base gentica de las hemoglobinopatas es una mutacin en el DNA.
Desde la descripcin efectuada por HERRICK de la Hb anmala que
descubri en un estudiante de Jamaica, alteracin que se conoce con
el nombre de drepanocitosis, el nmero de hemoglobinopatas no ha
hecho ms que aumentar. Inicialmente se identificaron con una letra
(Hb S, Hb C, Hb D, etc.) pero el alfabeto se agot enseguida, por lo
que cada nueva hemoglobinopata se identific por el nombre de la
ciudad en que fue descubierta.En la actualidad se conocen ms de 400
hemoglobinopatas, aunque no todas producen problemas clnicos. Las
hemoglobinopatas por afectacin de la cadena beta son algo ms
frecuentes que las de la alfa. Dependiendo de la situacin ms o
menos perifrica del aminocido sustituido en relacin con la
conformacin de la molcula de Hb, sta puede sufrir o no cambios que
afecten su movilidad electrofortica, su afinidad por el oxgeno, su
estabilidad qumica o la capacidad para mantener el hierro en estado
reducido. As, las hemoglobinopatas pueden clasificarse en:
A) Hemoglobinas con alteracin de su movilidad electrofortica (Hb
S, Hb C, Hb J, Hb D, Hb E). B) Hemoglobinas con alteracin de la
estabilidad (Hb Kln entre otras). C) Hemoglobinas con aumento de la
afinidad por el oxgeno. D) Hemoglobinas que no consiguen mantener
el hierro en estado reducido.
Las alteraciones clnicas que producen las hemoglobinopatas
pueden diferir enormemente. As, las que alteran la movilidad
electrofortica de la Hb pueden ser asintomticas o producir graves
alteraciones, como es el caso de la hemoglobinopata S homocigota.
Cuando el cambio de aminocido afecta la estabilidad de la molcula
de Hb aparecen cuadros de anemia hemoltica crnica, exacerbada por
la ingestin de algunos medicamentos o infecciones. Una Hb con un
aumento de su afinidad por el oxgeno producir cianosis en varios
miembros de una misma familia. Las metahemoglobinas hereditarias
provocan cianosis familiar. Las hemoglobinas estructurales son el
resultado de mutaciones al nivel de alguno de los genes que
codifican la sntesis de una determinada cadena globnica. Se
consideran hemoglobinopatas solo aquellas mutaciones que afectan
regiones esenciales de la molcula y que, por tanto, poseen
expresividad clnica. En general las mutaciones de aminocidos
situadas en la superficie de la molcula solo producen
modificaciones de la carga elctrica, mientras que los aminocidos
internos ocasionan, casi siempre, una importante alteracin
estructural y funcional de la hemoglobina y su repercusin clnica
suele ser mayor: anemia hemoltica (hemoglobinas inestables),
poliglobulia (hemoglobinas con alteracin de su afinidad por el
oxgeno) o cianosis (hemoglobinas M).
A) Hemoglobinas con alteracin de su movilidad electrofortica (Hb
S, Hb C, Hb J, Hb D, Hb E).
Hemoglobinopata S (drepanocitosis o anemia de clulas
falciformes). Constituye la hemoglobinopata ms frecuente en el
mundo. En su forma heterocigota afecta al 8% de la poblacin negra
de los Estados Unidos y al 25% de la poblacin negra africana,
aunque tambin puede encontrarse con mucha menor frecuencia en el
sur de Espaa, Italia y Grecia, en puntos del Magreb y la pennsula
Arbiga y en algunas zonas del subcontinente indio. La base qumica
de la drepanocitosis es la sustitucin del cido glutmico de la
posicin 6 de la cadena beta de globina por valina. Este simple
cambio es capaz de inducir una profunda alteracin de la cadena de
globina, que polimeriza a baja tensin de oxgeno, formndose largas
fibras de Hb que distorsionan totalmente la estructura del hemate,
el cual adopta forma de hoz. Estos hemates falciformes aumentan la
viscosidad sangunea y bloquean la circulacin capilar en diferentes
reas del organismo, produciendo microinfartos.El estado
heterocigoto para la drepanocitosis parece conferir cierta
proteccin frente a la malaria, motivo por el cual el gen puede
haber persistido a lo largo del tiempo. El diagnstico de
hemoglobinopata S en estado homocigoto o heterocigoto se basa en la
identificacin de la Hb S en la electroforesis o isoelectroenfoque
de Hb. Existen, sin embargo, otras tcnicas ms sencillas que
permiten sospechar la existencia de una Hb S, como son la induccin
de la falciformacin (observacin en fresco de una gota de sangre
entre cubre y portaobjetos) o el estudio de la solubilidad de la Hb
en un tampn fosfato (la Hb S es insoluble; prueba de Itano). Las
manifestaciones clnicas varan segn el paciente sea heterocigoto u
homocigoto para la Hb S.
Hemoglobinopata C La Hb C se caracteriza por la sustitucin del
cido glutmico de la posicin 6 de la cadena beta por lisina. Es una
hemoglobinopata propia del frica occidental, pero puede encontrarse
con cierta frecuencia en Espaa. El estado homocigoto (CC) se
caracteriza por una ligera anemia hemoltica crnica con
esplenomegalia. El estado heterocigoto (AC) no produce trastorno
alguno. Aunque la Hb C tiende a cristalizar en condiciones de
hipoxia, no produce crisis vasoclusivas como las de la Hb S. La
morfologa eritrocitaria se caracteriza por la aparicin de
dianocitos. La presencia de Hb C interfiere en la determinacin por
cromatografa en columna de la Hb A (cuyo aumento es caracterstico
de la betatalasemia heterocigota).
Hemoglobinopata J Se caracteriza por la sustitucin de la glicina
en posicin 16 de la cadena beta por cido asprtico. Es una Hb de
migracin rpida. No produce ningn trastorno en estado heterocigoto.
Endmica en Europa, la Hb J es relativamente frecuente en Cerdea y
puede encontrarse en Espaa.
Otras hemoglobinopatas La Hb D no produce trastorno alguno en
estado heterocigoto. El estado homocigoto, muy infrecuente, produce
una discreta anemia hemoltica. La movilidad electrofortica de la Hb
D es la misma que la de la Hb S. La Hb E es muy frecuente en el
sudeste asitico. El estado homocigoto no produce alteraciones
clnicas, pero el hemograma es semejante al de las talasemias. El
estado heterocigoto provoca slo microcitosis discreta.
B) Hemoglobinas inestables Cuando ocurre un cambio de aminocidos
cerca de la cavidad del hemo en la zona de unin globinahemo, pueden
producirse alteraciones que conducen a la desnaturalizacin y
precipitacin de las cadenas de globina. Los hemates se destruyen
bsicamente en el bazo. El cuadro clnico es el de una anemia
hemoltica crnica congnita. La tincin con colorantes supravitales,
da a los hemates un aspecto caracterstico, por lo que estas anemias
se denominaban antiguamente anemias hemolticas con cuerpos de Heinz
positivos. Se conocen actualmente ms de 100 Hb inestables. El
cuadro clnico puede ser muy variable, desde anemias hemolticas
neonatales hasta la ausencia de manifestaciones hematolgicas,
pasando por cuadros de anemia hemoltica crnica candidatos a la
esplenectoma. El principal desencadenante de las crisis hemolticas
sobreaadidas a la hemlisis crnica son los episodios febriles y, con
menor frecuencia, la ingesta de medicamentos (principalmente
sulfamidas). El diagnstico de hemoglobinopata debe sospecharse ante
una hemlisis crnica de carcter familiar, desencadenada o agravada
por las infecciones, estados febriles o medicamentos (cuadro
similar al de algn dficit enzimtico). La electroforesis de Hb puede
poner de manifiesto una banda de movilidad anmala; la tincin
supravital demostrar la presencia de cuerpos de Heinz; la
inestabilidad de la molcula de Hb puede evidenciarse con la
precipitacin por calor o con isopropanol. El tratamiento depende de
la gravedad del cuadro clnico. A veces es necesaria la
esplenectoma, pero la mayora de los pacientes tienen una anemia
leve que requiere slo suplementos de cido flico. Deben evitarse los
medicamentos con capacidad oxidante
C) Hemoglobinopatas con aumento de la afinidad por el
oxgeno.Algunas mutaciones en la molcula de Hb pueden originar
cambios que se traducen en una mayor afinidad por el oxgeno, que no
se liberar de forma ptima en condiciones de hipoxia tisular. Como
consecuencia, se produce un aumento de la sntesis de eritropoyetina
y eritrocitosis secundaria. Rara vez el aumento de nmero de hemates
ocasiona trastornos y la nica manifestacin analtica de estas
hemoglobinopatas es un aumento del hematocrito, que puede
observarse en varios miembros de la misma familia. En algunos casos
la carga elctrica de la molcula de Hb se altera y aparece una banda
anmala en electroforesis. Los portadores de estas hemoglobinopatas
no requieren tratamiento, aunque es aconsejable mantener el
hematocrito por debajo de 0,55 L/L con flebotomas.
D) Metahemoglobinas hereditarias El hierro de la molcula de Hb
se encuentra en estado ferroso (Fe 2+) y, en condiciones normales,
menos del 1% se halla oxidado. Este hierro frrico es reducido de
nuevo a ferroso mediante el sistema diaforasa-citocromo b 5.
Algunas mutaciones genticas son capaces de inducir cambios en la
molcula de Hb. Hasta el momento se han descrito cinco molculas de
estas Hb, denominadas hemoglobinas M. La nica alteracin clnica que
producen es cianosis en varios miembros de la misma familia. No
requiere tratamiento.
5.2. TalasemiasLos dos tipos principales de talasemia se
denominan talasemia alfa y talasemia beta. Los individuos afectados
por el primer tipo no producen suficiente cantidad de globina alfa
y los afectados por el segundo, de globina beta.A su vez, cada uno
de estos tipos de talasemia puede adoptar formas diferentes, con
sntomas que van de leves a severos. Los trminos mayor, menor,
intermedia y mnima, utilizadas para indicar la gravedad de las
manifestaciones clnicas, no necesariamente indican Heterocigota u
Homocigota.Las talasemias ms importantes se heredan por genes
autosmicos recesivos. Tanto la alfa como la beta talasemia
ocasionan disminucin de la Hb dentro del eritrocito, lo que da
lugar a una disminucin del color (hipocromia) y del tamao
(microcitica) del hemate. Otras talasemias descriptas son la delta
y la gamma, de escasa frecuencia.
A) Alfa talasemias: Son cuatro los genes que controlan la
produccin de la globina alfa y la cantidad de genes faltantes o
anormales determina la severidad de la enfermedad. (Cuadro1) El
principal mecanismo por el que se producen las alfa talasemias es
la delecin o prdida total de un gen. Las formas no delecionales son
menos frecuentes y obedecen a mutaciones, alteraciones en la
transcripcin del ARN o produccin de ARN anmalo.
Perdida en un solo gen alfa: En este caso no existe manifestacin
clnica. Solo se diagnostica mediante tcnicas complejas de anlisis
de ADN.
Perdida de dos genes alfa: Produce un cuadro denominado
talasemia menor o rasgo talasemico; no suele provocar problemas de
salud importantes pero los individuos afectados pueden padecer una
ligera anemia y transmitir la enfermedad a sus descendientes.
Perdida de tres genes alfa: Constituye la denominada enfermedad
de Hb H, esto produce anormalidades en los glbulos rojos que
derivan en su destruccin rpida. En esta enfermedad la produccin de
Hb A va de 25 a 30%.en el adulto, la cadenas beta sin pareja se
acumulan y forman tetrmeros b4, denominadas Hb H. Es frecuente en
China e Indonesia y se han descrito tambin algunos casos en Italia
y Sudamrica y en Espaa. Cursan con un cuadro clnico de anemia
hemoltica de intensidad moderada exacerbada por infecciones o por
la ingesta de algunos medicamentos oxidantes, y moderada
esplenomegalia. Es frecuente la supervivencia hasta la etapa media
de la edad adulta, sin transfusiones.
Perdida de cuatro genes alfa: Es la denominada talasemia grave o
mayor en la cual se produce la muerte del nio durante la gestacin o
en el periodo que sigue al parto. Esta enfermedad es incompatible
con la vida del nio. Como la sntesis de la cadena alfa falla la HbA
y la HbF disminuyen y en su lugar aumentan la Hb de Bart (cuatro
cadenas gamma), que tiene una extraordinaria afinidad por el O2, y
casi no lo suministra a los tejidos, causando asfixia y muerte; o
la Hb H (cuatro cadenas beta).
B) BETA TALASEMIAS: Las beta talasemias son el resultado de la
falta de sntesis de las cadenas beta de globina. (Cuadro 2)
Beta talasemia heterocigota o menor (rasgo talasemico): aparece
cuando slo est afectada una de las copias del gen que codifica la
cadena. Es la mutacin del gen beta, caracterizada por un hemate
elevada, con concentracin de hemoglobina normal o disminuida y
generalmente presenta un aumento de la Hb A2. Las personas
portadoras de talasemia menor, no presentan manifestaciones
clnicas, aunque en ocasiones pueden tener una ligera anemia que se
pone de manifiesto al realizar un anlisis. Los glbulos rojos de los
portadores del rasgo talasmico son ms pequeos de lo normal. La
talasemia menor est presente desde el nacimiento, permanece durante
toda la vida y puede transmitirse de los padres a los hijos.
Beta Talasemia Homocigota O Mayor (Anemia De Cooley): Es la
forma ms grave de anemia congnita. La talasemia homocigtica, es en
la que las dos copias del gen para una cadena de la hemoglobina son
defectuosas, ocurre cuando no se sintetizan cadenas. Dependiendo de
las mutaciones genticas beta, se producir una cantidad nula o muy
escasa de cadenas beta, y un menor o mayor nmero de cadenas alfa.
La talasemia mayor es una anemia hereditaria grave. Los pacientes
afectados con esta anomala no pueden fabricar suficientes glbulos
rojos y requieren frecuentes transfusiones de sangre. La enfermedad
se manifiesta durante los primeros meses de vida, habitualmente
entre el tercer y octavo mes. Estos pacientes presentan palidez,
alteraciones del sueo, rechazo de los alimentos y vmitos.
Desarrollan hemosiderosis (depsito en todos los tejidos del hierro
liberado tras la hemlisis). Es frecuente la presencia de clculos
biliares por la hemlisis crnica. Adquieren un color pardo-verdoso
por la anemia, la ictericia (la hemlisis libera bilirrubina que
produce un color amarillo en la piel y mucosas) y la hemosiderosis.
Se detiene el crecimiento, se retrasa la pubertad. Y finalmente se
produce un fallo cardaco. Actualmente algunos pacientes pueden
tambin ser tratados, e incluso curados, mediante un transplante de
mdula sea.
Beta Talasemia Intermedia: Se designa as al sndrome talasmico de
moderada intensidad, que condiciona la aparicin de una anemia leve
y alteraciones seas. Presentan sintomatologa clnica y requieren
transfusiones de sangre durante alguna poca de su vida, pueden
desarrollar hemosiderosis. Sus manifestaciones no son tan graves
como en los pacientes afectados de la forma mayor de la
enfermedad.
5.3. Variantes estructurales talasemicas:
Hb Lepore: (a2 (db)2) surge de un entrecruzamiento y
recombinacin desigual que fusiona el extremo proximal del gen beta
con el extremo distal del gen delta estrechamente ligado a l. El
cromosoma resultante contiene el gen db fusionado.
Hb E: (a2b2 26 Glu--->Lys) es extremadamente comn en Camboya,
Tailandia y Vietnam. Es ligeramente inestable pero no lo suficiente
como para acortar significativamente la vida de los glbulos rojos.
Los heterocigotos son similares a los que tienen un rasgo
talasemico b leve. Los homocigotos presentan anomalas algo mas
intensas, pero son asintomtico.
5.4. Persistencia Hereditaria de la Hb Fetal: Se caracteriza por
la sntesis ininterrumpida de concentraciones altas de Hb F en la
edad adulta.No son detectables efectos nocivos ni anemia, incluso
cuando toda la Hb producida es Hb F.
Referencias bibliogrficas
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Medica Panamericana S.A. 2a Edicin. Madrid, 2009. 2. Koolman J y
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Edicin. Madrid, 2004.3. Nelson D y Cox M. Lehninger Principios de
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www.med.unne.edu.ar/catedras/bioquimica/pdf/hemoglobina.pdf5.
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