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Estructura y función de la Hemoglobina


Toda la demostración que sigue va a hacerse sobre dos modelos: En la pantalla izquierda aparece un modelo de Desoxihemoglobina, que representa el estado T del sistema. A la derecha, un modelo de Carbomonoxihemoglobina que es estructuralmente idéntica a la Oxihemoglobina, el estado R del sistema.


1. Introducción

La hemoglobina es el ejemplo clásico de sistema alostérico al que puede aplicarse el modelo de Monod-Wyman-Changeux. La proteína es un tetrámero formado por cuatro subunidades iguales dos a dos. En el caso de la hemoglobina más abundante en mamíferos, la hemoglobina A1, estas subunidades reciben el nombre de a y b. Por eso la estructura cuaternaria de la hemoglobina se describe como a2b2.

La subunidad a consta de 141 aminoácidos, y la subunidad b, de 146. A pesar de ser distintas, presentan una amplia homología de secuencia entre sí y con otro transportador de oxígeno, la mioglobina, presente en grandes cantidades en la célula muscular. Las tres presentan un grupo prostético hemo consistente en una protoporfirina IX a cuyos cuatro nitrógenos aparece coordinado un ion ferroso de geometría octaédrica. Los dos enlaces de coordinación restantes del ion se establecen (a) con el nitrógeno de His 87 (cadena a) o His 92 (cadena b); (b) una molécula de oxígeno, que es el ligando fisiológico, en el caso de la oxihemoglobina, o bien queda vacante en el caso de la desoxihemoglobina. La proteína cumple su función cargándose de oxígeno en los alvéolos pulmonares y descargándolo en los tejidos periféricos.

La hemoglobina es, por otra parte, un sistema alostérico:

1. Presenta cooperatividad positiva en la fijación de oxígeno, lo que se traduce en curvas sigmoides de saturación (efecto homotrópico). Esta cooperatividad positiva no se aprecia estudiando las subunidades aisladas o la mioglobina, por lo que se deduce que deriva de su estructura cuaternaria y de las relaciones entre las cuatro cadenas.

2. La cooperatividad se ve afectada por otros ligandos (efectos heterotrópicos). Así, el protón H+, el CO2 y el 2,3-bisfosfoglicerato acentúan el carácter sigmoide de la curva de disociación, comportándose, pues, como inhibidores alostéricos.

3. El sistema tiene estructura cuaternaria y está formado por cuatro protómeros (las cuatro cadenas). Aun con ser distintas, las subunidades a y b se comportan a estos efectos como si fueran idénticas.

4. El estado T corresponde a la desoxihemoglobina, esto es, a la hemoglobina descargada de oxígeno; el estado R, a la oxihemoglobina, la que tiene una molécula de oxígeno en la sexta posición de coordinación del ion ferroso. A este respecto se debe hacer notar que ligandos distintos del oxígeno (monóxido de carbono CO, ion cianuro CN-), tienen el mismo efecto que el oxígeno. Así, la carbomonoxihemoglobina (hemoglobina con CO fijado al hemo) equivale estructuralmente a la oxihemoglobina. De hecho, el modelo que tenemos en la pantalla izquierda es carbomonoxihemoglobina.

Gracias a los estudios clásicos de Perutz tenemos una idea bastante clara de las transiciones conformacionales en la hemoglobina, entre los estados T y R. De ellos se deduce que en la forma T hay una serie de contactos mucho más estrechos entre las distintas subunidades que en la forma R. Muchos de estos contactos, como veremos, son enlaces de tipo iónico entre grupos laterales de aminoácidos con carga eléctrica. De ahí deriva precisamente el nombre de los estados T (Tenso) y R (Relajado).

Antes de seguir, veremos las distintas subunidades que componen la molécula, diferenciadas según un código de color:

Estado T

a1
b1
a2
b2

Estado R

a1
b1
a2
b2

Volvemos a la representación esquemática, estado R: Y estado T:

A continuación pasamos a ver las diferencias estructurales entre los dos estados, centrándonos en las zonas de contacto entre las distintas subunidades.

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2. El contacto a - a

En el estado T, Las interacciones que se establecen entre las dos subunidades son las siguientes: (a) la cadena lateral de Arg 141 (C-terminal) de una subunidad, con la del residuo Asp 126 de la otra: (b) el grupo carboxilo de Arg 141 con el amino N-terminal de la otra cadena: y (c) las mismas interacciones en los extremos contrarios de las dos cadenas: En visión spacefill,

Por el contrario, en el estado R, estas interacciones no existen o son mucho más débiles: Nótese la distancia a la que aparecen, por ejemplo, los residuos Arg 141 y Asp 126 en este último estado. En visión spacefill,

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3. El contacto a - b

En el estado T, se establecen las siguientes interacciones: (a) Arg 92 de la cadena a con Glu 43 de la cadena b: y (b) Lys 40 de la cadena a con el carboxilo C-terminal de His 146 de la cadena b:

En visión spacefill,

Mientras que en el estado R estas interacciones prácticamente no existen:

En visión spacefill,

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4. El contacto b - b

En el contacto b - b observamos que la distancia entre ambas subunidades es mayor en el estado T:

El compuesto 2,3 bisfosfoglicerato (2,3-BPG) es un inhibidor alostérico y solamente puede fijarse al estado T: a través de interacciones electrostáticas con His 2, Lys 82 e His 143, debido a que en el estado R no hay espacio suficiente para alojar la molécula en la hendidura entre ambas subunidades, lo que se aprecia mejor con la representación spacefill, en el estado T:

En el estado R, la distancia entre subunidades se hace menor y no permite la unión del 2,3-bisfosfoglicerato: lo que se aprecia mejor en la representación spacefill:

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5. Entorno del grupo hemo

El grupo hemo se encuentra en una cavidad hidrofóbica de la molécula, de la que sólo interaccionan con el solvente las dos cadenas laterales de propionato de la protoporfirina IX:

En el estado T:

cambiamos la representación a cartoons:

En el estado R:

Cambiamos a cartoons (Estado R):

Tanto en un estado como en otro, el ion ferroso del grupo hemo se encuentra coordinado a los cuatro nitrógenos de la porfirina y a la histidina 92 (perteneciente a la hélice F) en la cadena b (His 87 en la cadena a); recibe también el nombre de histidina proximal. Una segunda histidina interacciona, aunque más débilmente, con el grupo hemo desde el lado opuesto. Se trata de la histidina 63 (perteneciente a la hélice E) en la cadena b (His 58 en la cadena a). Recibe el nombre de Histidina distal:

Histidina proximal en el estado T:

Histidina distal en el estado T:

Histidina proximal en el estado R:

Histidina distal en el estado R:

En el estado R podemos ver el ligando unido a la sexta posición de coordinación (que en este caso es monóxido de carbono, CO, en lugar de oxígeno molecular, O2, pero para estos efectos es lo mismo):

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