bq proteinas transporte oxigeno (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 06/11/2014
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Tema 4. Función y evolución de proteínas transportadoras de oxigeno Para poder comprender la función de las proteínas transportadoras de oxigeno tenemos que definir primero el concepto de ligando. Un ligando es una molécula que se une reversiblemente a una proteína y en un lugar específico de esta. El unión del ligando provoca un cambio conformacional de la proteína que afecta a su unión. La mioglobina es la proteína encargada del almacenamiento de oxigeno mientras que la hemoglobina lo transporta. Ambas proteínas son ejemplos de unión ligando-proteína y son indispensables para la transición de la vida anaeróbica a la aeróbica.
GRUPO HEMO El oxígeno se une a un grupo prostético no proteico llamado Hemo. El grupo Hemo está formado por un conjunto de anillos pirrol unidos entre sí por un metileno. Al final tenemos un grupo de cuatro anillos pirroles, por lo que también suele llamarse anillo tetrapirrólico o porfirina, donde en el medio hay un átomo de hierro unido al tetra-anillo mediante el átomo de N. El grupo hemo es una estructura plana. Tiene propiedades apolares, aunque también tiene cargas negativas, por lo que tiene también un extremo polar. Es por tanto insoluble en agua, por lo que evita el contacto con la misma. Por ello el grupo hemo se localiza entre las estructuras terciarias de las cadenas polipeptídicas y se sitúa en un bolsillo hidrofóbico. La parte polar queda hacia el exterior. Se forman unas ochenta uniones hidrofóbicas entre el grupo hemo y la estructura terciaria de las cadenas polipeptídicas. Son esos enlaces los que mantienen el grupo hemo en su sitio.
En la parte central del grupo hemo se encuentra el átomo de hierro, metal de transición que puede formar hasta seis enlaces. Forma cuatro enlaces con el anillo de porfirina; el quinto es un enlace coordinado con el nitrógeno de una histidina, siendo este enlace perpendicular hacia arriba, y otro enlace con el oxígeno, siendo éste perpendicular hacia abajo. Este último enlace tiene que ser débil, ya que la hemoglobina es un transportador de oxígeno que tiene que captar y liberar el oxígeno fácilmente.
El anillo tetrapirrol está colocado en el interior de la mioglobina y hemoglobina en la hendidura hidrofóbica de estas, quedando así el extremo polar cubierto. Si no fuese así y el hierro pudiese unirse a agua se oxidaría y quedaría con valencia 3, por lo que ya no podría formar enlace con el oxígeno. El grupo hemo lo encontramos también en el citocromo-c, pero en este caso el hierro no une oxígeno, une tan solo electrones.
Mioglobina La mioglobina almacena oxígeno y se encuentra principalmente en el tejido muscular. Los mamíferos acuáticos son capaces de almacenar mucho oxígeno para poder sumergirse durante largo tiempo en el agua, por eso tienen mucho musculo, que es donde se almacena la mioglobina. La mioglobina es una cadena polipeptídica sencilla de 153 residuos aminoácido (PM 17.000 daltons). 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). La mioglobina también tiene que ser capaz de liberar oxigeno cuando se necesita. Puesto que la mioglobina puede estar unida o no a oxígeno, puede establecerse una ecuación del tipo 𝑀𝑏 + 𝑂2 ↔ 𝑀𝑏𝑂2 Es una unión reversible y por eso tiene asociada una constante de asociación: [𝑀𝑏𝑂2] 𝐾𝑎 = [𝑀𝑏] ∙ [𝑂2] Si llamamos Z a la proporción de lugares ocupados por ligando y representamos la curva de asociación en función de la concentración de ligando, el punto en el que la mitad de los lugares estén ocupados por ligando se llamara Kd o constante de disociación. La grafica es igual a la de la cinética enzimática, pero no se puede confundir la mioglobina con una encima, ya que esta no desencadena una reacción y la potencia, tan solo transporta oxígeno. Cuanta más pequeña sea Kd mas afinidad tendrá la mioglobina por el oxígeno porque significa que se han ocupado rápidamente la mitad de los lugares de unión.
Teniendo en cuenta que el oxígeno es un gas, podemos también representar una gráfica en función de la presión que ejerce. P50 representa la presión parcial en el que la mitad de los lugares de unión están ocupados por oxígeno. A concentraciones de oxigeno muy bajas en el cuerpo, la mioglobina se satura porque es muy afín al oxígeno y tiende a captar más oxígeno que otras moléculas.
La unión del oxígeno con la mioglobina provoca un cambio conformacional que hace que se mantenga unido. El hierro se une covalentemente a la histidina próximal, que se sitúa por debajo en el plano. El otro enlace libre del hierro se une a la molécula de oxígeno. Todo el grupo tetrapirrólico está rodeado de aminoácidos hidrofóbicos, es importante porque solo puede unir oxigeno cuando está en Fe2+ (en Fe+3 no puede). Si estuviese en contacto con el agua, el hierro se podría oxidar (dar electrones, se queda con +3) y ya no fijaría oxigeno. El enlace del hierro con oxígeno no es recto porque hay una histidina distal (por arriba en el plano) que impide que quede recto (estérico) mediante un puente de hidrogeno. El grupo hemo no solo une oxígeno, también une CO.
El grupo hemo tiene más afinidad por el monóxido de carbono que por el oxígeno. Ni el oxigeno ni el CO caben rectos en el grupo hemo, por eso disminuye la afinidad de ambos. Al estar inclinados los puentes por acción de la histidina distal, la afinidad del CO disminuye de 25.000 veces a 200, es decir, la diferencia de afinidad se reduce a 200 unidades, por lo que la preferencia de unión entre el CO o el O2 está más equilibrada que si estuviese recto.
La mioglobina puede estar en varias formas dependiendo de si está unida a oxigeno o no, y en cada situación estará de un color diferente. Puesto que la mioglobina está presente en los músculos, podemos observar el cambio de fases en un trozo de carne que ha sido recién cortado y que se deja un tiempo al aire.
   deoximioglobina: se trata de mioglobina reducida, es decir, mioglobina con poco oxígeno. El átomo de hierro está en estado de oxidación (2+). Cuando la mioglobina se encuentra en este estado el color de la carne es rojo púrpura, como ocurre por ejemplo en el interior de los músculos después del sacrificio del animal o en el interior de un gran trozo de carne.
oximioglobina: se trata de mioglobina rica en oxígeno, que le da a la carne ese atractivo color rojo vivo (el átomo de hierro sigue estando en estado de oxidación [2+]).
metamioglobina: se trata de mioglobina oxidada, es decir, que ha estado en contacto con oxígeno durante un tiempo prolongado. El átomo de hierro está en estado de oxidación (3+).
Es la que le da a la carne el color pardo.
Origen común de la hemoglobina y mioglobina Si equiparamos las dos secuencias podemos ver en color azul los aminoácidos que son comunes en las cadenas α y β (subunidades de la hemoglobina) y en lila los que son iguales entre los tres. La secuencia de aminoácidos es muy similar, se cree que a mioglobina y la hemoglobina evolucionaron a partir de un único gen. Se cree que es en el exón 2 donde están los aminoácidos que formaran la hendidura hidrofóbica que es la que contendrá el grupo hemo.
Hemoglobina La hemoglobina es una proteína globular de estructura cuaternaria formada por cuatro cadenas (la mioglobina no adopta estructura cuaternaria porque no está formada por subunidades). Las subunidades β no interaccionan entre ellas al igual que ocurre entre las α, solo encontramos uniones de α-β. Lo que hemos explicado para la mioglobina se puede extrapolar a las subunidades de hemoglobina.
En una concentración baja de oxigeno los lugares de unión de la mioglobina quedan rápidamente saturados, hay mucha afinidad; mientras que la hemoglobina necesita una mayor cantidad de oxígeno para saturarse, en parte porque tiene cuatro grupos hemo, uno en cada subunidad. A poca presión parcial de oxigeno (P50) la hemoglobina tiene menos afinidad por el oxigeno. Se cree que es debido a que se trata de una situación intermediaria entre un estado de alta afinidad y otro de baja, ya que la unión de las cuatro subunidades de la hemoglobina hace que sea un efecto cooperativo. Cuando hay poca P50 cuesta mucho unir el primer O, pero una vez esto ocurre, las otras tres hemos unen con más facilidad el oxígeno.
Estados conformacionales de la Hemoglobina La hemoglobina es una proteína alostérica, es decir, puede unir más de un ligando, en este caso, une CO2 y protones a la vez en lugares de unión diferentes. Gracias a esta característica la hemoglobina puede transportar el oxígeno a los tejidos y recoger el CO2 producido.
Los estados de baja y alta actividad se definen por dos conformaciones diferentes. El estado de baja afinidad, T o estado de tensión la histidina está expuesta hacia fuera en el tetrámero y hay mucho espacio hidrofóbico. Hay poca afinidad por el oxígeno. En este estado el anillo de protoprofilina no es exactamente plano, ya que la histidina tira del grupo hemo, haciendo que se arquee ligeramente hacia arriba. La unión de oxigeno ejerce de contrapeso y provoca que el grupo hemo se ponga recto. Este cambio de ángulo causa una serie de cambios en la conformación de la proteína que provoca el cambio conformacional de las otras 3 subunidades. Al ponerse los otros grupos tetrapirrolicos rectos el oxígeno puede unirse fácilmente, por eso hablamos de un efecto cooperativo donde la unión de oxígeno a una subunidad favorece la unión en otras subunidades. En el momento que se une el oxígeno hablamos de un estado de alta afinidad o relajado (R), donde la histidina se sitúa dentro del tetrámero y por eso el espacio hidrofóbico disminuye. Es por eso que la unión de oxigeno favorece la estabilidad, ya que una proteína con zonas hidrofóbicas expuestas tiende a ser inestable.
Modelos de cooperación para la unión de oxígeno a hemoglobina Modelo concentrado o simétrico: las 4 moléculas están en estado tenso, y la unión de un oxigeno hace que todas las subunidades pasen a relajado, aunque esto es desfavorable porque Kt está desplazada al estado tenso. Una vez el oxígeno se ha unido a las cuatro subunidades, pasan en conjunto al estado relajado, y a partir de ahí se va perdiendo oxigeno poco a poco, aunque para volver a pasar al estado tenso tienen que estar todas vacías. Este modelo se basa en la Ley de Chatelier: cuando añadimos un primer oxigeno el equilibrio se desplaza a la izquierda para mantener el equilibrio.
Modelo Secuenciado: las cuatro están tensas, aunque la unión de la primera con el oxígeno provoca que la siguiente pase a estado relajado, facilitando su unión al oxígeno. Es la más aceptada por el hecho explicado anteriormente.
Ventajas de la cooperatividad de la hemoglobina para el transporte de O2.
La curva de saturación de la mioglobina es hipertónica ya que cubre muy rápidamente todos los lugares de unión para el oxígeno, se satura fácilmente. La hemoglobina tiene una curva sigmoidal ya que en principio no presenta tanta afinidad. La presión parcial del Oxigeno es muy elevada en los pulmones (hay mucha concentración). En cambio, en los tejidos, la presión parcial del oxígeno es muy baja. En el caso de la hemoglobina, su afinidad por el oxígeno es muy baja en los tejidos porque el oxígeno que ahí se encuentra solo cubre el 30% de los lugares de unión. Puesto que la afinidad de la mioglobina que se encuentra en los tejidos es muy alta (necesita poco oxígeno para saturarse) se favorece la liberación del oxígeno contenido en la hemoglobina para que pueda ser captado por la mioglobina. Sin embargo, la presión elevada de los oxígenos hace que la hemoglobina capte mucho oxígeno para que pueda transportarlo.
En total, la diferencia de afinidad de la mioglobina entre tejidos y pulmones es de tan solo el 7%, mientras que para la hemoglobina es del 66%, siendo muy baja en los tejidos. Si no existiese la cooperatividad entre las subunidades de la hemoglobina la diferencia de afinidad seria de tan solo el 38%, reduciendo la efectividad de transporte de oxigeno (no se descargaría tan fácilmente en los músculos).
Un ejemplo claro es la práctica de deporte. Cuando corremos necesitamos quemar oxígeno, por eso disminuye su concentración en los tejidos. P50 se hace aún menor en los tejidos, por eso la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno en los tejidos disminuye todavía más, favoreciendo su liberación. Si no es necesaria la liberación de oxigeno no se produce.
La hemoglobina, además de unir oxígenos, puede unir dióxido de carbono y protones (la mioglobina une monóxido de carbono). Se ha visto que la afinidad de la hemoglobina disminuye cuando aumenta la concentración de protones (baja el pH). En las células se consume oxígeno y aumenta la concentración de CO2 y protones. En el caso de la hemoglobina esto provoca que en los tejidos se una fácilmente a CO2 y a protones, contribuyendo a que “suelte” el oxígeno.
En la gráfica siguiente podemos ver como la curva lila se ha desplazado todavía más hacia la derechas, por lo que necesitaremos todavía más P50 de oxigeno si queremos que se una a la hemoglobina, es decir, la presencia de CO2 provoca que disminuya la afinidad por el oxígeno. Además podemos observar que a medida que disminuye el pH la afinidad también baja, ya que necesitaremos una mayor cantidad de oxígeno para llegar al estado de saturación. Tanto el CO2 como los protones son reguladores alostericos ya que su unión hace disminuir la afinidad por el oxígeno. En un ambiente muy contaminado entra mucho CO2 en los pulmones y poco oxígeno, por lo que la hemoglobina tiende a captar CO2 y no oxígeno.
Las histidinas pueden ceder protones a pH fisiológico (7,7) y es precisamente aquí donde se une el protón, porque el pH es menor y esta deshidrogenada. El hecho de que el protón se una a la histidina HC3 en estado relajado hace que la hemoglobina pase a estar en estado tenso. Cuando esto ocurre el oxígeno se libera porque ya no tiene la misma afinidad.
El fenómeno que provoca el CO2 y el pH es lo que se conoce como efecto Bohr. La unión del CO2 en los extremos amino terminales de las cadenas de globina favorece el paso de estado relajado a estado tenso. Este efecto se suma al que provoca la unión de protones. De esta manera se convierten en moduladores negativos de la hemoglobina. Los moduladores que son diferentes del ligando se llaman heterotropicos, mientras que si el modulador es el mismo que el ligando se llama homotropico. En nuestro caso estamos hablando de moduladores heterotropicos.
Efecto del 2,3 –Difosfoglicerato Existe otro modulador alostérico importante para entender cómo funciona la unión del oxígeno, el 2,3difosfoglicerato. Este se coloca en medio de las cuatro cadenas de globina y disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, ya que estabiliza la conformación T. La unión se hace a través de interacciones iónicas. A medida que aumenta la altura disminuye la concentración de oxígeno, y por tanto se necesita que la curva sigmoidal sea más pronunciada (que las concentraciones entre el oxígeno de los pulmones y los tejidos sea suficientemente diferente como para que la hemoglobina actué de manera normal) Hemoglobina fetal Debido a la actividad en la expresión de los genes de globina durante el desarrollo fetal y en la vida adulta, la composición de los tetrámeros de hemoglobina es obviamente distinta. La hemoglobina fetal se identifica como HbF e incluye tanto α2Gγ2 como α2Aγ2. La hemoglobina fetal tiene una afinidad levemente mayor por el oxígeno que la hemoglobina del adulto. Esto permite que el feto extraiga el oxígeno más eficientemente de la circulación materna.
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