Tutorial:How do we get the oxygen we breathe (Spanish)

Cuando respiramos, el oxígeno del aire es capturado por la sangre en los pulmones y distribuido a cada una de las células de nuestro organismo a través del sistema circulatorio. Entre otros usos, nuestras células utilizan el oxígeno como el aceptor final de electrones en un proceso denominado respiración aeróbica – proceso que transforma la energía procedente de los alimentos y nutrientes en una forma de energía que la célula puede utilizar (moléculas de ATP, adenosina trifosfato). Las células de organismos superiores como los humanos usan la respiración aeróbica porque es una forma muy eficiente de producir energía, y el oxígeno es abundante. (PIENSE: ¿Usan los peces la respiración aeróbica?) Sin embargo, aunque el oxígeno es transportado por la sangre para alcanzar cada una de las células de nuestro organismo, el oxígeno no se disuelve bien en la sangre. Entonces ¿cómo se transporta el oxígeno en la sangre?

Hemoglobina, el taxi de oxígeno

Una proteína denominada (Hb), mostrada a la derecha, es la respuesta al reto del transporte de oxígeno en la sangre. El elevado número de moléculas de hemoglobina en nuestra sangre sirven como “taxis” para las moléculas de oxígeno: las moléculas de oxígeno se unen a las moléculas de hemoglobina en áreas donde hay mucho oxígeno, tales como los pulmones, y cuando llegan a áreas pobres en oxígeno, tales como células alejadas de los pulmones, se disocian de la hemoglobina. De esta forma la hemoglobina en nuestra sangre cede oxígeno a cada célula de nuestro cuerpo. La hemoglobina necesita unirse fuertemente al oxígeno en la atmósfera rica en oxígeno presente en los pulmones y ser capaz de liberar el oxígeno rápidamente en el ambiente relativamente pobre en oxígeno de los tejidos. Ello se hace de una forma totalmente coordinada. La historia de la hemoglobina es un prototipo de ejemplo de la relación entre estructura y función de una proteína.

Estructura de la hemoglobina

La hemoglobina es un tetrámero

En la estructura tridimensional de la hemoglobin que se muestra a la derecha, se ven dos y dos . (Arrastre la estructura de la hemoglobin con el ratón para girarla. Para acercarla o alejarla use la rueda del cursor, arrastrelo mientras lo mantiene apretado). Estos son los de la molécula de hemoglobina, y se muestran en una representación animada dónde una simple línea curva conecta los carbonos-α de los aminoácidos de cada cadena y las hélices-α de la estructura secundaria se muestran como simples hélices animadas. Debido a aque la hemoglobina se compone de cuatro monómeros, se la denomina un . Los dos tipos de monómeros que forman el tetrámero de la hemoglobina se distinguen por su color: los dos monómeros-α en azul claro y los dos monómeros-β en verde claro. Cada monómero-α contiene una cadena de 141 aminoácidos y cada monómero-β contiene una cadena de 146 aminoácidos. Hay que tener cuidado en no confundirse con el contexto en el que se usa la etiqueta "α", o "alfa": recuerde que ambos monómeros α- y β- contienen carbonos- α and hélices-α. (PIENSE:¿Cuántos aminoácidos se necesitan para formar una molécula de hemoglobina?)

Cada monómero contiene un grupo hemo

Observe que cada monómero, cualquiera α o β, tiene una asociada que está representada por pequeñas esferas multicoloreadas que se solapan. Estas moléculas se denominan , y se encuentran en las zonas de unión del oxígeno a la hemoglobina, como se verá enseguida. ¿Representan los colores de las esferas el verdadero color del grupo hemo?. No, no lo representan. Recuerde que lo que se busca es la representación de una estructura real, y en este caso hemos coloreado artificialmente cada átomo del hemo de acuerdo con un esquema común de colores denominado esquema de Corey-Pauling-Koltun scheme ( C H O N S Fe ). Recuerde también que aunque no podemos cambiar las posiciones de los átomos en nuestra estructura proteica determinada experimentalmente, si podemos elegir diferentes formas de mostrarla, color, and conectar los átomos para conseguir una mejor comprensión y expresar la elegancia de la estructura del complejo en 3D. Previamente, se han representado los átomos del grupo hemo como esferaas individuals en lo que se denomina una , pero podríamos representar simplemente los átomos como esferas muy pequeñas con finas líneas conectando los átomos vinculados en lo que se denomina una . Dese cuenta que las posiciones e identidades de los átomos no cambian. (PIENSE: Previamente aprendimos que los monómeros α y β se han mostrado en la representación de dibujos. ¿Porqué no se pueden mostrar los grupos hemo en la representación de dibujos?)

Capturando oxígeno

La hemoglobin captura oxígeno y lo transporta por la sangre unido a cada uno de sus . Estos son grupos prostéticos, es decir, son componentes químicos de naturaleza no proteica que están asociados a la hemoglobina y son necesarios para su función. Cada grupo hemo está formado por un Carbon, Nitrogen, Oxygen and hydrogen, with a single Fe²⁺ átomo de hierro en su estado ferroso (Fe²⁺) en el centro, coordinado por los cuatro nitrógenos que lo rodean. Cada grupo hemo es irregularmente , y es sostenido dentro del monómero por interacciones hidrofóbicas y un enlace covalente entre el ión de hierro y un átomo de nitrógeno de la cadena lateral perteneciente a la denominada . Otra histidina, denominada , ayuda en la unión al oxígeno previniendo la oxidación del átomo de hierro (lo cual evitaría que se uniera el oxígeno) y evitando la unión de otras moléculas.

Cuando el oxígeno es abundante, una en el grupo hemo. (PIENSE: :¿Existen otros cambios además de la union del oxígeno al ión de hierro? ¿porqué podría haber otros cambios?) Nosotros podemos observer la union del oxígeno en el (coloreado con los colores del arcoiris desde el N terminal del monómero hasta su C terminal) o en una del grupo hemo.

Cuando el oxígeno se une al grupo hemo, se observa un cambio conformacional en el monómero de la hemoglobina que contiene el grupo hemo que ha unido el oxígeno – en otras palabras, cuando se une el oxígeno, el monómero cambia de forma. La diferencia en la conformación entre el monómero oxigenado y el desoxigenado es crucial para la función de la hemoglobina. Recuerde que la hemoglobina no existe como un monómero, sino como un tetrámero. Como resultado, cuando un monómero de una molécula de hemoglobina desoxigenada une oxígeno, la conformación de dicho monómero cambia los enlaces y fuerza un cambio similar de conformación en los restantes tres monómeros, haciendo que adopten una confoemación más favorable para la unión del oxígeno. Dicho de otra forma, en cuanto un monómero del tetrámero de la molécula de hemoglobina une oxígeno, los otros tres monómeros pueden unir oxígeno con más facilidad que antes. Este mecanismo de facilitar la unión del oxígeno a través de la propagación del cambio conformacional de los monómeros se denomina unión cooperativa.

El monóxido de carbono también se une al grupo hemo

Aqui es donde las leyes de la química nos presentan un interesante problema: el grupo hemo tiene la capacidad química y estructural para capturar una , sin embargo ocurre que una molécula de oxígeno(O₂) es similar en forma y composición química a una molécula de (CO). El resultado es que el monóxido de carbono puede también unirse a el hierro en los grupos hemo de la hemoglobina, aunque la histidina distal ayuda a evitarlo. De hecho, el monóxido de carbono se une al grupo hemo con unas 230 veces mayor afinidad que el oxígeno, lo que significa que si ambos gases están disponibles, el monóxido de carbono ocupará los sitios de unión al oxígeno. (PIENSE: a menudo se instalan los detectores de monóxido de carbono en los hogares para alertarnos de altas concentraciones de este gas. ¿Porqué podría el monóxido de carbono suponer un peligro para los humanos?)

Mutated hemoglobin causes sickle-cell disease

A mutation in the gene coding for hemoglobin causes a disease called sickle-cell anemia. The results in red blood cells with a diseased, sickle shape instead of a healthy, disk shape. These sickle cells can block blood vessels due to their abnormal shape and cause damage to tissue and organs. (OBSERVE: Does the mutated hemoglobin look different than normal hemoglobin?)

, shown here in spacefilling representation, differs from normal hemoglobin at a single amino acid. In the mutant, the amino acid valine takes the place of glutamate as the sixth amino acid in the beta monomer chain. Glutamate, a hydrophilic amino acid, is replaced by valine, a hydrophobic amino acid, at a location on the surface of the protein, and this creates a . There is near the heme binding pocket in the beta-monomer that is present in both normal and sickle-cell deoxygenated hemoglobin. (OBSERVE: Can you find the two hydrophobic spots on the two beta-monomers in sickle-cell hemoglobin?) This second hydrophobic spot sticks to the first hydrophobic spot, present only in the mutant, causing the hemoglobin molecules to into long fibers. We show just two hemoglobin molecules stuck together, but this fiber can extend to include a large number of hemoglobin molecules in a long fiber. A shows us the valine from the first, mutant, hydrophobic spot in hydrophobic interaction with the alanine and leucine from the second hydrophobic spot. (THINK: Why might these hemoglobin fibers cause sickle-cell red blood cell shape?)