Hemoglobina

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Hemoglobina
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La estructura de la hemoglobina humana. Las subunidades "'α"' y "'β"' están en rojo y azul, respectivamente, y los grupos hemo que contienen hierro en verde. Desde AP 1GZX
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La hemoglobina (del otro griego αἷμα "sangre" + lat.  globus "bola") ( Hb o Hgb ) es una proteína compleja que contiene hierro de los animales con circulación sanguínea , capaz de unirse de forma reversible con el oxígeno , asegurando su transferencia a los tejidos. En los vertebrados, se encuentra en los eritrocitos , en la mayoría de los invertebrados se disuelve en el plasma sanguíneo ( eritrocruorina ) y puede estar presente en otros tejidos [1] . El peso molecular de la hemoglobina humana es de aproximadamente 66,8  kDa . Una molécula de hemoglobina puede transportar hasta cuatro moléculas de oxígeno [2] . Un gramo de hemoglobina puede transportar hasta 1,34 ml de oxígeno [3] .

Historia

La hemoglobina apareció hace más de 400 millones de años en el último ancestro común de humanos y tiburones como resultado de 2 mutaciones que llevaron a la formación de un complejo de hemoglobina de cuatro componentes, cuya afinidad por el oxígeno es suficiente para unir oxígeno en un ambiente saturado con pero no lo suficiente como para retenerlo en otros tejidos del cuerpo. [5] [6]

En 1825, Johann Friedrich Engelhart descubrió que la proporción de hierro a proteína es la misma en las hemoglobinas de varias especies [7] [8] . A partir del peso atómico conocido del hierro, calculó el peso molecular de la hemoglobina en n × 16 000 (n = el número de átomos de hierro en la hemoglobina, ahora conocido como 4). Esta "conclusión apresurada" provocó muchas burlas en ese momento por parte de los científicos que no podían creer que una molécula pudiera ser tan grande. Gilbert Smithson Adair confirmó los resultados de Engelhart en 1925 midiendo la presión osmótica de las soluciones de hemoglobina [9] .

Aunque se sabe que la sangre transporta oxígeno desde al menos 1794 [10] [11] , Hünefeld describió la propiedad de transporte de oxígeno de la hemoglobina en 1840 [12] . En 1851, el fisiólogo alemán Otto Funke publicó una serie de artículos en los que describía el crecimiento de cristales de hemoglobina diluyendo sucesivamente eritrocitos con un disolvente como agua pura, alcohol o éter, seguido de una lenta evaporación del disolvente de la proteína resultante. solución [13] [14] . La oxigenación reversible de la hemoglobina fue descrita varios años después por Felix Hoppe-Sailer [15] .

En 1959, Max Ferdinand Perutz determinó la estructura molecular de la hemoglobina mediante cristalografía de rayos X [16] [17] . Este trabajo lo llevó a compartir el Premio Nobel de Química de 1962 con John Kendrew por su investigación sobre las estructuras de las proteínas globulares [18] .

El fisiólogo francés Claude Bernard descubrió el papel de la hemoglobina en la sangre . El nombre hemoglobina proviene de las palabras hemo y globina , lo que refleja el hecho de que cada subunidad de hemoglobina es una proteína globular con un grupo hemo insertado. Cada grupo hemo contiene un átomo de hierro, que puede unirse a una molécula de oxígeno con fuerzas dipolares inducidas por iones. El tipo más común de hemoglobina en los mamíferos contiene cuatro de estas subunidades.

Genética

La hemoglobina está formada por subunidades de proteínas (moléculas de globina), y estas proteínas, a su vez, son cadenas plegadas de un gran número de aminoácidos diferentes denominados polipéptidos. La secuencia de aminoácidos de cualquier polipéptido creado por una célula a su vez está determinada por secciones de ADN llamadas genes. En todas las proteínas, es la secuencia de aminoácidos la que determina las propiedades químicas y la función de la proteína.

Hay más de un gen de hemoglobina: en humanos, la hemoglobina A (la principal forma de hemoglobina presente en adultos) está codificada por los genes HBA1 , HBA2 y HBB.19 Las subunidades de hemoglobina alfa 1 y alfa 2 están codificadas por HBA1 . y genes HBA2 , respectivamente, que se encuentran en el cromosoma 16 y están cerca uno del otro. La subunidad beta de la hemoglobina está codificada por el gen HBB , que se encuentra en el cromosoma 11. Las secuencias de aminoácidos de las proteínas de globina en las hemoglobinas generalmente difieren entre especies. Estas diferencias aumentan con la distancia evolutiva entre especies. Por ejemplo, las secuencias de hemoglobina más comunes en humanos, bonobos y chimpancés son completamente idénticas, incluso sin una sola diferencia de aminoácidos en las cadenas de proteína de globina alfa o beta [20] [21] [22] . Si bien la hemoglobina humana y la del gorila difieren en un aminoácido en las cadenas alfa y beta, estas diferencias aumentan entre especies menos relacionadas.

Incluso dentro de las especies, existe variabilidad en la hemoglobina, aunque una secuencia suele ser "la más común" dentro de cada especie. Las mutaciones en los genes de la proteína de la hemoglobina en una especie dan como resultado variantes de la hemoglobina [23] [24] . Muchas de estas formas mutantes de hemoglobina no causan ninguna enfermedad. Sin embargo, algunas de estas formas mutantes de hemoglobina causan un grupo de enfermedades hereditarias llamadas hemoglobinopatías . La hemoglobinopatía más conocida es la anemia de células falciformes, que fue la primera enfermedad humana cuyo mecanismo se entendió a nivel molecular. Un conjunto (en su mayoría) separado de enfermedades llamadas talasemia implica una producción insuficiente de hemoglobina normal ya veces anormal debido a problemas y mutaciones en la regulación del gen de la globina. Todas estas enfermedades causan anemia [25] .

Las variaciones en las secuencias de aminoácidos de la hemoglobina, como en el caso de otras proteínas, pueden ser adaptativas. Por ejemplo, se ha descubierto que la hemoglobina se adapta de manera diferente a las grandes altitudes. Los organismos que viven a gran altura experimentan una presión parcial de oxígeno más baja en comparación con la del nivel del mar. Esto presenta un problema para los organismos que habitan tales entornos porque la hemoglobina, que normalmente se une al oxígeno a altas presiones parciales de oxígeno, debe ser capaz de unir oxígeno cuando está presente a presiones más bajas. Varios organismos se han adaptado a tal problema. Por ejemplo, estudios recientes han mostrado variantes genéticas en ratones ciervos que ayudan a explicar cómo los ratones ciervos que viven en las montañas pueden sobrevivir en el aire enrarecido que viene con las grandes alturas. Un investigador de la Universidad de Nebraska-Lincoln ha encontrado mutaciones en cuatro genes diferentes que podrían explicar las diferencias entre los ratones ciervos que viven en las praderas de las tierras bajas y los que viven en las montañas. Después de estudiar ratones salvajes capturados tanto en las tierras altas como en las tierras bajas, se encontró que: los genes de las dos razas son "prácticamente idénticos, con la excepción de los que regulan la capacidad de su hemoglobina para transportar oxígeno". “La diferencia genética permite que los ratones de gran altitud usen su oxígeno de manera más eficiente”, ya que hay menos oxígeno disponible en altitudes más altas, como en las montañas [26] . La hemoglobina de los mamuts se distinguía por mutaciones que permitían el suministro de oxígeno a temperaturas más bajas, lo que permitió a los mamuts migrar a latitudes más altas durante el Pleistoceno [27] . También se han encontrado mutaciones en colibríes andinos. Los colibríes ya gastan mucha energía y, por lo tanto, tienen altos requisitos de oxígeno, sin embargo, se ha descubierto que los colibríes andinos prosperan en altitudes elevadas. Mutaciones no sinónimas en el gen de la hemoglobina de varias especies que viven en altitudes elevadas ( Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas y A. viridicuada ) han provocado que la proteína tenga menos afinidad por el hexafosfato de inositol (IHP), una molécula , que se encuentra en las aves, que desempeña el mismo papel que el 2,3-BPG en los seres humanos; esto da como resultado la capacidad de unir oxígeno a presiones parciales más bajas [28] .

Los pulmones de sangre únicos de las aves también promueven el uso eficiente del oxígeno a bajas presiones parciales de O 2 . Estas dos adaptaciones se refuerzan mutuamente y explican las notables características de gran altitud de las aves.

La adaptación de la hemoglobina también se extiende a los humanos. Las mujeres tibetanas con genotipos de alta saturación de oxígeno que viven a una altitud de 4000 metros tienen una mayor supervivencia de la descendencia [29] . La selección natural parece ser la fuerza principal que actúa sobre este gen, porque la mortalidad de los descendientes es significativamente menor en mujeres con mayor afinidad por el oxígeno de la hemoglobina en comparación con la mortalidad de descendientes de mujeres con afinidad por el oxígeno de la hemoglobina baja. Aunque el genotipo exacto y el mecanismo por el cual esto ocurre aún no están claros, la selección afecta la capacidad de estas mujeres para unir oxígeno a presiones parciales bajas, lo que generalmente les permite soportar mejor procesos metabólicos importantes.

Síntesis

La hemoglobina (Hb) se sintetiza en una secuencia compleja de pasos. Parte del grupo hemo se sintetiza en varios pasos en las mitocondrias y el citosol de los eritrocitos inmaduros, mientras que partes de la proteína globina se sintetizan en los ribosomas del citosol [30] . La producción de Hb continúa en la célula a lo largo de su desarrollo temprano desde el proeritroblasto hasta el reticulocito en la médula ósea. En esta etapa, el núcleo se pierde en los glóbulos rojos de los mamíferos, pero no en las aves y muchas otras especies. Incluso después de la pérdida nuclear en los mamíferos, el ARN ribosómico residual proporciona más síntesis de hemoglobina hasta que el reticulocito pierde su ARN poco después de ingresar a la vasculatura (este ARN sintético de hemoglobina en realidad le da al reticulocito su apariencia y nombre reticulados) [31] .

Estructura del hemo

La hemoglobina es una proteína compleja de la clase de las hemoproteínas , es decir, el hemo actúa aquí como un grupo protésico  : un núcleo de porfirina que contiene hierro . La hemoglobina humana es un tetrámero, es decir, consta de 4 protómeros. En un adulto, están representados por cadenas polipeptídicas α 1 , α 2 , β 1 y β 2 . Las subunidades están conectadas entre sí según el principio del tetraedro isológico . La principal contribución a la interacción de las subunidades la realizan las interacciones hidrofóbicas . Tanto las cadenas α como las β pertenecen a la clase estructural de hélice α , ya que contienen exclusivamente hélices α . Cada hebra contiene ocho secciones helicoidales, etiquetadas de la A a la H (N-terminal a C-terminal).

El hemo es un complejo de protoporfirina IX que pertenece a la clase de compuestos de porfirina con un átomo de hierro (II) . Este cofactor está unido de forma no covalente a la cavidad hidrofóbica de las moléculas de hemoglobina y mioglobina.

El hierro (II) se caracteriza por la coordinación octaédrica, es decir, se une a seis ligandos. Cuatro de ellos están representados por átomos de nitrógeno del anillo de porfirina, que se encuentran en el mismo plano. Las otras dos posiciones de coordinación se encuentran en un eje perpendicular al plano de la porfirina. Uno de ellos está ocupado por el nitrógeno del residuo de histidina en la posición 93 de la cadena polipeptídica (sección F). La molécula de oxígeno unida por la hemoglobina se coordina con el hierro desde el reverso y resulta estar encerrada entre el átomo de hierro y el nitrógeno de otro residuo de histidina ubicado en la posición 64 de la cadena (sección E).

En total, hay cuatro sitios de unión de oxígeno en la hemoglobina humana (un hemo para cada subunidad), es decir, cuatro moléculas pueden unirse simultáneamente. La hemoglobina en los pulmones a alta presión parcial de oxígeno se combina con ella, formando oxihemoglobina. En este caso, el oxígeno se combina con el hemo, uniéndose al hierro hemo en el sexto enlace de coordinación. El monóxido de carbono se une al mismo enlace, entrando en una “competencia” con el oxígeno por un enlace con la hemoglobina, formando carboxihemoglobina.

El enlace de la hemoglobina con el monóxido de carbono es más fuerte que con el oxígeno. Por lo tanto, la parte de la hemoglobina que forma un complejo con el monóxido de carbono no participa en el transporte de oxígeno. Normalmente, una persona produce 1,2% de carboxihemoglobina. Un aumento en su nivel es característico de los procesos hemolíticos, en relación con esto, el nivel de carboxihemoglobina es un indicador de hemólisis .

Aunque el dióxido de carbono es transportado por la hemoglobina, no compite con el oxígeno por las posiciones de unión al hierro, sino que se une a los grupos amino de las cadenas proteicas unidas a los grupos hemo.

El ion de hierro puede estar en el estado divalente de Fe 2+ o en el estado trivalente de Fe 3+ , pero la ferrihemoglobina (metahemoglobina) (Fe 3+ ) no puede unirse al oxígeno [32] . Cuando se une, el oxígeno se oxida temporal y reversiblemente (Fe 2+) a ( Fe 3+) , mientras que el oxígeno se convierte temporalmente en un ion superóxido, por lo que el hierro debe estar en el estado de oxidación +2 para poder unir el oxígeno. Si el ion superóxido unido al Fe 3+ se protona, el hierro de la hemoglobina permanecerá oxidado y será incapaz de unirse al oxígeno. En tales casos, la enzima metahemoglobina reductasa podrá eventualmente reactivar la metahemoglobina, restaurando el centro de hierro.

En los humanos adultos, el tipo más común de hemoglobina es un tetrámero (que contiene cuatro subunidades de proteína) llamado hemoglobina A , que consiste en dos subunidades α y dos β unidas de forma no covalente, cada una de las cuales consta de 141 y 146 residuos de aminoácidos, respectivamente. . Esto se denota como α2 β2. Las subunidades son estructuralmente similares y aproximadamente del mismo tamaño. Cada subunidad tiene un peso molecular de aproximadamente 16 000 daltons [33] , con un peso molecular de tetrámero total de aproximadamente 64 000 daltons (64 458 g/mol) [34] Por lo tanto, 1 g/dL = 0,1551 mmol/l. La hemoglobina A es la molécula de hemoglobina más estudiada [35] .

En los bebés humanos, la molécula de hemoglobina consta de 2 cadenas α y 2 cadenas γ. A medida que el niño crece, las cadenas γ se reemplazan gradualmente por cadenas β.

Las cuatro cadenas polipeptídicas están unidas entre sí por puentes salinos, puentes de hidrógeno y un efecto hidrofóbico.

Oxigenación

En general, la hemoglobina puede estar saturada con moléculas de oxígeno (oxihemoglobina) o insaturada con moléculas de oxígeno (desoxihemoglobina) [36] .

Oxihemoglobina

La oxihemoglobina se forma durante la respiración fisiológica cuando el oxígeno se une al componente hemo de la proteína de hemoglobina en los glóbulos rojos. Este proceso ocurre en los capilares pulmonares adyacentes a los alvéolos de los pulmones. Luego, el oxígeno viaja a través del torrente sanguíneo hacia las células, donde se usa como el aceptor final de electrones en la producción de ATP a través del proceso de fosforilación oxidativa. Sin embargo, esto no ayuda a contrarrestar la disminución del pH sanguíneo. La ventilación, o respiración, puede revertir esta condición eliminando el dióxido de carbono, provocando así un cambio en el pH [37] .

La hemoglobina existe en dos formas: una forma estirada (tensada) (T) y una forma relajada (R). Diversos factores, como un pH bajo, CO 2 alto y BPG 2,3 alto a nivel tisular, favorecen una forma tensa que tiene una baja afinidad por el oxígeno y libera oxígeno en los tejidos. Por el contrario, pH alto, CO 2 bajo o BPG bajo 2.3 favorecen una forma relajada que puede unir mejor el oxígeno [38] . La presión parcial del sistema también afecta la afinidad por el O 2 , donde las altas presiones parciales de oxígeno (como las presentes en los alvéolos) favorecen un estado relajado (alta afinidad, R). Por el contrario, las presiones parciales bajas (como las presentes en los tejidos respiratorios) favorecen un estado de estrés (baja afinidad, T) [39] . Además, la unión del oxígeno al hemo de hierro (II) empuja al hierro hacia el plano del anillo de porfirina, lo que provoca un ligero cambio conformacional. El cambio estimula la unión de oxígeno a las tres unidades hemo restantes en la hemoglobina (por lo tanto, la unión de oxígeno es cooperativa).

Hemoglobina desoxigenada

La hemoglobina desoxigenada (desoxihemoglobina) es una forma de hemoglobina sin oxígeno unido. Los espectros de absorción de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina son diferentes. La oxihemoglobina tiene una absorción significativamente menor a 660 nm que la desoxihemoglobina, mientras que a 940 nm su absorción es ligeramente superior. Esta diferencia se usa para medir la cantidad de oxígeno en la sangre del paciente usando un dispositivo llamado oxímetro de pulso. Esta diferencia también explica la manifestación de cianosis, un color púrpura azulado que se desarrolla en los tejidos durante la hipoxia [40] .

La hemoglobina desoxigenada es paramagnética; es atraído débilmente por los campos magnéticos [41] [42] . Por el contrario, la hemoglobina saturada de oxígeno exhibe diamagnetismo, una débil repulsión del campo magnético [42] .

Hemoglobina en sangre humana

El contenido normal de hemoglobina en la sangre humana se considera: en hombres - 130 - 160 g / l (límite inferior - 120 , límite superior - 180 g / l ), ​​en mujeres - 120 - 160 g / l ; en los niños, el nivel normal de hemoglobina depende de la edad y está sujeto a fluctuaciones significativas. Entonces , en los niños de 1 a 3 días después del nacimiento, el nivel normal de hemoglobina es máximo y es de 145 a 225 g / l , y a los 3 a 6 meses disminuye a un nivel mínimo de 95 a 135 g / l , luego de 1 año a 18 años un aumento gradual en el nivel normal de hemoglobina en la sangre [43] .

Durante el embarazo, se produce retención y acumulación de líquidos en el cuerpo de la mujer, que es la causa de la hemodilución, la dilución fisiológica de la sangre. Como resultado, se observa una disminución relativa de la concentración de hemoglobina (durante el embarazo, el nivel de hemoglobina normalmente es de 110 - 155 g/l ). Además, en relación con el crecimiento intrauterino del niño, se produce un rápido consumo de las reservas de hierro y ácido fólico. Si una mujer tenía una deficiencia de estas sustancias antes del embarazo, los problemas asociados con una disminución de la hemoglobina pueden ocurrir ya al principio del embarazo [44] .

Las funciones principales de la hemoglobina son el transporte de oxígeno y la función tampón. En los humanos, en los capilares de los pulmones , en condiciones de exceso de oxígeno, este último se combina con la hemoglobina formando oxihemoglobina . Mediante el flujo sanguíneo, los eritrocitos que contienen moléculas de hemoglobina con oxígeno unido se transportan a los órganos y tejidos donde hay poco oxígeno; aquí, el oxígeno necesario para la ocurrencia de procesos oxidativos se libera del enlace con la hemoglobina. Además, la hemoglobina es capaz de fijar una pequeña cantidad (alrededor de 1/3) de dióxido de carbono (CO 2 ) en los tejidos, formando carbhemoglobina y liberándola en los pulmones (2/3 del dióxido de carbono se transporta en forma disuelta o en el forma de sales por plasma sanguíneo y citoplasma de eritrocitos) [45] .

El monóxido de carbono (CO) se une a la hemoglobina de la sangre mucho más fuerte ( 250 veces [46] ) que el oxígeno, formando carboxihemoglobina (HbCO). Sin embargo, el monóxido de carbono se puede desplazar parcialmente del hemo aumentando la presión parcial de oxígeno en los pulmones. Algunos procesos (por ejemplo, envenenamiento con nitratos , nitritos , anilina , piridina ) conducen a la oxidación del ion de hierro en la hemoglobina a un estado de oxidación de +3. El resultado es una forma de hemoglobina conocida como metahemoglobina (HbOH) ( metHb , de " meta- " y "hemoglobina", también conocido como hemo y globina o ferrihemoglobina , ver metahemoglobinemia ). En ambos casos, los procesos de transporte de oxígeno están bloqueados.

Fisiología

A diferencia de la mioglobina , la hemoglobina tiene una estructura cuaternaria, lo que le confiere la capacidad de regular la adición y eliminación de oxígeno y una cooperatividad característica : tras la unión de la primera molécula de oxígeno, se facilita la unión de las siguientes. La estructura puede estar en dos estados estables (conformaciones): oxihemoglobina (contiene 4 moléculas de oxígeno; conformación tensa) y desoxihemoglobina (no contiene oxígeno; conformación relajada).

El estado estable de la estructura de la desoxihemoglobina complica la adición de oxígeno. Por lo tanto, para iniciar la reacción, es necesaria una presión parcial de oxígeno suficiente, que es posible en los alvéolos de los pulmones. Los cambios en una de las 4 subunidades afectan a las restantes y, una vez que se une la primera molécula de oxígeno, se facilita la unión de las moléculas de oxígeno posteriores. Como consecuencia, la curva de unión de hemoglobina-oxígeno tiene forma sigmoidea o de S , en contraste con la curva hiperbólica normal asociada con la unión no cooperativa.

Habiendo dado oxígeno a los tejidos, la hemoglobina se une a sí misma con iones de hidrógeno y dióxido de carbono , transfiriéndolos a los pulmones [47] .

La hemoglobina es una de las principales proteínas de las que se alimentan los plasmodios palúdicos  , los agentes causantes de la malaria , y en las áreas endémicas de paludismo del mundo, las anomalías hereditarias en la estructura de la hemoglobina son muy comunes, lo que dificulta que los plasmodios palúdicos se alimenten de esta. proteína y penetrar en el eritrocito. En particular, tales mutaciones de importancia evolutiva y adaptativa incluyen una anomalía en la hemoglobina, que conduce a la anemia de células falciformes . Sin embargo, desafortunadamente, estas anomalías (así como las anomalías en la estructura de la hemoglobina que no tienen un valor claramente adaptativo) van acompañadas de una violación de la función de transporte de oxígeno de la hemoglobina, una disminución de la resistencia de los eritrocitos a la destrucción, anemia y otras consecuencias negativas. Las anomalías en la estructura de la hemoglobina se denominan hemoglobinopatías .

La hemoglobina es altamente tóxica cuando una cantidad significativa de los glóbulos rojos ingresa al plasma sanguíneo (lo que ocurre con hemólisis intravascular masiva, shock hemorrágico , anemia hemolítica , transfusión de sangre incompatible y otras condiciones patológicas). La toxicidad de la hemoglobina, que se encuentra fuera de los eritrocitos, en estado libre en el plasma sanguíneo, se manifiesta por hipoxia tisular  , un deterioro en el suministro de oxígeno a los tejidos, una sobrecarga del cuerpo con productos de destrucción de la hemoglobina: hierro, bilirrubina , porfirinas . con el desarrollo de ictericia o porfiria aguda, bloqueo de los túbulos renales por grandes moléculas de hemoglobina con el desarrollo de necrosis de los túbulos renales e insuficiencia renal aguda .

Debido a la alta toxicidad de la hemoglobina libre en el organismo, existen sistemas especiales para su unión y neutralización. En particular, uno de los componentes del sistema de neutralización de la hemoglobina es una haptoglobina de proteína plasmática especial , que se une específicamente a la globina libre y la globina en la hemoglobina. El complejo de haptoglobina y globina (o hemoglobina) luego es capturado por el bazo y los macrófagos del sistema reticuloendotelial tisular y se vuelve inofensivo.

Otra parte del sistema de neutralización de la hemoglobina es la proteína hemopexina , que se une específicamente al hemo libre y al hemo en la hemoglobina. El complejo de hemo (o hemoglobina) y hemopexina luego es captado por el hígado , el hemo se escinde y se usa para la síntesis de bilirrubina y otros pigmentos biliares, o se libera a la circulación en combinación con transferrinas para que la médula ósea lo reutilice . en el proceso de eritropoyesis .

Degradación de la hemoglobina en vertebrados

Cuando los glóbulos rojos llegan al final de su vida útil debido al envejecimiento oa defectos, son eliminados del torrente sanguíneo por la actividad fagocítica de los macrófagos en el bazo o el hígado, o hemolíticos en el torrente sanguíneo. Luego, la hemoglobina libre se elimina de la circulación mediante el transportador de hemoglobina CD163, que se expresa exclusivamente en monocitos o macrófagos. En estas células, la molécula de hemoglobina se descompone y se procesa el hierro. Este proceso también produce una molécula de monóxido de carbono por cada molécula de hemo destruida [48] . La degradación del hemo es la única fuente natural de monóxido de carbono en el cuerpo humano y es responsable de los niveles normales de monóxido de carbono en la sangre de las personas que respiran aire normal [49] .

El otro producto final principal de la descomposición del hemo es la bilirrubina. Se encuentran niveles elevados de este químico en la sangre si los glóbulos rojos se destruyen más rápido de lo normal. Una proteína de hemoglobina descompuesta incorrectamente, o la hemoglobina que se libera demasiado rápido de las células sanguíneas, puede obstruir los vasos sanguíneos pequeños, especialmente los vasos sanguíneos delgados que filtran los riñones, causando daño a los riñones. El hierro se elimina del hemo y se almacena para su uso posterior, se almacena en los tejidos como hemosiderina o ferritina y se transporta en el plasma mediante beta-globulinas como transferrinas. Cuando el anillo de porfirina se descompone, sus fragmentos generalmente se excretan como un pigmento amarillo llamado bilirrubina, que se excreta en los intestinos como bilis. El intestino metaboliza la bilirrubina a urobilinógeno. El urobilinógeno se excreta del cuerpo en las heces como un pigmento llamado estercobilina. La globulina se metaboliza en aminoácidos, que luego se liberan en el torrente sanguíneo.

Hemoglobina en enfermedades de la sangre

La deficiencia de hemoglobina puede ser causada, en primer lugar, por una disminución en el número de moléculas de hemoglobina en sí (ver anemia ), y en segundo lugar, debido a la capacidad reducida de cada molécula para unir oxígeno a la misma presión parcial de oxígeno.

La hipoxemia  es una disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre y debe distinguirse de una deficiencia de hemoglobina. Aunque tanto la hipoxemia como la deficiencia de hemoglobina son causas de hipoxia . Si la deficiencia de oxígeno en el cuerpo generalmente se denomina hipoxia, los trastornos locales del suministro de oxígeno se denominan isquemia .

Otras causas de hemoglobina baja son variadas: pérdida de sangre, deficiencia nutricional, enfermedad de la médula ósea, quimioterapia , insuficiencia renal, hemoglobina atípica.

Un mayor contenido de hemoglobina en la sangre se asocia con un aumento en el número o tamaño de los glóbulos rojos, lo que también se observa en la policitemia vera . Este aumento puede ser causado por: cardiopatías congénitas, fibrosis pulmonar, exceso de eritropoyetina .

Evolución de la hemoglobina en vertebrados

Los científicos están de acuerdo en que el evento que separó la mioglobina de la hemoglobina ocurrió después de que las lampreas se separaran de los vertebrados con mandíbula [51] . Esta separación de la mioglobina y la hemoglobina permitió que surgieran y evolucionaran diferentes funciones de las dos moléculas: la mioglobina se ocupa más de almacenar oxígeno, mientras que la hemoglobina se encarga de transportar oxígeno [52] . Los genes de globina de tipo α y β codifican subunidades proteicas individuales [53] . Los precursores de estos genes surgieron como resultado de la duplicación, también después de que el ancestro común del gnathosoma descendiera de un pez sin mandíbula, hace aproximadamente 450-500 millones de años [51] . Los estudios de reconstrucción ancestral muestran que los genes α y β previos a la duplicación eran ancestrales de un dímero que constaba de subunidades de globina idénticas, que luego evolucionaron para ensamblarse en una arquitectura tetramérica después de la duplicación [54] . El desarrollo de los genes α y β ha creado el potencial para que la hemoglobina se componga de muchas subunidades distintas cuya composición física juega un papel central en la capacidad de la hemoglobina para transportar oxígeno. La presencia de múltiples subunidades contribuye a la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno y regularse alostéricamente [52] [54] . Posteriormente, el gen α también se duplicó con la formación de los genes HBA1 y HBA2 [55] . Estas duplicaciones y divergencias adicionales crearon una amplia gama de genes de globina similares a α y β, que están regulados de tal manera que ciertas formas surgen en diferentes etapas de desarrollo [52] .

La mayoría de los dracos de la familia Channichthyidae han perdido sus genes de hemoglobina como resultado de la adaptación al agua fría [56] .

Autocontrol de hemoglobina durante la práctica deportiva

La hemoglobina se puede monitorear de forma no invasiva para crear un conjunto de datos personalizado que monitorea los efectos de la hemoconcentración y la hemodilución de las actividades diarias para comprender mejor el entrenamiento y el rendimiento atlético. Los atletas a menudo se preocupan por la resistencia y la intensidad del ejercicio. El sensor utiliza LED que emiten luz roja e infrarroja a través del tejido hasta un detector de luz, que luego envía una señal a un procesador para calcular la absorción de luz por parte de la proteína de hemoglobina [57] . Este sensor es similar a un oxímetro de pulso, que consiste en un pequeño dispositivo sensible que se conecta a su dedo.

Análogos de hemoglobina en organismos invertebrados

En los organismos de los reinos animal y vegetal, hay muchas proteínas que transportan y unen oxígeno. Los organismos, incluidas las bacterias, los protozoos y los hongos, tienen proteínas similares a la hemoglobina cuyas funciones conocidas y previstas incluyen la unión reversible de ligandos gaseosos. Debido a que muchas de estas proteínas contienen globinas y un grupo hemo (hierro en una capa de porfirina escamosa), a menudo se denominan hemoglobinas, aunque su estructura terciaria general es muy diferente de la de la hemoglobina de los vertebrados. En particular, la distinción entre "mioglobina" y hemoglobina en animales inferiores a menudo es imposible porque algunos de estos organismos no contienen músculo. O pueden tener un sistema circulatorio separado reconocible, pero no uno que transporte oxígeno (por ejemplo, muchos insectos y otros artrópodos). En todos estos grupos, las moléculas que contienen hemo/globina (incluso globinas monoméricas) que están asociadas con la unión de gases se denominan oxihemoglobinas. Además de transportar y adquirir oxígeno, también pueden lidiar con NO, CO 2 , compuestos de sulfuro e incluso la captación de O 2 en ambientes que deberían ser anaeróbicos [58] . Incluso pueden desintoxicar materiales clorados de una manera similar a las enzimas y peroxidasas P450 que contienen hemo.

La estructura de las hemoglobinas varía en diferentes especies. La hemoglobina se encuentra en todos los reinos de los organismos, pero no en todos los organismos. Las especies primitivas como bacterias, protozoos, algas y plantas a menudo contienen hemoglobinas de globina simple. Muchos gusanos nematodos, moluscos y crustáceos contienen moléculas de elementos múltiples muy grandes, mucho más grandes que las que se encuentran en los vertebrados. En particular, las hemoglobinas quiméricas que se encuentran en hongos y anélidos gigantes pueden contener tanto globina como otros tipos de proteínas [59] .

Uno de los casos y usos más llamativos de la hemoglobina en los organismos es el del gusano tubícola gigante ( Riftia pachyptila , también llamada Vestimentifera), que puede alcanzar los 2,4 metros de longitud y habita en las fumarolas volcánicas oceánicas. En lugar de un tracto digestivo, estos gusanos contienen una población de bacterias que constituye la mitad del peso del cuerpo. Las bacterias oxidan el H 2 S del respiradero con el O 2 del agua para producir energía para cocinar a partir del H 2 O y el CO 2 . El extremo superior de los gusanos es una estructura en forma de abanico de color rojo oscuro ("pluma") que va al agua y absorbe H 2 S y O 2 para las bacterias y CO 2 para usar como materia prima sintética, similar a las plantas fotosintéticas. Las estructuras son de color rojo brillante debido a su contenido de varias hemoglobinas extremadamente complejas, que contienen hasta 144 cadenas de globina, cada una de las cuales incluye estructuras hem asociadas. Estas hemoglobinas se destacan por ser capaces de transportar oxígeno en presencia de sulfuro, e incluso transportar sulfuro sin estar completamente "envenenadas" o suprimidas por él, como las hemoglobinas en la mayoría de las otras especies [60] [61] .

Véase también

Notas

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