Hemoglobina y Mioglobina

El sistema respiratorio debe proporcionar un suministro continuo de oxígeno a todas las partes del cuerpo. El oxígeno es necesario para el metabolismo en todo el cuerpo y el destino final de su viaje es el proceso de proporcionar energía en forma de ATP para todas las partes de los procesos del cuerpo. Como se muestra a continuación, el proceso que comienza en los pulmones utiliza una proteína de transporte llamada hemoglobina para transportar el oxígeno a los tejidos y también hace un uso extensivo de otra proteína, la mioglobina, para el almacenamiento de energía. La hemoglobina es transportada por los glóbulos rojos en la sangre. El oxígeno se transporta a las mitocondrias en las células donde la cadena de transporte de electrones finalmente coloca el oxígeno en las moléculas de agua, para ser exhalado.

El oxígeno de los pulmones se difunde hacia los capilares pulmonares y hacia los glóbulos rojos para unirse a la hemoglobina. Este proceso de difusión del intercambio de gases depende de las presiones parciales y la solubilidad en los fluidos y se describe con más detalle en la ley de Fick, la ley de Graham y la ley de Henry . Al mismo tiempo que el oxígeno se difunde preferentemente en la sangre, hay una difusión neta de CO2 de la sangre a los pulmones, para ser exhalado.

La hemoglobina es una proteína esencial en el cuerpo, que realiza la mayor parte del transporte de oxígeno en la sangre. La hemoglobina contiene hierro que le da un color rojo y aporta ese color a los glóbulos rojos y a la sangre misma.

La hemoglobina consta de dos tipos de componentes llamados hemo y globina. La globina es una proteína de 574 aminoácidos en cuatro cadenas polipeptídicas. Cada una de esas cadenas está asociada con un grupo hemo. Cada grupo hemo rodea un átomo de hierro y cada átomo de hierro puede unirse libremente con un átomo de oxígeno. Al unirse hasta con cuatro moléculas de oxígeno, la hemoglobina forma el compuesto llamado oxihemoglobina. La mioglobina consta de una cadena polipeptídica similar a una de las cuatro en la estructura anterior y puede unirse solo a una molécula de oxígeno. Es abundante en las células musculares y actúa como un lugar de almacenamiento de oxígeno al que la célula recurre en momentos de bajo suministro de oxígeno.

Cualquier animal de más de unos pocos milímetros de tamaño debe garantizar un suministro constante de oxígeno a las células de todo su cuerpo y eliminar los productos de desecho como el dióxido de carbono. En todos los vertebrados e incluso en alguna vida microscópica, la proteína de transporte es la hemoglobina. La mayoría de los animales también utilizan la mioglobina en el tejido muscular para proporcionar una reserva de oxígeno durante períodos de alta demanda de oxígeno.

Un átomo de hierro en el estado FeII forma una porfirina de hierro que proporciona el color rojo vivo a la sangre y los glóbulos rojos. Las plantas usan una porfirina de magnesio en la clorofila que le da a las plantas su color verde. Esta porfirina de hierro se une a las proteínas para proporcionar el sitio de unión al oxígeno.

Los detalles del entorno polipeptídico de la mioglobina y la hemoglobina se unen al oxígeno pero protegen al hierro de la oxidación. Este ambiente exquisitamente equilibrado permite que el oxígeno se una y se libere para que pueda unirse a otro oxígeno. El marco para sostener el hemo incluye dos histidinas que ayudan a estabilizar el hemo en una bolsa de la estructura globular de mioglobina o hemoglobina.

La bolsa de hemo es ideal para el oxígeno, pero el monóxido de carbono en realidad se une tanto a la hemoglobina como a la mioglobina con una afinidad mucho mayor y esa unión no es fácilmente reversible. Esto hace que el CO sea un potente veneno en el cuerpo.

Cuando se le proporciona un suministro de oxígeno, la mioglobina se unirá al oxígeno rápidamente incluso a presiones parciales de oxígeno muy bajas. Eso lo hace eficiente como lugar de almacenamiento de oxígeno, pero este tipo de curva de afinidad lo convierte en un pobre proveedor de oxígeno a valores típicos de presión parcial en los tejidos. La afinidad de la hemoglobina comienza baja y aumenta gradualmente hasta una presión parcial de suministro de aproximadamente 20 mmHg, pero luego aumenta bruscamente. Este cambio en su comportamiento (un efecto alostérico) se debe al hecho de que la unión de una molécula de oxígeno al primero de los cuatro hemos provoca un cambio de configuración en la hemoglobina que le facilita la unión del oxígeno a los otros tres hemos. A esto se le llama "enlace cooperativo" y es de enorme importancia en la eficiencia del transporte de oxígeno en los animales.

La mioglobina en el tejido, especialmente en el tejido muscular, acepta oxígeno de la hemoglobina y lo almacena. Luego puede entregar el oxígeno a las mitocondrias cuando sus necesidades de oxígeno sean lo suficientemente grandes.

El pH de la sangre está cerca del pH neutro de 7,4, normalmente oscila entre 7,35 y 7,45 y debe mantenerse en ese rango. Pero dentro de las células, el pH puede variar en un rango más amplio y afecta el proceso de suministro de oxígeno. Si el pH se vuelve más bajo (más ácido), la curva de afinidad de oxígeno de la hemoglobina se mueve hacia la derecha como se muestra arriba, y exhibe una menor afinidad en el rango de concentración de oxígeno típico del interior celular. El metabolismo activo en la célula produce CO₂ y H, que actúan para reducir el pH. Esto hace que el oxígeno se libere más rápidamente en un efecto conocido como efecto Bohr, que lleva el nombre de Christian Bohr, quien descubrió este fenómeno.

Un efecto adicional es la unión del compuesto 2,3 bisfosfoglicerato (2,3 BPG) que mejora la estabilidad de la desoxihemoglobina y también tiene el efecto de mover la curva de afinidad hacia la derecha, mejorando la liberación de oxígeno.

El BPG por las cargas superficiales de las proteínas está unido en el espacio central entre las cuatro globulinas de desoxihemoglobina. No cabe en este espacio para la oxihemoglobina, por lo que no se une.

Hemoglobina Fetal

Un aspecto notable del sistema de suministro de oxígeno de la hemoglobina es la diferencia entre la hemoglobina fetal y la hemoglobina adulta normal. Estas diferencias aumentan la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina fetal y permiten que el feto extraiga oxígeno de la hemoglobina normal de la madre en la circulación placentaria. Una de las razones de la mayor afinidad por el oxígeno de la hemoglobina fetal es que no se une a 2,3 BPG con tanta fuerza como la hemoglobina adulta de la madre.

La estructura de la hemoglobina fetal difiere de la hemoglobina adulta, que tiene una estructura α₂β₂ al reemplazar un par con cadenas γ para producir una estructura α₂γ₂. Esta hemoglobina fetal tiene una afinidad mucho menor por BPG que la versión para adultos y, por lo tanto, tendrá una mayor afinidad por el oxígeno. Esta diferencia que permite al feto obtener oxígeno de la sangre de la madre se logra reemplazando un par de histidinas (His 143 según Matthews, y otros) en la hemoglobina adulta con un par de serinas en la ubicación 143 (reemplazando 2 de 574 aminoácidos). Wiki sugiere una alanina o una glicina en la posición 136.

Tabaquismo y Hemoglobina

Uno de los principales riesgos del tabaquismo para la salud tiene que ver con la unión del monóxido de carbono a la hemoglobina, bloqueando la unión del oxígeno y disminuyendo el suministro de oxígeno a los tejidos.

El artículo al que se hace referencia a continuación sobre el monóxido de carbono sugiere los siguientes datos sobre el monóxido de carbono [los datos de estos comentarios no se han verificado cuidadosamente]: "El monóxido de carbono se une mucho más rápido a la hemoglobina que al oxígeno (aproximadamente 200 veces más rápido)". "El monóxido de carbono se conecta rápidamente con los glóbulos rojos, pero es lento en salir del cuerpo y tarda hasta un día en exhalarse a través de los pulmones". "El nivel normal de COHb en el torrente sanguíneo debido a la exposición ambiental es menos del 1% . Un fumador de un paquete al día puede tener del 3% al 6% de COHb en la sangre. ... En un fumador de tres paquetes al día, los niveles de COHb pueden llegar al 20% ".

Medical News Today afirma que el monóxido de carbono se elimina del cuerpo en 12 horas. Un artículo del NIH sugiere una vida media de 4,5 horas para el monóxido de carbono que sale del cuerpo después de fumar.

Los Glóbulos Rojos de la Sangre

Micrografía electrónica de barrido, crédito NIH, Noguchi, Rodgers & Schechter.

Los glóbulos rojos, formalmente llamados eritrocitos, abundan en el cuerpo y transportan una gran cantidad de moléculas de hemoglobina para suministrar oxígeno a los procesos corporales. Cada glóbulo rojo contiene aproximadamente 270 millones de moléculas de hemoglobina. Tienen un diámetro de 6-8μm. Estas células carecen de un núcleo celular y de la mayoría de los orgánulos de las células corporales normales, para acomodar el máximo espacio para la hemoglobina. Las membranas celulares son estables, pero muy deformables, de modo que pueden atravesar el sistema circulatorio, incluida la red capilar. Los adultos producen alrededor de 2,4 millones de eritrocitos nuevos cada segundo. Estas células se desarrollan en la médula ósea y circulan por el cuerpo durante 100-120 días. Forman un circuito del sistema circulatorio desde los pulmones y regresan en unos 60 segundos. Aproximadamente el 84% de las células del cuerpo humano son 20-30 billones de glóbulos rojos. Casi la mitad del volumen de sangre (40% a 45%) son glóbulos rojos. (Wiki)

Los glóbulos rojos contienen la enzima anhidrasa carbónica para ayudar a convertir el CO₂ en H₂CO₃ para el transporte del producto metabólico CO₂ a los pulmones para su exhalación.

En respuesta a los bajos niveles de oxígeno en la sangre, los riñones liberan la hormona eritropoyetina, que viaja en la sangre hasta la médula ósea. Aquí, esta, estimula la producción más rápida de glóbulos rojos que contienen hemoglobina para transportar oxígeno a las células.

Transporte del Dióxido de Carbono a los Pulmones

Los procesos metabólicos del cuerpo, como las reacciones en el ciclo TCA, liberan dióxido de carbono en los fluidos corporales. Este CO₂ debe ser excretado del cuerpo transportándolo a los pulmones para exhalarlo. El metabolismo activo en la célula produce CO₂ y reacciona con el agua para formar iones bicarbonato HCO^-₃ e iones hidrógeno H⁺. Como se describió anteriormente con el efecto Bohr, este proceso reduce el pH de la célula y hace que se libere más oxígeno. De esta forma, el CO₂ ayuda a aportar el oxígeno necesario para las demandas metabólicas de la célula.

En algún momento, el exceso de CO₂ debe eliminarse para mantener un equilibrio adecuado en la célula. Mientras que aproximadamente el 98,5% del suministro de oxígeno a las células lo transporta la hemoglobina en comparación con el 1,5% disuelto en la sangre, el transporte de CO₂ es profundamente diferente. El dióxido de carbono como gas es más soluble que el oxígeno en la sangre, y aproximadamente del 5 al 7% se disuelve en la sangre para ser transportado a los pulmones. Aproximadamente el 10% del CO₂ se une a las proteínas plasmáticas o ingresa en los glóbulos rojos para unirse a la hemoglobina para su transporte.

Cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina, primero forma iones de bicarbonato HCO^-₃ e iones de hidrógeno H⁺ como se describió anteriormente y luego se une a uno de los grupos amino de la hemoglobina:

La mayoría de las moléculas de dióxido de carbono (85%) son transportadas a los pulmones por el sistema tampón de bicarbonato. El dióxido de carbono se difunde en los glóbulos rojos donde la enzima anhidrasa carbónica (CA) lo convierte rápidamente en ácido carbónico (H₂CO₃). El ácido carbónico es una molécula intermedia inestable que se disocia inmediatamente en iones bicarbonato. Este es un camino empinado favorable desde el CO₂ hasta el HCO^-₃, hacia abajo de su gradiente de concentración de modo que el CO₂ pueda continuar entrando en las células de glóbulos rojos. Esto también produce iones H⁺, que si se acumulan producirían cambios peligrosos en el estrictamente regulado pH de la sangre. Aquí el papel de la hemoglobina en los glóbulos rojos es unirse a estos iones H⁺, lo que limita su efecto sobre el pH. Los iones de bicarbonato recién sintetizados se transportan fuera de los glóbulos rojos al contenido líquido de la sangre a cambio de un ion cloruro Cl^-. (Esto se llama desplazamiento de cloruro). Cuando la sangre llega a los pulmones, el bicarbonato se transporta de regreso al interior de los glóbulos rojos a cambio del Cl^-. Los iones H⁺ se disocian de la hemoglobina y se unen al bicarbonato, produciendo el ácido carbónico intermedio. Este ácido carbónico se convierte nuevamente en CO₂ por la acción de la enzima anhidrasa carbónica y se difunde en los alvéolos de los pulmones para la exhalación.

El notable logro de esta cadena de eventos es transportar grandes cantidades de CO₂ desde el metabolismo celular donde se liberan, a los pulmones donde se exhalan con muy pocos cambios en el pH de la sangre. Tenga en cuenta que en el estudio del efecto Bohr hay una discusión de los cambios de pH de aproximadamente 7,6 a 6,8 dentro de las células, pero el pH de la sangre en sí está limitado en un rango de aproximadamente 7,35 a 7,45 con consecuencias graves a fatales para las excursiones fuera de ese rango. Esta enzima clave, la anhidrasa carbónica, logra lo que se llama el sistema tampón de bicarbonato que utilizamos con cada respiración que tomamos.