Hemoglobina y Mioglobina

El sistema respiratorio debe proporcionar un suministro continuo de ox�geno a todas las partes del cuerpo. El ox�geno es necesario para el metabolismo en todo el cuerpo y el destino final de su viaje es el proceso de proporcionar energ�a en forma de ATP para todas las partes de los procesos del cuerpo. Como se muestra a continuaci�n, el proceso que comienza en los pulmones utiliza una prote�na de transporte llamada hemoglobina para transportar el ox�geno a los tejidos y tambi�n hace un uso extensivo de otra prote�na, la mioglobina, para el almacenamiento de energ�a. La hemoglobina es transportada por los gl�bulos rojos en la sangre. El ox�geno se transporta a las mitocondrias en las c�lulas donde la cadena de transporte de electrones finalmente coloca el ox�geno en las mol�culas de agua, para ser exhalado.

El ox�geno de los pulmones se difunde hacia los capilares pulmonares y hacia los gl�bulos rojos para unirse a la hemoglobina. Este proceso de difusi�n del intercambio de gases depende de las presiones parciales y la solubilidad en los fluidos y se describe con m�s detalle en la ley de Fick, la ley de Graham y la ley de Henry . Al mismo tiempo que el ox�geno se difunde preferentemente en la sangre, hay una difusi�n neta de CO2 de la sangre a los pulmones, para ser exhalado.

La hemoglobina es una prote�na esencial en el cuerpo, que realiza la mayor parte del transporte de ox�geno en la sangre. La hemoglobina contiene hierro que le da un color rojo y aporta ese color a los gl�bulos rojos y a la sangre misma.

La hemoglobina consta de dos tipos de componentes llamados hemo y globina. La globina es una prote�na de 574 amino�cidos en cuatro cadenas polipept�dicas. Cada una de esas cadenas est� asociada con un grupo hemo. Cada grupo hemo rodea un �tomo de hierro y cada �tomo de hierro puede unirse libremente con un �tomo de ox�geno. Al unirse hasta con cuatro mol�culas de ox�geno, la hemoglobina forma el compuesto llamado oxihemoglobina. La mioglobina consta de una cadena polipept�dica similar a una de las cuatro en la estructura anterior y puede unirse solo a una mol�cula de ox�geno. Es abundante en las c�lulas musculares y act�a como un lugar de almacenamiento de ox�geno al que la c�lula recurre en momentos de bajo suministro de ox�geno.

Cualquier animal de m�s de unos pocos mil�metros de tama�o debe garantizar un suministro constante de ox�geno a las c�lulas de todo su cuerpo y eliminar los productos de desecho como el di�xido de carbono. En todos los vertebrados e incluso en alguna vida microsc�pica, la prote�na de transporte es la hemoglobina. La mayor�a de los animales tambi�n utilizan la mioglobina en el tejido muscular para proporcionar una reserva de ox�geno durante per�odos de alta demanda de ox�geno.

Un �tomo de hierro en el estado FeII forma una porfirina de hierro que proporciona el color rojo vivo a la sangre y los gl�bulos 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 prote�nas para proporcionar el sitio de uni�n al ox�geno.

Los detalles del entorno polipept�dico de la mioglobina y la hemoglobina se unen al ox�geno pero protegen al hierro de la oxidaci�n. Este ambiente exquisitamente equilibrado permite que el ox�geno se una y se libere para que pueda unirse a otro ox�geno. 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 ox�geno, pero el mon�xido de carbono en realidad se une tanto a la hemoglobina como a la mioglobina con una afinidad mucho mayor y esa uni�n no es f�cilmente reversible. Esto hace que el CO sea un potente veneno en el cuerpo.

Cuando se le proporciona un suministro de ox�geno, la mioglobina se unir� al ox�geno r�pidamente incluso a presiones parciales de ox�geno muy bajas. Eso lo hace eficiente como lugar de almacenamiento de ox�geno, pero este tipo de curva de afinidad lo convierte en un pobre proveedor de ox�geno a valores t�picos de presi�n parcial en los tejidos. La afinidad de la hemoglobina comienza baja y aumenta gradualmente hasta una presi�n parcial de suministro de aproximadamente 20 mmHg, pero luego aumenta bruscamente. Este cambio en su comportamiento (un efecto alost�rico) se debe al hecho de que la uni�n de una mol�cula de ox�geno al primero de los cuatro hemos provoca un cambio de configuraci�n en la hemoglobina que le facilita la uni�n del ox�geno a los otros tres hemos. A esto se le llama "enlace cooperativo" y es de enorme importancia en la eficiencia del transporte de ox�geno en los animales.

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

El pH de la sangre est� 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 c�lulas, el pH puede variar en un rango m�s amplio y afecta el proceso de suministro de ox�geno. Si el pH se vuelve m�s bajo (m�s �cido), la curva de afinidad de ox�geno de la hemoglobina se mueve hacia la derecha como se muestra arriba, y exhibe una menor afinidad en el rango de concentraci�n de ox�geno t�pico del interior celular. El metabolismo activo en la c�lula produce CO₂ y H, que act�an para reducir el pH. Esto hace que el ox�geno se libere m�s r�pidamente en un efecto conocido como efecto Bohr, que lleva el nombre de Christian Bohr, quien descubri� este fen�meno.

Un efecto adicional es la uni�n del compuesto 2,3 bisfosfoglicerato (2,3 BPG) que mejora la estabilidad de la desoxihemoglobina y tambi�n tiene el efecto de mover la curva de afinidad hacia la derecha, mejorando la liberaci�n de ox�geno.

El BPG por las cargas superficiales de las prote�nas est� 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 ox�geno de la hemoglobina es la diferencia entre la hemoglobina fetal y la hemoglobina adulta normal. Estas diferencias aumentan la afinidad por el ox�geno de la hemoglobina fetal y permiten que el feto extraiga ox�geno de la hemoglobina normal de la madre en la circulaci�n placentaria. Una de las razones de la mayor afinidad por el ox�geno 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 versi�n para adultos y, por lo tanto, tendr� una mayor afinidad por el ox�geno. Esta diferencia que permite al feto obtener ox�geno de la sangre de la madre se logra reemplazando un par de histidinas (His 143 seg�n Matthews, y otros) en la hemoglobina adulta con un par de serinas en la ubicaci�n 143 (reemplazando 2 de 574 amino�cidos). Wiki sugiere una alanina o una glicina en la posici�n 136.

Tabaquismo y Hemoglobina

Uno de los principales riesgos del tabaquismo para la salud tiene que ver con la uni�n del mon�xido de carbono a la hemoglobina, bloqueando la uni�n del ox�geno y disminuyendo el suministro de ox�geno a los tejidos.

El art�culo al que se hace referencia a continuaci�n sobre el mon�xido de carbono sugiere los siguientes datos sobre el mon�xido de carbono [los datos de estos comentarios no se han verificado cuidadosamente]: "El mon�xido de carbono se une mucho m�s r�pido a la hemoglobina que al ox�geno (aproximadamente 200 veces m�s r�pido)". "El mon�xido de carbono se conecta r�pidamente con los gl�bulos rojos, pero es lento en salir del cuerpo y tarda hasta un d�a en exhalarse a trav�s de los pulmones". "El nivel normal de COHb en el torrente sangu�neo debido a la exposici�n ambiental es menos del 1% . Un fumador de un paquete al d�a puede tener del 3% al 6% de COHb en la sangre. ... En un fumador de tres paquetes al d�a, los niveles de COHb pueden llegar al 20% ".

Medical News Today afirma que el mon�xido de carbono se elimina del cuerpo en 12 horas. Un art�culo del NIH sugiere una vida media de 4,5 horas para el mon�xido de carbono que sale del cuerpo despu�s de fumar.

Los Gl�bulos Rojos de la Sangre

Micrograf�a electr�nica de barrido, cr�dito NIH, Noguchi, Rodgers & Schechter.

Los gl�bulos rojos, formalmente llamados eritrocitos, abundan en el cuerpo y transportan una gran cantidad de mol�culas de hemoglobina para suministrar ox�geno a los procesos corporales. Cada gl�bulo rojo contiene aproximadamente 270 millones de mol�culas de hemoglobina. Tienen un di�metro de 6-8μm. Estas c�lulas carecen de un n�cleo celular y de la mayor�a de los org�nulos de las c�lulas corporales normales, para acomodar el m�ximo 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 c�lulas se desarrollan en la m�dula �sea y circulan por el cuerpo durante 100-120 d�as. Forman un circuito del sistema circulatorio desde los pulmones y regresan en unos 60 segundos. Aproximadamente el 84% de las c�lulas del cuerpo humano son 20-30 billones de gl�bulos rojos. Casi la mitad del volumen de sangre (40% a 45%) son gl�bulos rojos. (Wiki)

Los gl�bulos rojos contienen la enzima anhidrasa carb�nica para ayudar a convertir el CO₂ en H₂CO₃ para el transporte del producto metab�lico CO₂ a los pulmones para su exhalaci�n.

En respuesta a los bajos niveles de ox�geno en la sangre, los ri�ones liberan la hormona eritropoyetina, que viaja en la sangre hasta la m�dula �sea. Aqu�, esta, estimula la producci�n m�s r�pida de gl�bulos rojos que contienen hemoglobina para transportar ox�geno a las c�lulas.

Transporte del Di�xido de Carbono a los Pulmones

Los procesos metab�licos del cuerpo, como las reacciones en el ciclo TCA, liberan di�xido de carbono en los fluidos corporales. Este CO₂ debe ser excretado del cuerpo transport�ndolo a los pulmones para exhalarlo. El metabolismo activo en la c�lula produce CO₂ y reacciona con el agua para formar iones bicarbonato HCO^-₃ e iones hidr�geno H⁺. Como se describi� anteriormente con el efecto Bohr, este proceso reduce el pH de la c�lula y hace que se libere m�s ox�geno. De esta forma, el CO₂ ayuda a aportar el ox�geno necesario para las demandas metab�licas de la c�lula.

En alg�n momento, el exceso de CO₂ debe eliminarse para mantener un equilibrio adecuado en la c�lula. Mientras que aproximadamente el 98,5% del suministro de ox�geno a las c�lulas lo transporta la hemoglobina en comparaci�n con el 1,5% disuelto en la sangre, el transporte de CO₂ es profundamente diferente. El di�xido de carbono como gas es m�s soluble que el ox�geno 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 prote�nas plasm�ticas o ingresa en los gl�bulos rojos para unirse a la hemoglobina para su transporte.

Cuando el di�xido de carbono se une a la hemoglobina, primero forma iones de bicarbonato HCO^-₃ e iones de hidr�geno H⁺ como se describi� anteriormente y luego se une a uno de los grupos amino de la hemoglobina:

La mayor�a de las mol�culas de di�xido de carbono (85%) son transportadas a los pulmones por el sistema tamp�n de bicarbonato. El di�xido de carbono se difunde en los gl�bulos rojos donde la enzima anhidrasa carb�nica (CA) lo convierte r�pidamente en �cido carb�nico (H₂CO₃). El �cido carb�nico es una mol�cula 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 concentraci�n de modo que el CO₂ pueda continuar entrando en las c�lulas de gl�bulos rojos. Esto tambi�n produce iones H⁺, que si se acumulan producir�an cambios peligrosos en el estrictamente regulado pH de la sangre. Aqu� el papel de la hemoglobina en los gl�bulos rojos es unirse a estos iones H⁺, lo que limita su efecto sobre el pH. Los iones de bicarbonato reci�n sintetizados se transportan fuera de los gl�bulos rojos al contenido l�quido 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 gl�bulos rojos a cambio del Cl^-. Los iones H⁺ se disocian de la hemoglobina y se unen al bicarbonato, produciendo el �cido carb�nico intermedio. Este �cido carb�nico se convierte nuevamente en CO₂ por la acci�n de la enzima anhidrasa carb�nica y se difunde en los alv�olos de los pulmones para la exhalaci�n.

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 discusi�n de los cambios de pH de aproximadamente 7,6 a 6,8 dentro de las c�lulas, pero el pH de la sangre en s� est� 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 carb�nica, logra lo que se llama el sistema tamp�n de bicarbonato que utilizamos con cada respiraci�n que tomamos.