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?

La 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 zonas donde hay mucho oxígeno, tales como los pulmones, y cuando llegan a zonas 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 hemoglobina con el ratón para girarla. Para acercarla o alejarla use la rueda del ratón, o arrástrelo en vertical mientras lo mantiene apretado). Estos son los de la molécula de hemoglobina, y se muestran en una representación animada donde 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 que 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 aquí por su color: los dos en azul claro y los dos en verde claro. Cada monómero α es una cadena de 141 aminoácidos y cada monómero β es 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 y hélices α. (PIENSE:¿Cuántos aminoácidos se necesitan para formar una molécula de hemoglobina?).

Cada monómero contiene un grupo hemo

Observe que cada monómero, sea 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 ( C H O N S Fe ). Recuerde también que aunque no podemos cambiar las posiciones de los átomos en nuestra estructura proteica determinada experimentalmente, sí podemos elegir diferentes formas de mostrarla, como por ejemplo el color, y conectar los átomos para conseguir una mejor comprensión, expresando así la elegancia de la estructura del complejo en 3D. Previamente, se han representado los átomos del grupo hemo en lo que se denomina una , pero podríamos representar simplemente los átomos como esferas muy pequeñas con finas líneas conectando los átomos enlazados en lo que se denomina una . Dése 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 esquemática (o de cintas). ¿Por qué no se pueden mostrar los grupos hemo en la representación esquemática?)

Capturando oxígeno

La hemoglobina 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 Carbono, Nitrógeno, Oxígeno e hidrógeno con un 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 está sostenido dentro del monómero por interacciones hidrófobas y un enlace covalente entre el átomo de hierro y un átomo de nitrógeno de la cadena lateral perteneciente a la denominada . Otra histidina, denominada , ayuda a unir el oxígeno evitando la oxidación del átomo de hierro (lo cual impediría la unión del oxígeno) y evitando la unión de otras moléculas.

Cuando el oxígeno es abundante, una del grupo hemo. (PIENSE: :¿Existen otros cambios además de la unión del oxígeno al átomo de hierro? ¿Por qué podría haber otros cambios?). Podemos observar la unión del oxígeno en el (coloreado con los colores del arco iris desde el N terminal del monómero hasta su C terminal), o en una del grupo hemo.

Pulse para iniciar o detener la animación.

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 conformación 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 para 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 al hierro de 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 afinidad 230 veces mayor que la del 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. ¿Por qué podría el monóxido de carbono suponer un peligro para los humanos?).

La hemoglobina mutada causa la enfermedad de la anemia falciforme

Una mutación en el gen que codifica la hemoglobina causa una enfermedad llamada anemia de células falciformes. La hace que las células rojas adopten una forma de hoz en lugar de su forma de disco típica de las células sanas. Estas células con forma de hoz pueden bloquear los vasos sanguíneos debido a su forma anormal causando un daño a los órganos y tejidos. (OBSERVE: ¿Se distingue la hemoglobina mutada de la hemoglobina normal?).

La , mostrada aquí con una representación de esferas, difiere de la hemoglobina normal en un único aminoácido. En la hemoglobina mutante, hay valina en el lugar del glutamato situado en la sexta posición de la cadena monomérica beta. El glutamato, un aminoácido hidrófilo localizado en la superficie de la proteína, es sustituido por la valina, un aminoácido hidrófobo, creando así un . Existe cerca del bolsillo de unión al hemo en el monómero beta que está presente en la hemoglobina desoxigenada, sea normal o de las células falciformes. (OBSERVE: ¿Podría encontrar los dos sitios hidrófobos de los dos monómeros beta en la hemoglobina de las células falciformes?). Este segundo bolsillo hidrófobo se une al primero, presente solamente en la mutante, haciendo que las moléculas de hemoglobina se en largas fibras. En el dibujo se muestran solamente dos moléculas de hemoglobina unidas, pero estas fibras pueden extenderse y formar un elevado número de moléculas de hemoglobina en una larga fibra. Una nos muestra la valina del primer sitio, mutante, hidrófobo en interacción hidrófoba con la alanina y la leucina del segundo sitio hidrófobo. (PIENSE: ¿Por qué pueden estas fibras de hemoglobina causar la forma falciforme de las células rojas?).