Análisis estructural de la hemoglobina (HB)

Indice
1. Introduccion
2. Estructura Primaria
3. Estructura Secundaria
4. Estructura Terciaria
5. Estructura Cuaternaria
6. Bibliografía

1. Introduccion

La hemoglobina es uno de los derivados nitrogenados de la ferroprotoporfirina. es una proteína conjugada que contiene las proteínas básicas incoloras, las globinas y ferroprotoporfirina o hem (el cual consta de una parte orgánica y un átomo de hierro). Esta proteína es la encargada de transportar el O2 en la sangre, por poseer el grupo hem, es similar a la mioglobina.

2. Estructura Primaria

Las hemoglobinas de todos los mamíferos tienen un peso molecular aproximado de 65.000 y en esencia son tetrámeros, que constan de 4 cadenas péptidas, cada una de las cuales esta unida a un grupo hem. Las moléculas de hemoglobina se forman por combinación de dos subunidades de una cadena peptídica llamada a y dos de b donde las cadenas polipeptídicas están constituidas por eslabones de aminoácidos (AA) denominados residuos; conteniendo 141 residuos la cadena a y 146 la cadena b . Todo ser humano es capaz de sintetizar (genéticamente) e introducir en la hemoglobina cuatro cadenas polipéptidas designadas a , b , g y d . Con escasas excepciones las moléculas de HB se forman por la combinación de dos cadenas a con dos g o d . La HB de una persona adulta normal se designa por HB A = a 2A b 2A y de igual forma, la HB fetal es HB A = a 2Ag 2F Las cadenas b , g , d contienen todas ellas 146 unidades que se asemejan mucho entre sí en la secuencia de AA, hay solo 39 residuos de AA diferentes entre las cadenas b y g y solo 10 entre b y d .

La cantidad de AA se puede determinar por métodos químicos o enzimáticos.
Reactivos químicos:

• SANGER: Emplea 2,4 Dinitrofluorobenceno (DNF), en solución ligeramente alcalina y a temperatura ambiente, este pasa a ser parte del polipéptido en el N terminal, posteriormente este se hidroliza, quedando el dinitrofenil aminoácido de color amarillo y los otros aminoácidos en estado libre. Después estas se separan cromatográficamente para su identificación.
• EDMAN: Se hace reaccionar la hemoglobina con fenilisotiosianato que se combina con el grupo a amino libre de la Valina, posteriormente se coloca el péptido con ácido diluido y frió, lo que separa la Valina de la cadena principal y lo convierte en un derivado de la feniltiovidantoina mas el péptido del nuevo n-terminal de la Leucina.
• BROMURO DE CIANOGENO: Separa los enlaces peptídico por el lado carboxilo de los residuos de metionina dejando nuevas unidades peptídicas.
• CLORURO DE DABSILO: Se utiliza para marcar el péptido que después se hidroliza con HCl, se identifica por sus características cromatograficas. Suele utilizarse el cloruro de babsilo porque forma derivados altamente coloreados que se detectan con alta sensibilidad. Este reacciona con el amino libre de una amina para formar un derivado sulfoamidico, que resulta estable en las condiciones que permite hidrolizar los enlaces peptídico.

Reactivos enzimaticos:

• TRIPSINA: La tripsina es un enzima proteolitica del jugo intestinal. Hidroliza los péptido por el lado carboxílico de los residuos de Argina y Lisina tanto la tripsina como el Bromuro de Cianógeno (CNBr) son más efectivos para péptido de más de 50 residuos.
• CARBOPÈPTIDASAS: Hidroliza al enlace peptídico en que interviene el residuo terminal COOH, de esta manera se determina el aminoácido, que se libera por acceso de la carboxipeptidasa sobre el polipéptido. Conociendo los residuos amino y carboxilo terminal se establecen puntos de referencia importantes en la secuencia de aminoácidos.
• AMINOPEPTIDASA: Hidroliza al enlace peptídico en que interviene el residuo terminal NH2.

Se realizó el análisis de las cantidades relativas de aminoácidos en la cadena de b en 24 AA (de AA 36 al AA 59) - Ver anexo 1 –

COMPOSICION QUIMICA GRUPO - R								IONIZACION DEL GRUPO - R
Acidos	20.83 %		Hidroxilados	16.66%				Acidos		12.50%
Básicos	8.30 %		Azufrados	4.16%				Básicos		8.33%
Imino	12.60 %		Aromáticos	16.66%				Neutros		79.17 %
Alifático	20.83 %
Polaridad						Importancia Nutricional
Polar		58.30 %				Esenciales			41.60%
No Polar		41.60 %				No esenciales			58.30%

• Variación genética de la estructura de la HB: Muchas mutaciones dan lugar a un cambio en la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Algunas HB anormales (actualmente se conocen unas 42 de la HBA) se les ha logrado establecer las sustituciones de aminoácidos. En cada caso, la producción de la proteína variante se debe a una mutación puntual que representa la alteración mínima en el gen (cistron) y ésta es heredada de forma mendeleiana, siendo diferentes los cistrones para las cadenas alfa y beta y probablemente localizados en cromosomas diferentes. En la sección estudiada en este análisis estructural, solo hay dos posibles HB anómalas

Tipo HB	Posición	Residuo en
		HBA	Mutante
GGalveston	b 43	Glu	Ala
KIbadan	b 46	Gli	Glu

3. Estructura Secundaria

La orientación de las cadenas polipeptídicas puede ser completamente extendida ( que no es muy común ), por lo que es mejor clasificarlas como a) alfahélice, b) hoja plegada, c) al azar. El porcentaje de contenido de alfahélice en las proteínas globulares es bastante variable (0 – 90%), en el caso de la HB su contenido es de un 75%. Existen dos factores (o mas bien aminoácidos que pertenezcan a la cadena polipeptídica) que pueden interrumpir la orientación helicoidal: (1) presencia de prolina la cual provoca una torsión de la cadena y, (2) la presencia de fuerzas electrostáticas localizadas de repulsión debido a un conjunto de grupos –R cargados positivamente (lisina y argina), o negativamente (ac- glutámico y aspártico). – Ver anexo 2a-.
En la cadena polipeptídica seleccionada (b 36-59), desde el AA 36 al 42 encontramos una estructura que se forma al enrollarse helicoidalmente sobre si mismo, se debe a la formación de enlaces de hidrógeno entre el –C = O de un AA y el –NH. Del AA 43 al 52, se forma una estructura de hoja plegada, la cual se identifica por que no forma una hélice sino una cadena en forma de zigzag. Del AA 53 al 53 encontramos una estructura helicoidal.

4. Estructura Terciaria

La HB es casi esférica (globular), con un diámetro de 55 A, las cuatro cadenas están empaquetadas conjuntamente en disposición tetraédrica (ver anexo 2b). Los grupos Hemo, están localizados en unas oquedades cercanas al exterior de la molécula, uno en cada subunidad. Los 4 lugares de unión del oxígeno están separados, la distancia entre los dos átomos de Fe más próximos es de 25 A e inclinados con ángulos diferentes.
Cada grupo hemo se encuentra enterrado parcialmente rodeado por grupos -R Hidrofóbicos. Este se halla unido a la cadena polipeptídica mediante un enlace coordinado del átomo de Fe con la HIS (histidina), mientras el otro enlace de coordinación del Fe se halla disponible para el transporte del oxigeno. Existe una gran cantidad de residuos hidrofílicos en la superficie de la cadena, pero el centro de la a - hélice es especialmente hidrofóbico. Como en todas las proteínas existe una naturaleza anfipática, la cual hace que existan diferentes regiones que presenten mayor o menor polaridad, esto depende de los tipos de residuos que compongan la región. También existen fuerzas Vander Walls, aquellos que poseen un componente electrostático que se presentan cuando dos regiones apolares se encuentran lo suficientemente cerca para que se forme la fuerza entre los dipolos instantáneos o débiles (determinados residuos) y entre ellos producen un campo eléctrico, igualmente, las interacciones electrostáticas o puentes salinos, que se presentan cuando algunos iones se encuentran cercanos a la proteína y modifican el campo eléctrico, son importantes ya que estos dan estabilidad a la forma de la HB.
Por último en la estructura de la HB no hay enlaces de tipo S-S, ya que los residuos Cys (cistina), no son comunes en la cadena a aunque en la b si hay; pero no es posible que se establezcan este tipo de enlaces entre las cadenas a y b de las globinas. Cada cadena a está en contacto con las cadenas b , sin embargo, existen pocas interacciones entre las dos cadenas a o entre las dos cadenas b entre sí.

5. Estructura Cuaternaria

La Estructura cuaternaria modula las actividades biológicas de las proteínas. Tanto las proteínas transportadores (hemoglobina), como las enzimáticas (A,T, C-ASA) pierden buena acción específica al fraccionarla en subunidades. La proteína íntegra al realizar la catálisis propia, admite una regulación en su actividad es decir puede frenarse o acelerarse, en respuesta a metabolitos concretos que pueden ser el propio sustrato o distintos modulars alostericos, las propiedades alostéricas de la HB se producen por la interaccion de las subunidades diferentes. La unidad funcional de la HB es un tetramero que consta de dos clases de cadenas polipeptídicas.
La hemoglobina está clasificada dentro del grupo de las proteínas conjugadas ya que además de tener o poseer aminoácidos contiene además una proporción significativa del grupo prostético hem pues cada cadena del tetrámero está asociada a uno de estos. En el caso de la estructura de HB se presenta el tercer caso que es el de los monómeros defunción análoga pero de estructura diferente de tal manera que no se pueden sustituir unos por otros sin ciertas restricciones.
La asociación de diferentes tipos de globinas origina las diferentes especies tetraméricas de la HB siendo HBAa 2b 2, HBA2a 2d 2, HBFa 2g 2. Se conocen como hemoglobinas anormales como la HBb 4 o la HBBartz que es la d 4 con cuatro monómeros idénticos pero son funcionalmente inferiores a las antes mencionadas. En este caso no son posibles estructuras intermedias con estructura impar de monómeros de cada clase, ejemplo ( a 3b )

Cuando se produce la oxigenación de la desoxihemoglobina, no hay variación alguna de la estructura terciaria; pero cuando se une el O2 a los grupos hemo de esta, las subunidades a , b que permanecen rígidas, cambian ligeramente de posición, aproximándose entre sí lo que presenta un cambio de la estructura cuaternaria. Existen dos clases de regiones de contacto entre las cadenas a y b . Uno de los tipos de contacto es (a 1b 2) que es idéntico al (a 2b 1); el otro tipo es (a 1b 1) y (a 2b 2). La estructura cuaternaria de la desoxiHB se denomina forma T tensa o tirante; la oxiHB forma R relajado. El átomo de hierro arrastra con él la histidina proximal cuando se introduce en el plano de la porfirina. Este movimiento de la histidina F8 provoca una alteración de la estructura hélice F y en los acodamientos EF y FG. Estos cambios conformacionales se transmiten a las interfases de las subunidades ocasionando la ruptura de los enlaces salinos intercatenarios lo que provoca que la proteína cambie a la forma R.
Esta estructura cuaternaria le confiere propiedades adicionales extraordinarias (ausentes en la hemoglobina) que la adaptan a sus papeles biológicos únicos y permiten una regulación precisa de sus propiedades. Las fuerzas que mantienen unidas las cadenas peptídicas para dar una estructura cuaternaria suelen ser de tipo fisicoquímico (asociación hidrofóbica), y el ensamblaje de monómeros se realiza expontáneamente, ocurre así la ordenación cuaternaria adoptada, representa un mínimo de energía libre para la molécula.

6. Bibliografía

1. BOHINSKI, Robert. Bioquímica. Edit. Fondo Educativo Interamericano. 1976
2. LA BASE MOLECULAR DE LA VIDA. Blume Ediciones. 1978
3. MACARULLA, Jose. Biomoléculas: Lecciones de Bioquímica estructural. Editorial Reverté.1978 España
4. STRYER, Lubert. Bioquímica, Tomo 1. Edit. Reverté, 4º edición
5. www.google.com
6. www. Monografías.com

 

 

Autor:

Ivonne Meneses Angulo

Cesar Mosquera

Rodrigo Eduardo Silva

Estudiantes de Ingenieria Ambiental y Sanitaria
Universidad de la Salle
Bogotá-Colombia