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 –

• 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

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