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Bioquímica: Estudio del equilibrio gaseoso y ácido-base del organismo




Enviado por germanpuigdomenech



    1. Introducción
    2. Hemoglobina:
      estructura
    3. Transporte
      gaseoso en el organismo
    4. Equilibrio
      ácido-base

      Introducción

      Proteínas: figuran
      entre las moléculas orgánicas más
      abundantes, en la mayoría de los sistemas
      vivios constituyen hasta el 50% o más del peso seco.
      Es variada la cantidad de moléculas de proteínas: p. ej: enzimas,
      hormonas,
      de almacenamiento, de transporte
      (tal es el caso de la hemoglobina – Hb -),
      contráctiles (del tipo que se encuentran en el
      músculo), inmunoglobulinas (Ig), de membrana,
      etc.

      La hemoglobina ( Hb) es
      una proteína elaborada y transportada por los
      glóbulos rojos, tiene la propiedad
      especial de ser capaz de combinarse con el oxígeno recogiéndolo en los
      pulmones y liberándolo en los tejidos.

      Es de estructura
      cuaternaria formada por cuatro cadenas polipeptídicas,
      cada una de las cuales se combina con un grupo que
      contiene hierro,
      conocido como grupo hemo.

      En el grupo hemo, un átomo
      de hierro está sostenido por átomos de hidrógeno que forman parte de una
      estructura más grande conocida como anillo de
      porfirina. Las dos cadenas idénticas que la forman
      tienen cada una, una estructura primaria

      Única que contiene unos
      150 aminoácidos, lo que hace un total de 600
      aminoácidos, aproximadamente.

      Hemoglobina: estructura

      La Hb e los vertebrados
      está formada por cuatro cadenas polipeptídica,
      dos de un tipo y dos de otro. Las cuatro cadenas se mantienen
      unidas por interacciones no covalentes.

      La Hb A, la principal en
      adultos, consta de 2 cadenas alfa y otras dos cadenas beta.
      Existe una Hb minoritaria en los adultos llamada Hb A2 (que
      constituye el 2% del total del Hb) la cual contiene dos
      cadenas delta en lugar de las cadenas beta de la Hb A.
      Así , la estructura subunitaria de la HB A es alfa2
      beta2 mientras que de la HB A2 es alfa2
      delta2.

      1. Estructura
        cuaternaria.
    5. Bibliografía

    La Hb pude disociarse en sus
    cadenas constitutivas. La cadena alfa por sí misma tiene
    una elevada afinidad por el oxígeno, una curva de
    disociación hiperbólica y característica
    de unión al oxígeno es independiente del pH, de la
    concentración de dióxido de carbono y
    del nivel de 2,3-bifosfoglicerato (BPG).

    La cadena beta forma
    fácilmente un tetrámero, beta 4, éste
    carece totalmente de las propiedades alostéricas de la
    Hb y tiene una alta afinidad por el
    oxígeno.

    En resumen, las propiedades
    alostéricas de la Hb se producen por la interacción de subunidades
    diferentes.

    En 1938, Felix Haurowitz,
    descubrió que los cristales de la dexosihemoglobina se
    hacían pedazos cuando se los exponía al
    oxígeno. Sin embrago, los cristales de la
    dexosihemoglobina se podían unir y liberar
    oxígeno sin perder su forma.

    Esta ruptura de los cristales
    permitió pensar que la proteína sufría un
    cambio
    conformacional mayor al unirse al
    oxígeno.

    De hecho, los estudios
    cristalográficos por rayos X
    llevados a cabo años más tarde demostraron que la
    oxi y dexosihemoglobina difieren claramente en su estructura
    cuaternaria. La molécula oxigenada es más
    compacta, p. ej: al oxigenarse la distancia entre los
    átomos de hierro decrecen de 40 a 33 A. Los cambios en
    los contactos entre las cadenas alfa y beta son de interés
    particular.

    Existen dos clases de regiones
    de contacto entre las cadenas alfa y beta. Uno de los tipos de
    contacto es el alfa 1 beta 2 (que es idéntico al alfa 2
    beta 1) y el otro tipo de contacto es el alfa 1 beta 1 (que es
    idéntico al alfa 2 beta 2)

    En la transición de oxi a
    dexosihemoglobina hay pocos cambios en le contacto alfa 1 beta
    1 (y en su idéntico alfa 2 beta 2). En cambio, en el
    contacto alfa 1 beta 2 (y en su idéntico alfa 2 beta 1)
    se producen cambios estructurales. Durante la
    oxigenación una pareja de subunidad alfa 1 beta 1 giran
    respecto dela otra pareja un ángulo de 15º y
    algunos de los átomos de la interese se desplazan hasta
    6 A.

    Transporte gaseoso en el
    organismo

    Cuando una persona
    está en reposo, por minuto 250 ml de oxígeno se
    transportan desde los pulmones a los tejidos y aproximadamente la
    misma cantidad de dióxido de carbono desde los tejidos
    hacia los pulmones para ser eliminado.

    • De todo el oxígeno
      presente en la sangre, el 96%
      se transporta unido a la Hb, el 4% restante queda disuelto en
      el plasma.
    • La mayor parte de
      dióxido de carbono es transportado en forma de HCO3-,
      una segunda parte se combina con la Hb para su transporte y la
      tercera parte se transporta disuelta en el
      plasma
    1. Unión del
      oxígeno a la Hb

    Una sola molécula de Hb
    puede unirse en forma reversible a un máximo de 4
    moléculas de O2

     Esta unión es de tipo
    cooperativo: la unión de la primera molécula de
    oxígeno provoca un cambio estructural en la
    molécula y esto hace que se produzca mayor
    afinidad.

    Esta mayor afinidad favorece la
    unión de la segunda molécula de oxígeno y
    así sucesivamente hasta que se completa la unión de
    la cuarta molécula de oxigeno,
    alcanzando el 100% de afinidad, esta depende de la presión
    parcial de oxígeno.

    1. Para una presión parcial
      de oxígeno de 20 mm Hg, la afinidad de unión a la
      Hb es del 25%. Hay unión de 1 molécula de
      oxigeno.
    2. Cuando la presión
      parcial de oxígeno asciende a 40 mm Hg, la afinidad es
      del 75%. Hay unión de 3 moléculas de
      oxígeno.
    3. Cuando en el alvéolo
      pulmonar, la presión parcial de oxígeno alcanza
      los 100 mm Hg, la afinidad es del 100%. Hay unión de 4
      moléculas de oxígeno.
    1. Transporte de
      oxígeno.

    Cuando el oxígeno presente
    en el alvéolo pulmonar difunde hacia la sangre del capilar
    alveolar:

    • La presión parcial de
      oxígeno es de 100 mm Hg
    • La afinidad de unión a
      la Hb es del 100%
    • La Hb se encuentra unida a 4
      moléculas de oxígeno

    La sangre llega a los capilares
    tisulares. En las células de
    los tejidos, debido sobre todo al continuo consumo de
    este gas para llevar a
    cabo los distintos procesos
    metabólicos, la presión parcial de oxígeno
    es muy baja, alrededor de los 40 mm Hg.

    Este gradiente de presiones
    permite la difusión pasiva del oxígeno que desde
    los capilares tisulares atraviesa el espacio intersticial
    llegando fácilmente a las células. Como
    consecuencia de esta difusión es cuando la presión
    parcial de oxígeno disminuye paulatinamente a los 40 mm
    Hg. Con esta presión la Hb cede el oxígeno unido al
    plasma debido que a esta presión la afinidad es muy
    baja.

    Del plasma pasa a los tejidos
    donde se consume en las distintas reacciones
    metabólicas.

    Cuando la sangre llega a los
    pulmones ya cedió el oxígeno a los tejidos, su
    presión parcial es de 40 mm Hg. En los capilares
    pulmonares tiene lugar el proceso
    inverso. En los tejidos la presión parcial de
    oxígeno es de 100 mm Hg por lo tanto el oxígeno se
    difunde desde los alvéolos hacia los capilares alveolares
    hasta que la presión parcial de oxígeno en le
    capilar alveolar alcance los 100 mm Hg.

    1. A nivel tisular, el
      dióxido de carbono, se origina de forma continua
      como consecuencia del mm Hg y por lo tanto se favorece la
      difusión del dióxido de carbono desde los
      tejidos hacia los capilares llegando hasta el interior de
      los eritrocitos.

      En estos, por acción de la anhidrasa
      carbónica, el dióxido de carbono presente se
      transforma en ácido carbónico, el cual se
      ioniza rápidamente originando bicarbonato e
      hidrógeno:

       Como consecuencia de
      un aumento de protones el pH de la sangre disminuye. Esta
      disminución no es excesiva ya que la Hb en su
      función de tampón
      fisiológico se une a los protones
      neutralizándolos.

      La Hb reducida tras unirse a
      los protones posee una menor afinidad por el oxígeno
      y este es cedido más fácilmente a los
      tejidos, según:

        Para ver el
      gráfico seleccione la opción "Descargar" del
      menú superior

      En el plasma (donde no hay
      anhidrasa carbónica) la concentración de
      bicarbonato es muy reducida. La diferencia de
      concentración entre el interior del eritrocito y el
      plasma hace que el bicarbonato salga del glóbulo
      rojo.

      Cuando la sangre llega a los
      pulmones el dióxido de carbono abandona por
      difusión los capilares pulmonares, llega a los
      alvéolos y se difunde hasta los capilares alveolares
      , allí las reacciones anteriores se llevan a cabo en
      sentido inverso:

       Para ver el
      gráfico seleccione la opción "Descargar" del
      menú superior

       La eliminación
      del dióxido de carbono y su oxigenación
      convierten la sangre venosa en arterial, fin último
      del proceso respiratorio.

    2. Transporte de
      dióxido de carbono
    3. Monóxido de
      carbono

    El monóxido de carbono se
    forma por combustión incompleta de materiales que
    contienen carbono. En términos de masa total el
    monóxido de carbono es le más abundante de todos
    los gases
    contaminantes, el nivel en el aire no
    contaminado es bajo, probablemente 0,05 ppm. La cantidad total
    estimada de la atmósfera es
    alrededor de 5,2×10 14.

    Es una molécula
    relativamente poco reactiva y en consecuencia no plantea una
    amenaza directa, sin embargo afecta a seres humanos ya que tiene
    la capacidad "poco usual" de unirse a la Hb. Cada una de las
    cuatro cadenas que componen la Hb tiene un grupo hemo, el
    monóxido de carbono se une con fuerza al
    hierro formando un complejo que recibe el nombre de
    carboxilhemoglobina (COHb)

    La afinidad de la Hb por el
    monóxido de carbono es aproximadamente 200 veces mayor que
    por el oxígeno, en consecuencia, una concentración
    relativamente pequeña puede inactivar una fracción
    considerable de la Hb de la sangre para transportar el
    oxígeno.

    P. ej: una persona que respira
    aire que contiene sólo monóxido de carbono,
    incorpora gas suficiente para convertir hasta el 60% de Hb en
    COHb, reduciéndose por lo tanto a este porcentaje la
    capacidad de unión al oxígeno.

    En condiciones normales una
    persona no fumadora que respira aire no contaminado tiene
    alrededor del 0,3 al 0,5% de COHb en el torrente
    sanguíneo.

    Esta cantidad se debe
    principalmente a la producción de pequeñas cantidades de
    monóxido de carbono en el curso de la química normal del
    cuerpo y a la pequeña cantidad de monóxido de
    carbono presente en el aire limpio. La exposición
    a concentraciones más altas es causa de un aumento del
    nivel de COHb, esto provoca que queden menos sitios en la Hb para
    la unión con el oxígeno.

    Si el nivel de COHb es muy
    elevado, el transporte de oxígeno se interrumpe y se
    produce la muerte.
    Puesto que el monóxido de carbono es incoloro e inodoro,
    el envenenamiento ocurre con muy pocas señales
    de advertencia.

    1. Equilibrio
      ácido-base

    El equilibrio ácido-base se
    define como "aquella situación de equilibrio
    establecido en el balance entre sustancias de carácter ácido y básico de la
    sangre como consecuencia de la interacción entre los
    sistemas respiratorios y
    metabólicos"

    Los valores
    normales son:

    Sangre arterial = 7.35 /
    7.45

    Sangre venosa = 7.31 /
    7.41

    Las alteraciones encontradas en el
    equilibrio ácido-base pueden ser de dos
    tipos:

    • Respiratorias: aquellas en los
      que la concentración de dióxido de carbono o
      ácido carbónico constituye el cambio primario del
      pH.
    • Metabólicas: por una
      alteración en la concentración de
      bicarbonato
    1. Debido a los constantes
      procesos fisiológicos del organismo se generan
      diariamente una gran cantidad de sustancias de
      carácter ácidos y básicos susceptibles
      de alterar el equilibrio.

      Dicha alteración se
      traduce en cambios de pH del organismo. Evitar estas
      variaciones es tarea de los tampones (sistemas
      amortiguadores) presentes en el organismo y son capaces de
      captar o ceder protones como respuesta a los cambios de
      acidez de los líquidos
      orgánicos.

      La labor de estos tampones
      se desarrolla en los pulmones y riñones. En
      condiciones normales, el dióxido de carbono suele
      excretarse a través de los pulmones. Por su parte,
      los riñones eliminan mediante la excreción
      tubular los protones originados como consecuencia de las
      principales fuentes
      metabólicas (no respiratorias) y que son
      fundamentalmente la oxidación incompleta de grasas e
      hidratos de carbono y la oxidación del azufre y de
      los metabolitos que contienen
      fósforo.

    2. Regulación del
      equilibrio ácido-base
    3. Alteraciones del
      equilibrio ácido-base

    La mayor parte de los métodos
    que se utilizan actualmente para determinar la existencia de un
    desequilibrio ácido-base en el organismo, están
    basados en la aplicación de la ecuación de
    Henderson-Hosselbach.

    Para un ácido débil
    (HA)

    [ HA ] [ H+ ] + [ A¬
    ]

    [ H+ ] = [ HA
    ]

    [ A¬ ]

    por lo tanto:

    pH = pKa + log [ A¬
    ]

    [ HA ]

    donde pKa = log
    1

    Ka

    Esta expresión es
    considerada la ecuación "estándar" de
    Henderson-Hasselbach y puede ser aplicada en el caso particular
    para determinar las variaciones sufridas por el equilibrio
    ácido-base del organismo.

    Concretamente, en el caso del
    ácido carbónico de la sangre, la reacción
    que tiene lugar en el plasma es:

    [ H2O ] + [ CO2 ] [ H2CO3
    ]

    [ H2CO3 ] [ HCO3¬ ] + [ H+
    ]

    Aplicando la
    ecuación:

    PH = pKa + log [
    HCO3¬]

    [ H2CO3 ]

    Los protones que como consecuencia
    de un deteriorado proceso orgánico puedan ser liberados,
    son temporalmente tamponados por los distintos sistemas
    amortiguadores existentes en le organismo.

    Cuando la cantidad de protones a
    neutralizar es excesiva pueden generarse alteraciones del
    equilibrio de distinta gravedad que, en ocasiones, llegan a ser
    incluso incompatibles con la vida. Estos desequilibrios pueden
    ser excesos o defectos y generan en el organismo dos estados
    denominados "acidosis y alcalosis"

    • Acidosis: es un exceso de
      protones en la sangre por encima de 44
      nmol/l
    • Alcalosis: es un déficit
      de protones en la sangre por debajo de 35
      nmol/l
    1. Valoración
      clínica de las alteraciones del equilibrio
      ácido-base

    Para poner de manifiesto la
    existencia en el organismo de una situación de acidosis o
    alcalosis no es suficiente con determinar el ácido
    carbónico presente en el plasma ya que:

    1. un valor bajo
      de ácido carbónico plasmático puede ser
      debido tanto a una acidosis no primaria, como en una alcalosis
      primaria.
    2. un valor alto de ácido
      carbónico en el plasma puede tener su origen en una
      alcalosis no primaria como en una acidosis
      primaria.
    1. BIBLIOGRAFÍA

    Ma. del Carmen D’Ocon Navaza
    y otros. "Fundamentos y técnicas
    de análisis bioquímicos". Ed.
    Paraninfo. Madrid.
    1999.

    Luber Stryer. "Bioquímica". Ed. Reverte. Barcelona.
    1999.

    Brown-LeMay-Bursten.
    "Química. La Ciencia
    central". Ed. Prentice hall. México.1998.

    Helena Curtis. "Biología". Ed.
    Panamericana. Colombia.
    1993.

     

    Germán Luis
    Puigdomenech

    Técnico Superior en
    Microbiología y
    Biotecnología

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