Proteínas transportadoras de oxígeno. Tema 3. PDF

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Tema 3 Proteínas transportadoras de oxígeno Sustituye la imagen ​ y adáptala al ​ formato con clic ​ derecho > recortar Bioquímica y Biología Molecular Victoria Bernardo Pisa Grado en Farmacia PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS OXÍGENO HEMOGLOBINA MIOGLOBINA  INTRODUCCIÓN Vertebrados: Organismos aerobios con un sistema circulatorio cerrado y un mecanismo para la extracción de O2 del aire (o del agua) y liberación de CO2 como productos de desecho. ✓ O2 inspirado, permite el uso eficaz de combustibles metabólicos (glucosa y ácidos grasos) ✓ CO2 espirado, es un producto importante del metabolismo celular. Esta utilización de O2 como sustrato metabólico se acompaña de la generación de especies de radicales libres que dañan todas las macromoléculas biológicas. INTRODUCCIÓN Protección frente al daño por radicales. ✓ Secuestrando O2 ✓ Limitando producción de O2 ✓ Detoxificándolo HEMOPROTEÍNAS: Participan en estos mecanismos protectores: ❖Mioglobina (Mb): En músculo estriado esquelético.Almacena O2 en citoplasma y lo suministra a mitocondrias cuando hay demanda. ❖Hemoglobina (Hb): Sólo en eritrocitos, donde facilita el transporte de O2 y CO2 entre pulmones y tejidos periféricos.  Función respiratoria 1.-VENTILACIÓN PULMONAR (inspiración y espiración). 2.-DIFUSIÓN DE GASES ENTRE ALVEOLOS Y LA SANGRE 3.-PROCESOS METABÓLICOS EN LA CÉLULA (consumo de O2 y eliminación de CO2) GLOBINAS Estructura Globinas: Metaloproteínas solubles Las secuencias de aminoácidos en las globinas humanas (citoglobina, -globina, -globina, A-globina, mioglobina y neuroglobina) están muy conservadas. Características: Los residuos PheCD1 (F) y HisF8 (H) se conservan de forma absoluta en todas las globinas y hay patrones característicos de residuos hidrófobos en segmentos helicoidales. Los segmentos helicoidales se identifican mediante barras azules PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS OXÍGENO MIOGLOBINA Un solo polipéptido de globina (153 residuos de aas, 17053 Da) HEMOGLOBINA Ensamblaje tetramérico de 2 polipetidos de globina  (141 residuos, 15868 Da) y 2 polipéptidos de globina  (146 residuos, 15126 Da). Un grupo prostético hemo se asocia a cada apoproteína globina. Apoproteína+ grupo prostético Grupo HEMO GRUPO HEMO NUCLEO Fe TETRAPIRRÓLICO ✓Aas polares se encuentran en la superficie exterior de los polipéptidos de globina y contribuyen a la alta solubilidad. ✓Aas que tienen características polares e hidrofóbicas (treonina, tirosina y triptófano) tienen orientadas sus funciones polares hacia el exterior de la proteína. ✓Los residuos hidrófóbicos están encerrados en el interior, donde estabilizan el plegamiento del polipéptido y forman un bolsillo que acomoda el grupo prostético hemo. Excepción: 2 Hys que desempeñan una función clave en la función de la proteína y que se disponen en la profundidad del bolsillo del grupo hemo. Las cadenas laterales de estas Hys presentan una orientación perpendicular a cada lado del grupo prostético hemo. El Fe establece 4 enlaces con 4 nitrógenos del nucleo tetrapirrólico, quedando 2 valencias de coordinación una por encima y otra por debajo Hys F8 ✓Uno de los N imidazólicos de la cadena lateral del residuo de HysF8 está cerca para unirse al átomo pentacoordinado de Fe+2. En el lado opuesto del plano del grupo hemo se encuentra la HysE7 que está demasiado lejos del hierro del grupo hemo para establecer enlace directo; su función es indispensable para estabilizar el O2 por puentes de H. Hys E7 Globina oxigenada El grupo hemo plano está colocado entre las histidinas proximal (F8) y distal (E7). La Hys F8 posee un nitrógeno imidazólico lo bastante cercano para unirse al Fe2+. El O2 ocupa la 6ª posición. La Phe CD1 ejerce interacciones hidrofóbicas y electrostáticas de apilamiento con el anillo de porfirina. GRUPO HEMO Parte fijadora de O2 común a Mb y Hb ESTRUCTURA Molécula de porfirina que tiene coordinado un átomo de Fe2+ Grupo prostético Fe-porfirina es plano e hidrófobo, excepto 2 grupos propionato expuestos al disolvente. El Fe2+ del grupo hemo tiene una coordinación octaédrica, establece 6 enlaces de coordinación: 4 con los N del anillo tetrapirrólico (situados en el plano del anillo) 1 con el N de la His 93 (F8) llamada His F8 ó His proximal El 6º enlace: Oximioglobina: una molécula de oxígeno, junto a la His distal (número 64, E7). Desoximioglobina: no tiene oxígeno. Grupo Hemo: Átomo de Fe 2+ unido al anillo tetrapirrólico de la protoporfirina  MECANISMO DE UNIÓN DEL OXÍGENO El oxígeno se une al grupo Síntesis del grupo hemo hemo: un anillo tetrapirrólico denominado protoporfirina IX, que pertenece a la familia de porfirinas, con un ión ferroso (Fe2+) en el centro. (citocromos, clorofila)  FUNCIÓN GRUPO HEMO Componente integral de las holoproteínas de globina. a) Confiere color rojo a las globinas, sangre y músculo (púrpura en estado desoxigenado y rojo en estado oxigenado). b) Poco soluble e hidrofóbico. Las globinas aumentan su solubilidad en agua. El bolsillo hidrofóbico creado por el polipéptido globínico plegado: ✓Se une a grupo hemo por enlaces no covalentes. ✓Protege al grupo hemo y en presencia de O2 minimiza la oxidación espontánea de Fe2+ a Fe3+ ✓Así las globinas fijan y liberan O2, ya que si se produce el paso de Fe2+ a Fe3+ el grupo hemo no puede interaccionar de modo reversible con el O2 , alterando la función de almacenamiento y transporte de O2.  Porfirias: Enfermedades metabólicas hereditarias o adquiridas que afectan a la síntesis del grupo hemo, con acumulación de intermedios metabólicos (incluyendo o no porfirinas). Son hepáticas, eritrocitarias y mixtas. Sus consecuencias suponen una o varias de las siguientes: a) Trastornos hematológicos y fotosensibilización con lesiones en la piel. b) Ataques agudos de dolor abdominal por acumulación deALA (aminolevulinato) y PBG (porfobilinógeno). c)Trastornos neurológicos o psiquiátricos por afectación del metabolismo neuronal por ALA, PBG o ambos. Enfermedades relacionadas con el grupo Hemo: Porfinurias y porfirias: Porfinuria: Acumulación anormal de pigmentos porfirínicos en la orina, por alteraciones del metabolismo porfirínico, por otras enfermedades o fármacos. Coproporfinuria de la enfermedad hepática crónica, el problema de excreción hepática provoca la desviación de la coproporfirina I desde la bilis a la orina.  HEMOGLOBINA Se encuentra exclusivamente en los eritrocitos Une oxígeno en los pulmones y lo transporta, vía sangre arterial, a los tejidos donde lo libera Además, une CO2 procedente del metabolismo en los tejidos, y lo transporta, vía sangre venosa, a los pulmones para ser eliminado “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002  ESTRUCTURA DE LA HEMOGLOBINA (Hb) ✓Tetrámero, con disposición tetraédrica de 2 globinas  idénticas y 2 globinas  idénticas. ✓En la estructura tetraédrica de Hb, cada subunidad está en contacto con las otras tres. Subunidades similares a las de Mb. ✓Hay menor número de interacciones y son hidrófobas entre las subunidades idénticas, en las interfases 1-2 o 1-2. ✓Las interacciones fuertes en cada heterodímero − y en la interfase entre los dos heterodímeros son factores determinantes en la fijación y liberación de O2 Actualmente, se considera a Hb más un dímero entre heterodímeros (−) que un tetrámero (22) ESTRUCTURA DE LA HEMOGLOBINA (Hb) ▪ Unión de varias cadenas polipeptídicas (subunidades ó monómeros). ▪ Especialmente enlaces débiles. ▪ La proteína completa se llama oligomérica ó polimérica. ▪ Posibilita la existencia de fenómenos de cooperatividad y alosterismo. 21 Tema 3. Proteínas transportadoras de oxígeno, Biología Molecular Dra. Mª Isabel Fortea Gorbe– Tlf: - (+34) 968 278808 – [email protected] ANÁLISIS DE LA UNIÓN DEL OXÍGENO POR LA MIOGLOBINA La curva de unión del oxígeno a la mioglobina es hiperbólica e indica que tiene una elevada afinidad por el oxígeno ya que P50 es muy baja (unos 4 mm de Hg) Saturación de O2 P50: Valor de PO2 en que están ocupados o saturados la mitad de los lugares de fijación ✓En los capilares de tejidos (PO2 20 -40 mm Hg): La Mb estaría saturada ✓ En los tejidos (PO2 baja): La Mb capta O2 de la Hb de la sangre arterial circulante y luego lo cede a los orgánulos celulares que consumen oxígeno (mitocondrias)  TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA HEMOGLOBINA La Hb capta oxígeno cuando es abundante (pulmones PO2 100 mm Hg) y lo cede cuando disminuye (capilares PO2 30 mmHg) La curva de unión del oxígeno a la Hb es SIGMOIDEA: Coeficiente de Hill (n) mayor de 1 Hb: (n = 2,7): Alta cooperatividad en la fijación del ligando. Este comportamiento se debe a fenómenos de COOPERATIVIDAD en la unión de oxígeno. Cada molécula de Hb tiene 4 lugares de unión de O2. La unión del primer O2 produce un cambio conformacional en la molécula, lo que facilita la unión de los siguientes y viceversa “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA HEMOGLOBINA TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA HEMOGLOBINA Hb tiene una afinidad menor por el O2 que la Mioglobina, ya que: P50 Hb = 27 mmHg P50 Mb = 4 mmHg  FENÓMENOS DE COOPERATIVIDAD En Hb, las cadenas  / establecen interacciones fuertes. Al pasar del estado desoxigenado al oxigenado se produce un cambio estructural que afecta, sobre todo, a la interacción entre subunidades (estructura cuaternaria). Un par  / rota y se desliza respecto al otro En menor medida cambia la estructura terciaria de cada subunidad. “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002  CAMBIOS ESTRUCTURALES QUE ACOMPAÑAN A LA UNIÓN DEL OXÍGENO El paso de la forma desoxigenada a la oxigenada explica la unión cooperativa del oxígeno 1.Se rompen una serie de puentes salinos y enlaces de hidrógeno que afectan a los C-terminales 2.Se crean otros enlaces dando lugar a la conformación más laxa llamada forma relajada (R) Por tanto, la entrada del primer O2 es más difícil porque han de romperse enlaces iónicos entre subunidades. El resto de las moléculas de O2 encuentran los enlaces rotos y la situación espacial es más favorable Cuando sale el O2 la Hb vuelve a su conformación desoxi o forma tensa (T) restableciéndose los puentes salinos  Mecanismo de cooperatividad: Incluye un desplazamiento entre dos conformaciones conocidas como T (tenso) y R (relajado). Estado T : Interacciones entre heterodímeros son más fuertes Afinidad por oxígeno más baja. Estado R : Estos enlaces no covalentes son más débiles. Afinidad por oxígeno más alta. La transición entre estas estructuras se acompaña de la desaparición de los enlaces no covalentes existentes y de la formación de nuevos enlaces en las interfaces del heterodímero. El contacto entre los dos heterodímeros se encuentra estabilizado por una combinación de enlaces de H y fuerzas electrostáticas.  Modelos para describir la transición de T a R de la Hb: Modelo concertado: Las 4 subunidades cambian de manera concertada, no se permiten los estados híbridos y la fijación de O2 desplaza el equilibrio entre los estados T y R. Modelo secuencial: Cada subunidad de Hb responde de manera secuencial a la fijación de O2 con un cambio de conformación, permitiendo así la aparición de híbridos de los estados T y R. MODULACIÓN ALOSTÉRICA DE LA AFINIDAD DE LA HEMOGLOBINA POR EL OXÍGENO 31 Tema 3. Proteínas transportadoras de oxígeno, Biología Molecular Dra. Victoria Bernardo– Tlf: - (+34) 968 278618 [email protected]  Proteínas y efectores alostéricos Unión cooperativa de O2 por unión al grupohemo Hb es una proteína alostérica (=otro sitio), es decir, su afinidad por el O2 se altera por determinados efectores que no actúan directamente sobre el grupo hemo sino que interaccionan en otro lugar de la proteína ❑Cuando un efector alostérico afecta a su propia fijación a la proteína (en otros lugares): Proceso homotrópico. Ej.: El efecto de la fijación de O2 en un lugar de la Hb aumenta, así mismo, la fijación de O2 a otros lugares de laHb. ❑Cuando un efector alostérico es diferente del ligando cuya fijación se altera, el proceso se denomina entonces heterotrópico. Ej.: Efecto de los H+ sobre la P50 para la fijación de O2 a la Hb. Estas interacciones originan desplazamientos horizontales de las curvas de fijación de oxígeno EFECTOS ALOSTÉRICOS DE OTROS LIGANDOS SOBRE LA Hb EFECTORES ALOSTÉRICOS: 1. CO2 2. H+. Efecto BOHR 3. 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) 4. Temperatura Todos ellos disminuyen la afinidad de la Hb por el O2 (desplazan las curvas de saturación hacia la derecha)  EFECTO CO2 CO2 tiene capacidad para alterar la afinidad de la Hb por el O2 Igual que el efecto alostérico negativo de los protones: el aumento de la pCO2 en los capilaresvenosos disminuye la afinidad de la Hb por el O2 Al aumentar pCO2 la curva de saturación del ligando se desplaza a la derecha  EFECTO BOHR Afinidad de la Hb por el O2 es muy sensible al pH: EfectoBohr Desplazamiento a la derecha de la curva de saturación del O2 cuando disminuye el pH Aumento en la [H+] (disminución pH) favorece el aumento de P50 (menor afinidad para la fijación del O2 a la Hb) Desplazamiento dependiente de H+ del estado R al estado T (H+ se unen a His de cadenas  formando nuevos enlaces iónicos, estabilizando estado T) H+: Efectores alostéricos heterotrópicos EFECTO BOHR EN LA HEMOGLOBINA Efecto del 2,3-BISFOSFOGLICERATO (2,3-BPG) ❑Compuesto orgánico sintetizado por los hematíes humanos en una derivación de la vía glicolítica. ❑Efector alostérico negativo indispensable que, cuando está fijado a Hb, causa un acusado aumento de la P50. BISFOSFOGLICERATO (BPG) El CO2 y la [H+] actúan de forma rápida para facilitar el intercambio de O2 y CO2 El BPG es un efector que actúa a más largo plazo, permitiendo la adaptación a cambios graduales de la disponibilidad de O2. El BPG reduce la afinidad de la Hb por el O2: Se une a la Hb en una cavidad existente entre las cadenas , donde establece interacciones con los grupos (+) que rodean esta cavidad. En la forma oxiHb la cavidad es pequeña y no puede unirse el BPG En la forma desoxiHb se une estabilizando esta conformación. Unión del 2,3-BPG a la desoxihemoglobina “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 39 Tema 3. Proteínas transportadoras de oxígeno, Biología Molecular Dra. Mª Isabel Fortea Gorbe– Tlf: - (+34) 968 278808 – [email protected] Efecto de la temperatura Trabajo muscular Productos metabólicos del metabolismo aerobio: H+, CO2, y también libera calor. Fijación O2 a grupo hemo proceso exotérmico Afinidad Hb por O2 disminuye al aumentar la temperatura Microambiente correspondiente a un músculo en ejercicio favorece profundamente la liberación más eficaz a los tejidos adyacentes del O2 fijado a Hb Efecto del CO Disminuye el O2 unido a la hemoglobina y causa un desplazamiento a la izda. INTOXICACIÓN POR MONÓXIDO DE CARBONO El CO se une a la hemoglobina con una afinidad que es 250 veces superior a la del oxígeno y forma la carboxihemoglobina. El O2 no se puede unir a los grupos hemo que están unidos al CO. La presencia de CO disminuye el número de lugares de unión de O2 disponible para la hemoglobina. La hemoglobina unida al oxígeno está reducida al 50% (50% O2, 50% CO) y se desplaza la curva de disociación hacia la izda. Mayor afinidad de la Hb por el O2, será más difícil que lo ceda a los tejidos CONCLUSIÓN: Los efectores alostéricos disminuyen la afinidad de la Hb por el O2 42 Tema 3. Proteínas transportadoras de oxígeno, Biología Molecular Dra. Mª Isabel Fortea Gorbe– Tlf: - (+34) 968 278808 – [email protected] CONCLUSIÓN: Los efectores alostéricos disminuyen la afinidad de la Hb por el O2 A: Condiciones fisiológicas: Hb adulto curva saturación con alta cooperatividad. B: Al aumentar dentro de eritrocitos: [H+], [CO2], [2,3BPG], la curva se desplaza a la derecha, lo que indica disminución de la afinidad por el O2 (aumento del valor P50). Las acciones efectores que modulan la afinidad son aditivas. La disminución de cualquiera de los efectores alostéricos desplaza la curva a la izquierda (posición A) El aumento de la temperatura también desplaza la curva a la derecha.  Hb minoritarias: Neuroglobina y citoglobina Neuroglobina (Ngb): Se expresa en SNC y tejidos endocrinos. 151 residuos aas (16.933 Da). Citoglobina (Cygb): En células origen fibroblástico. 190 residuos (21.045 Da) ❑Comparten un 25 % de la secuencia de Mb y Hb. ❑Presentan todos los elementos clave del dominio de globina: residuos His proximal y distal, y bolsillo hidrofóbico con grupo hemo. A dif. de Mb y Hb, contienen grupos hemo hexacoordinados para los dos estados de valencia del Fe (+2 , +3) His E7 distal, que sirve como sexto ligando debe ser desplazada para permitir la unión del O2. Afinidades por O2 muy altas: P50 Ngb= 1-7,5 mmHg P50 Cygb= 0,7-1,8 mmHg P50 Hb= 27 mmHg Unión O2 a Cygb dimérica es cooperativa independiente del pH Unión O2 a Ngb monomérica dependiente del pH Funciones: ❑Ngb media la difusión del O2 a la mitocondria de la retina. ❑Cygb es cofactor enzimático aporta O2 para la hidroxilación de las cadenas laterales Pro y Lys en algunas proteínas. VARIANTES NORMALES DE LA HEMOGLOBINA HbA: 95 % Hb adulto. Composición de subunidades de globina 22. HbA2: 2-3 % de la Hb total. Composición de subunidades 22.Aumenta en la -talasemia (deficiencia de biosíntesis de globina ). HbF: Subunidades -globina y -globina (< 1%) Predomina en el feto (2º y 3º trimestre de la gestación) Diferencia HbF y HbA es la disminución de la sensibilidad a 2,3-BPG. Globina  tiene Ser en lugar de Hys 143 por tanto HbF no contiene dos grupos catiónicos que participan en la fijación de 2,3-BPG Se observa disminución o ausencia de cooperatividad en Hb mutantes que han perdido los contactos funcionales entre subunidades. Hemoglobinopatías: Enfermedades en las que existen moléculas de Hb anormales por: *Alteración en su estructura, derivadas de mutaciones en los genes que las codifican. *Disminución en la síntesis de la Hb normal (Talasemias). *Ambos defectos simultáneamente (Hemoglobinopatías talasémicas) *Persistencia hereditaria de Hb fetal. Hemoglobinopatía común: Anemia falciforme o drepanocitosis Hemoglobinopatía estructural ❑Definición: Alteración hereditaria de la estructura de la Hb que se caracteriza por una tendencia de los eritrocitos a distorsionarse y a limitar el flujo sanguíneo a los capilares. ❑Causa: Mutación hereditaria de una sola base en el gen que codifica la -globina, lo que lleva a la expresión de la variante HbS de la Hb. Mutación: Glu6bVal. Un aa cargado, localizado en la superficie, es reemplazado por residuo hidrófobo. ❑Síntomas: Anemia hemolítica como resultado de rotura hematíes, trastornos del crecimiento, susceptibilidad a infecciones y múltiples lesiones de órganos  α-talasemia: Deficiencia en cadenas , hay problemas en HbA, A2 y F. Tetrámeros 4 (Hb H) y tetrámeros 4 (Hb de Bart). Tetrámeros: Transportan O2 pero no tienen cooperatividad y no experimentan efecto Bohr. Síndrome hidropesía fetal: Hb de Bart y Hb H únicamente, mortalidad antes de nacer a las 34 semanas o a las pocas horas de nacer. β-talasemia: Deficiencia en cadenas , persiste síntesis de cadenas  y Hb F tras nacimiento (fallecimiento antes de la madurez). Exceso de cadenas  origina su precipitación en el interior del eritrocito y produce hemólisis, con anemia. Talasemia βes más leve, la transcripción de genes  minor está inhibida parcialmente, por lo que la producción de globina  no está bloqueada por completo. La separación de Hb y otras variantes Hb en el laboratorio clínico se realiza por electroforesis o cromatografía Ej.: Detección neonatal Acetato de celulosa HPLC RN anemia falciforme N rasgo falciforme RN sano Hb glicosilada, informa progresión y tratamiento Diabetes mellitus