Hemoglobina

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Hemoglobina, (de la palabra griega αἷμα, haîma 'sangre' + latín globus 'bola, esfera' + -in ), abreviado Hb o Hgb, es la metaloproteína transportadora de oxígeno que contiene hierro en los glóbulos rojos (eritrocitos) de casi todos los vertebrados (con la excepción de la familia de peces Channichthyidae), así como en los tejidos de algunos invertebrados. La hemoglobina en la sangre transporta el oxígeno desde los órganos respiratorios ( por ejemplo, los pulmones o las branquias) al resto del cuerpo ( es decir, los tejidos). Allí libera el oxígeno para permitir que la respiración aeróbica proporcione energía para las funciones de potencia de un organismo en el proceso llamado metabolismo. Un individuo humano sano tiene de 12 a 20 gramos de hemoglobina por cada 100 ml de sangre.

En los mamíferos, la cromoproteína constituye aproximadamente el 96 % del contenido seco de los glóbulos rojos (en peso) y alrededor del 35 % del contenido total (incluida el agua). La hemoglobina tiene una capacidad de unión al oxígeno de 1,34 ml de O 2 por gramo, lo que aumenta setenta veces la capacidad total de oxígeno en la sangre en comparación con el oxígeno disuelto en la sangre. La molécula de hemoglobina de los mamíferos puede unirse (transportar) hasta cuatro moléculas de oxígeno.

La hemoglobina participa en el transporte de otros gases: transporta parte del dióxido de carbono respiratorio del cuerpo (alrededor del 20-25% del total ) como carbaminohemoglobina, en la que el CO 2 se une a la proteína hemo. La molécula también lleva la importante molécula reguladora de óxido nítrico unida a un grupo tiol en la proteína globina, liberándola al mismo tiempo que el oxígeno.

La hemoglobina también se encuentra fuera de los glóbulos rojos y sus líneas progenitoras. Otras células que contienen hemoglobina incluyen las neuronas dopaminérgicas A9 en la sustancia negra, macrófagos, células alveolares, pulmones, epitelio pigmentario de la retina, hepatocitos, células mesangiales en el riñón, células endometriales, células cervicales y células epiteliales vaginales. En estos tejidos, la hemoglobina tiene una función no transportadora de oxígeno como antioxidante y regulador del metabolismo del hierro. El exceso de glucosa en la sangre puede unirse a la hemoglobina y elevar el nivel de hemoglobina A1c.

La hemoglobina y las moléculas similares a la hemoglobina también se encuentran en muchos invertebrados, hongos y plantas. En estos organismos, las hemoglobinas pueden transportar oxígeno o pueden actuar para transportar y regular otras moléculas pequeñas e iones como el dióxido de carbono, el óxido nítrico, el sulfuro de hidrógeno y el sulfuro. Una variante de la molécula, llamada leghemoglobina, se usa para eliminar el oxígeno de los sistemas anaeróbicos, como los nódulos de fijación de nitrógeno de las plantas leguminosas, para que el oxígeno no envenene (desactive) el sistema.

La hemoglobinemia es una condición médica en la que hay un exceso de hemoglobina en el plasma sanguíneo. Este es un efecto de la hemólisis intravascular, en la que la hemoglobina se separa de los glóbulos rojos, una forma de anemia.

Historia de la investigación

En 1825, Johann Friedrich Engelhart descubrió que la proporción de hierro a proteína es idéntica en las hemoglobinas de varias especies. A partir de la masa atómica conocida del hierro, calculó la masa molecular de la hemoglobina en n × 16000 ( n = número de átomos de hierro por hemoglobina, ahora se sabe que es 4), la primera determinación de la masa molecular de una proteína. Esta "conclusión apresurada" provocó muchas burlas en ese momento por parte de los científicos que no podían creer que una molécula pudiera ser tan grande. Gilbert Smithson Adair confirmó los resultados de Engelhart en 1925 midiendo la presión osmótica de las soluciones de hemoglobina.

Aunque se sabía que la sangre transportaba oxígeno desde al menos 1794, Hünefeld describió la propiedad de la hemoglobina como transportadora de oxígeno en 1840. En 1851, el fisiólogo alemán Otto Funke publicó una serie de artículos en los que describía el crecimiento de cristales de hemoglobina diluyendo sucesivamente rojo células sanguíneas con un solvente como agua pura, alcohol o éter, seguido de una evaporación lenta del solvente de la solución de proteína resultante. La oxigenación reversible de la hemoglobina fue descrita unos años más tarde por Felix Hoppe-Seyler.

Con el desarrollo de la cristalografía de rayos X, se hizo posible secuenciar estructuras de proteínas. En 1959, Max Perutz determinó la estructura molecular de la hemoglobina. Por este trabajo compartió el Premio Nobel de Química de 1962 con John Kendrew, quien secuenció la proteína globular mioglobina.

El fisiólogo francés Claude Bernard aclaró el papel de la hemoglobina en la sangre. El nombre hemoglobina se deriva de las palabras hemo y globina, lo que refleja el hecho de que cada subunidad de hemoglobina es una proteína globular con un grupo hemo incrustado. Cada grupo hemo contiene un átomo de hierro, que puede unir una molécula de oxígeno a través de fuerzas dipolares inducidas por iones. El tipo más común de hemoglobina en los mamíferos contiene cuatro de estas subunidades.

Genética

La hemoglobina consta de subunidades de proteínas (las moléculas de globina), y estas proteínas, a su vez, son cadenas plegadas de una gran cantidad de diferentes aminoácidos llamados polipéptidos. La secuencia de aminoácidos de cualquier polipéptido creado por una célula está determinada a su vez por los tramos de ADN llamados genes. En todas las proteínas, es la secuencia de aminoácidos la que determina las propiedades químicas y la función de la proteína.

Hay más de un gen de hemoglobina: en humanos, la hemoglobina A (la principal forma de hemoglobina presente en adultos) está codificada por los genes HBA1, HBA2 y HBB. Las subunidades de hemoglobina alfa 1 y alfa 2 están codificadas por los genes HBA1 y HBA2, respectivamente, que se encuentran en el cromosoma 16 y están cerca uno del otro. La subunidad beta de la hemoglobina está codificada por HBBgen que está en el cromosoma 11. Las secuencias de aminoácidos de las proteínas de globina en las hemoglobinas suelen diferir entre especies. Estas diferencias crecen con la distancia evolutiva entre especies. Por ejemplo, las secuencias de hemoglobina más comunes en humanos, bonobos y chimpancés son completamente idénticas, sin siquiera una diferencia de un solo aminoácido en las cadenas de proteína de globina alfa o beta. Mientras que la hemoglobina humana y la del gorila difieren en un aminoácido en las cadenas alfa y beta, estas diferencias aumentan entre especies menos relacionadas.

Incluso dentro de las especies, existen variantes de hemoglobina, aunque una secuencia suele ser "la más común" en cada especie. Las mutaciones en los genes de la proteína de la hemoglobina en una especie dan como resultado variantes de la hemoglobina. Muchas de estas formas mutantes de hemoglobina no provocan ninguna enfermedad. Sin embargo, algunas de estas formas mutantes de hemoglobina causan un grupo de enfermedades hereditarias denominadas hemoglobinopatías. La hemoglobinopatía más conocida es la enfermedad de células falciformes, que fue la primera enfermedad humana cuyo mecanismo se entendió a nivel molecular. Un conjunto (en su mayoría) separado de enfermedades llamadas talasemias involucra la producción insuficiente de hemoglobina normal y, a veces, anormal, a través de problemas y mutaciones en la regulación del gen de la globina. Todas estas enfermedades producen anemia.

Las variaciones en las secuencias de aminoácidos de la hemoglobina, como ocurre con otras proteínas, pueden ser adaptativas. Por ejemplo, se ha descubierto que la hemoglobina se adapta de diferentes maneras a grandes altitudes. Los organismos que viven en elevaciones altas experimentan presiones parciales de oxígeno más bajas en comparación con los que viven al nivel del mar. Esto presenta un desafío para los organismos que habitan tales entornos porque la hemoglobina, que normalmente se une al oxígeno a altas presiones parciales de oxígeno, debe ser capaz de unir oxígeno cuando está presente a una presión más baja. Diferentes organismos se han adaptado a tal desafío. Por ejemplo, estudios recientes han sugerido variantes genéticas en ratones ciervos que ayudan a explicar cómo los ratones ciervos que viven en las montañas pueden sobrevivir en el aire enrarecido que acompaña a las grandes altitudes. Un investigador de la Universidad de Nebraska-Lincoln encontró mutaciones en cuatro genes diferentes que pueden explicar las diferencias entre los ratones ciervos que viven en las praderas de las tierras bajas y las montañas. Después de examinar ratones salvajes capturados tanto en las tierras altas como en las bajas, se descubrió que: los genes de las dos razas son "prácticamente idénticos, excepto por los que gobiernan la capacidad de transporte de oxígeno de su hemoglobina". "La diferencia genética permite a los ratones de las tierras altas hacer un uso más eficiente de su oxígeno", ya que hay menos disponible en altitudes más altas, como las de las montañas.La hemoglobina de mamut presentó mutaciones que permitieron el suministro de oxígeno a temperaturas más bajas, lo que permitió a los mamuts migrar a latitudes más altas durante el Pleistoceno. Esto también se encontró en los colibríes que habitan los Andes. Los colibríes ya gastan mucha energía y, por lo tanto, tienen una gran demanda de oxígeno y, sin embargo, se ha descubierto que los colibríes andinos prosperan en altitudes elevadas. Las mutaciones no sinónimas en el gen de la hemoglobina de múltiples especies que viven en altitudes elevadas ( Oreotrochilus, A. castelnaudii, C. violifer, P. gigas y A. viridicuada ) han causado que la proteína tenga menos afinidad por el hexafosfato de inositol (IHP ), una molécula que se encuentra en las aves y tiene un papel similar al 2,3-BPG en los humanos; esto da como resultado la capacidad de unir oxígeno en presiones parciales más bajas.

Los pulmones circulatorios únicos de las aves también promueven el uso eficiente del oxígeno a bajas presiones parciales de O 2. Estas dos adaptaciones se refuerzan mutuamente y explican el notable desempeño de las aves a gran altura.

La adaptación de la hemoglobina también se extiende a los humanos. Hay una mayor tasa de supervivencia de la descendencia entre las mujeres tibetanas con genotipos de alta saturación de oxígeno que residen a 4000 m. La selección natural parece ser la fuerza principal que trabaja en este gen porque la tasa de mortalidad de la descendencia es significativamente menor para las mujeres con mayor afinidad por la hemoglobina y el oxígeno en comparación con la tasa de mortalidad de la descendencia de mujeres con baja afinidad por la hemoglobina y el oxígeno. Si bien el genotipo exacto y el mecanismo por el cual esto ocurre aún no están claros, la selección está actuando sobre la capacidad de estas mujeres para unir oxígeno en presiones parciales bajas, lo que en general les permite sostener mejor los procesos metabólicos cruciales.

Síntesis

La hemoglobina (Hb) se sintetiza en una serie compleja de pasos. La parte hemo se sintetiza en una serie de pasos en las mitocondrias y el citosol de los glóbulos rojos inmaduros, mientras que las partes de la proteína globina se sintetizan en los ribosomas del citosol. La producción de Hb continúa en la célula a lo largo de su desarrollo temprano desde el proeritroblasto hasta el reticulocito en la médula ósea. En este punto, el núcleo se pierde en los glóbulos rojos de los mamíferos, pero no en las aves y muchas otras especies. Incluso después de la pérdida del núcleo en los mamíferos, el ARN ribosómico residual permite una mayor síntesis de Hb hasta que el reticulocito pierde su ARN poco después de ingresar a la vasculatura (este ARN sintético de hemoglobina de hecho le da al reticulocito su apariencia y nombre reticulados).

Estructura del hemo

La hemoglobina tiene una estructura cuaternaria característica de muchas proteínas globulares de múltiples subunidades. La mayoría de los aminoácidos en la hemoglobina forman hélices alfa, y estas hélices están conectadas por segmentos cortos no helicoidales. Los enlaces de hidrógeno estabilizan las secciones helicoidales dentro de esta proteína, causando atracciones dentro de la molécula, lo que luego hace que cada cadena polipeptídica se pliegue en una forma específica. La estructura cuaternaria de la hemoglobina proviene de sus cuatro subunidades en una disposición aproximadamente tetraédrica.

En la mayoría de los vertebrados, la molécula de hemoglobina es un conjunto de cuatro subunidades de proteínas globulares. Cada subunidad está compuesta por una cadena proteica estrechamente asociada con un grupo hemo protésico no proteico. Cada cadena de proteína se organiza en un conjunto de segmentos estructurales de hélice alfa conectados entre sí en una disposición de pliegues de globina. Se le da ese nombre porque esta disposición es el mismo motivo de plegamiento que se usa en otras proteínas hemo/globina como la mioglobina. Este patrón de plegado contiene un bolsillo que se une fuertemente al grupo hemo.

Un grupo hemo consta de un ion de hierro (Fe) contenido en un anillo heterocíclico, conocido como porfirina. Este anillo de porfirina consta de cuatro moléculas de pirrol unidas cíclicamente (por puentes de metino) con el ion de hierro unido en el centro. El ion de hierro, que es el sitio de unión del oxígeno, se coordina con los cuatro átomos de nitrógeno en el centro del anillo, que se encuentran todos en un plano. El hemo se une fuertemente (covalentemente) a la proteína globular a través de los átomos de N del anillo de imidazol del residuo de histidina F8 (también conocido como histidina proximal) debajo del anillo de porfirina. Una sexta posición puede unirse reversiblemente al oxígeno mediante un enlace covalente coordinado, completando el grupo octaédrico de seis ligandos. Este enlace reversible con el oxígeno es la razón por la que la hemoglobina es tan útil para transportar oxígeno por todo el cuerpo.El oxígeno se une en una geometría de "extremo doblado" donde un átomo de oxígeno se une a Fe y el otro sobresale en ángulo. Cuando el oxígeno no está unido, una molécula de agua unida muy débilmente llena el sitio, formando un octaedro distorsionado.

Aunque el dióxido de carbono es transportado por la hemoglobina, no compite con el oxígeno por las posiciones de unión al hierro, sino que se une a los grupos amino de las cadenas proteicas unidas a los grupos hemo.

El ion de hierro puede estar en estado Fe ferroso o Fe férrico, pero la ferrihemoglobina (metahemoglobina) (Fe ) no puede unirse al oxígeno. En la unión, el oxígeno oxida temporal y reversiblemente (Fe ) a (Fe ) mientras que el oxígeno se convierte temporalmente en el ion superóxido, por lo que el hierro debe existir en el estado de oxidación +2 para unir el oxígeno. Si se protona el ion superóxido asociado al Fe, el hierro de la hemoglobina permanecerá oxidado e incapaz de unir oxígeno. En tales casos, la enzima metahemoglobina reductasa podrá eventualmente reactivar la metahemoglobina al reducir el centro de hierro.

En los seres humanos adultos, el tipo de hemoglobina más común es un tetrámero (que contiene cuatro subunidades de proteínas) llamado hemoglobina A, que consta de dos subunidades α y dos β unidas de forma no covalente, cada una compuesta por 141 y 146 residuos de aminoácidos, respectivamente. Esto se denota como α 2 β 2. Las subunidades son estructuralmente similares y aproximadamente del mismo tamaño. Cada subunidad tiene un peso molecular de aproximadamente 16 000 daltons, para un peso molecular total del tetrámero de aproximadamente 64 000 daltons (64 458 g/mol). Así, 1 g/dL = 0,1551 mmol/L. La hemoglobina A es la más intensamente estudiada de las moléculas de hemoglobina.

En los bebés humanos, la molécula de hemoglobina se compone de 2 cadenas α y 2 cadenas γ. Las cadenas γ se reemplazan gradualmente por cadenas β a medida que el niño crece.

Las cuatro cadenas polipeptídicas están unidas entre sí por puentes salinos, puentes de hidrógeno y el efecto hidrofóbico.

Saturación de oxígeno

En general, la hemoglobina puede estar saturada con moléculas de oxígeno (oxihemoglobina) o desaturada con moléculas de oxígeno (desoxihemoglobina).

Oxihemoglobina

La oxihemoglobina se forma durante la respiración fisiológica cuando el oxígeno se une al componente hemo de la proteína hemoglobina en los glóbulos rojos. Este proceso ocurre en los capilares pulmonares adyacentes a los alvéolos de los pulmones. Luego, el oxígeno viaja a través del torrente sanguíneo para ser depositado en las células, donde se utiliza como aceptor terminal de electrones en la producción de ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa. Sin embargo, no ayuda a contrarrestar la disminución del pH de la sangre. La ventilación, o la respiración, puede revertir esta condición al eliminar el dióxido de carbono, lo que provoca un cambio en el pH.

La hemoglobina existe en dos formas, una forma tensa (tensa) (T) y una forma relajada (R). Diversos factores como pH bajo, CO 2 alto y 2,3 BPG alto a nivel de los tejidos favorecen la forma tensa, que tiene baja afinidad por el oxígeno y libera oxígeno en los tejidos. Por el contrario, un pH alto, CO 2 bajo o 2,3 BPG bajo favorecen la forma relajada, que puede unir mejor el oxígeno. La presión parcial del sistema también afecta la afinidad por el O 2 donde, a altas presiones parciales de oxígeno (como las presentes en los alvéolos), se favorece el estado relajado (alta afinidad, R). A la inversa, a presiones parciales bajas (como las presentes en los tejidos que respiran), se favorece el estado tenso (baja afinidad, T).Además, la unión del oxígeno al hemo de hierro (II) empuja el hierro hacia el plano del anillo de porfirina, lo que provoca un ligero cambio conformacional. El cambio alienta al oxígeno a unirse a las tres unidades hemo restantes dentro de la hemoglobina (por lo tanto, la unión del oxígeno es cooperativa).

Hemoglobina desoxigenada

La hemoglobina desoxigenada (desoxihemoglobina) es la forma de hemoglobina sin el oxígeno unido. Los espectros de absorción de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina difieren. La oxihemoglobina tiene una absorción significativamente menor de la longitud de onda de 660 nm que la desoxihemoglobina, mientras que a 940 nm su absorción es ligeramente superior. Esta diferencia se utiliza para medir la cantidad de oxígeno en la sangre de un paciente mediante un instrumento llamado oxímetro de pulso. Esta diferencia también explica la presentación de cianosis, el color azul a púrpura que desarrollan los tejidos durante la hipoxia.

La hemoglobina desoxigenada es paramagnética; es atraído débilmente por los campos magnéticos. Por el contrario, la hemoglobina oxigenada exhibe diamagnetismo, una repulsión débil de un campo magnético.

Evolución de la hemoglobina de vertebrados

Los científicos están de acuerdo en que el evento que separó la mioglobina de la hemoglobina ocurrió después de que las lampreas se separaran de los vertebrados con mandíbula. Esta separación de mioglobina y hemoglobina permitió que surgieran y se desarrollaran las diferentes funciones de las dos moléculas: la mioglobina tiene más que ver con el almacenamiento de oxígeno, mientras que la hemoglobina se encarga del transporte de oxígeno. Los genes de globina tipo α y β codifican las subunidades individuales de la proteína. Los predecesores de estos genes surgieron a través de otro evento de duplicación también después del ancestro común gnatosoma derivado de peces sin mandíbula, hace aproximadamente 450–500 millones de años.Los estudios de reconstrucción ancestral sugieren que el ancestro previo a la duplicación de los genes α y β era un dímero formado por subunidades de globina idénticas, que luego evolucionaron para ensamblarse en una arquitectura tetramérica después de la duplicación. El desarrollo de los genes α y β creó el potencial para que la hemoglobina se componga de múltiples subunidades distintas, una composición física fundamental para la capacidad de la hemoglobina para transportar oxígeno. Tener múltiples subunidades contribuye a la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno de forma cooperativa y regularse alostéricamente. Posteriormente, el gen α también experimentó un evento de duplicación para formar los genes HBA1 y HBA2.Estas duplicaciones y divergencias adicionales han creado una gama diversa de genes de globina similares a α y β que están regulados para que ciertas formas ocurran en diferentes etapas de desarrollo.

La mayoría de los peces de hielo de la familia Channichthyidae han perdido sus genes de hemoglobina como adaptación al agua fría.

Estado de oxidación del hierro en la oxihemoglobina

Asignar el estado de oxidación de la hemoglobina oxigenada es difícil porque la oxihemoglobina (Hb-O 2 ), por medición experimental, es diamagnética (sin electrones desapareados netos), sin embargo, las configuraciones electrónicas de energía más baja (estado fundamental) tanto en el oxígeno como en el hierro son paramagnéticas (lo que sugiere al menos un electrón desapareado en el complejo). La forma de oxígeno de energía más baja y las formas de energía más baja de los estados de oxidación relevantes del hierro son las siguientes:

  • El oxígeno triplete, la especie de oxígeno molecular de energía más baja, tiene dos electrones desapareados en orbitales moleculares antienlazantes π*.
  • El hierro (II) tiende a existir en una configuración 3d de alto espín con cuatro electrones desapareados.
  • El hierro (III) (3d ) tiene un número impar de electrones y, por lo tanto, debe tener uno o más electrones desapareados, en cualquier estado de energía.

Todas estas estructuras son paramagnéticas (tienen electrones desapareados), no diamagnéticas. Por lo tanto, debe existir una distribución de electrones no intuitiva (p. ej., una energía más alta para al menos una especie) en la combinación de hierro y oxígeno para explicar el diamagnetismo observado y la ausencia de electrones desapareados.

Las dos posibilidades lógicas para producir Hb-O 2 diamagnético (sin espín neto) son:

  1. Fe de espín bajo se une al oxígeno singulete. Tanto el hierro de bajo espín como el oxígeno singlete son diamagnéticos. Sin embargo, la forma singlete de oxígeno es la forma de mayor energía de la molécula.
  2. El Fe de espín bajo se une al O 2 (el ion superóxido) y los dos electrones no apareados se acoplan antiferromagnéticamente, dando propiedades diamagnéticas observadas. Aquí, el hierro se ha oxidado (ha perdido un electrón) y el oxígeno se ha reducido (ha ganado un electrón).

Otro posible modelo en el que el Fe de espín bajo se une al peróxido, O 2, puede descartarse por sí solo, porque el hierro es paramagnético (aunque el ion peróxido es diamagnético). Aquí, el hierro ha sido oxidado por dos electrones y el oxígeno reducido por dos electrones.

Datos experimentales directos:

  • La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X sugiere que el hierro tiene un estado de oxidación de aproximadamente 3,2.
  • Las frecuencias vibratorias infrarrojas del enlace OO sugieren una longitud de enlace que encaja con el superóxido (un orden de enlace de aproximadamente 1,6, siendo el superóxido 1,5).
  • Absorción de rayos X cerca de estructuras de borde en el borde K de hierro. El cambio de energía de 5 eV entre la desoxihemoglobina y la oxihemoglobina, como para todas las especies de metahemoglobina, sugiere fuertemente una carga local real más cercana al Fe que al Fe.

Por lo tanto, el estado de oxidación formal más cercano del hierro en Hb-O 2 es el estado +3, con el oxígeno en el estado -1 (como superóxido . O 2 ). El diamagnetismo en esta configuración surge del único electrón desapareado del superóxido que se alinea antiferromagnéticamente con el único electrón desapareado del hierro (en un estado d de espín bajo), para no dar un espín neto a toda la configuración, de acuerdo con la oxihemoglobina diamagnética del experimento.

La segunda opción de las posibilidades lógicas anteriores para que la oxihemoglobina diamagnética se encuentre correcta mediante un experimento, no es sorprendente: el oxígeno singulete (posibilidad n.º 1) es un estado de alta energía poco realista. El modelo 3 conduce a una separación de carga desfavorable (y no concuerda con los datos magnéticos), aunque podría hacer una contribución menor como forma de resonancia. El cambio del hierro a un estado de oxidación más alto en Hb-O 2 disminuye el tamaño del átomo y le permite entrar en el plano del anillo de porfirina, tirando del residuo de histidina coordinado e iniciando los cambios alostéricos observados en las globulinas.

Los primeros postulados de los químicos bioinorgánicos afirmaban que la posibilidad #1 (arriba) era correcta y que el hierro debería existir en el estado de oxidación II. Esta conclusión parecía probable, ya que el hierro se oxida en estado III como metahemoglobina, cuando no se acompaña de superóxido . O 2 para "retener" el electrón de oxidación, se sabe que hace que la hemoglobina sea incapaz de unirse al triplete normal de O 2como ocurre en el aire. Por lo tanto, se supuso que el hierro permanecía como Fe(II) cuando el oxígeno gaseoso se unía a los pulmones. La química del hierro en este modelo clásico anterior era elegante, pero nunca se explicó la presencia requerida de la molécula de oxígeno singulete diamagnética y de alta energía. Se argumentó clásicamente que la unión de una molécula de oxígeno colocaba hierro (II) de alto espín en un campo octaédrico de ligandos de campo fuerte; este cambio en el campo aumentaría la energía de división del campo cristalino, lo que provocaría que los electrones del hierro se emparejaran en la configuración de espín bajo, que sería diamagnético en el Fe(II). De hecho, se cree que este emparejamiento forzado de bajo espín ocurre en el hierro cuando se une el oxígeno, pero no es suficiente para explicar el cambio de tamaño del hierro. Se requiere la extracción de un electrón adicional del hierro por medio del oxígeno para explicar tanto el hierro

La asignación de un estado de oxidación de número entero es un formalismo, ya que no se requiere que los enlaces covalentes tengan órdenes de enlace perfectos que involucren la transferencia de electrones completos. Por lo tanto, los tres modelos para Hb-O 2 paramagnético pueden contribuir en un grado pequeño (por resonancia) a la configuración electrónica real de Hb-O 2. Sin embargo, el modelo del hierro en Hb-O 2 siendo Fe(III) es más correcto que la idea clásica de que sigue siendo Fe(II).

Cooperatividad

Cuando el oxígeno se une al complejo de hierro, hace que el átomo de hierro retroceda hacia el centro del plano del anillo de porfirina (ver diagrama en movimiento). Al mismo tiempo, la cadena lateral de imidazol del residuo de histidina que interactúa en el otro polo del hierro es atraída hacia el anillo de porfirina. Esta interacción fuerza el plano del anillo hacia los lados hacia el exterior del tetrámero y también induce una tensión en la hélice de la proteína que contiene la histidina a medida que se acerca al átomo de hierro. Esta cepa se transmite a los tres monómeros restantes en el tetrámero, donde induce un cambio conformacional similar en los otros sitios hemo, de modo que la unión del oxígeno a estos sitios se vuelve más fácil.

A medida que el oxígeno se une a un monómero de hemoglobina, la conformación del tetrámero cambia del estado T (tenso) al estado R (relajado). Este cambio promueve la unión del oxígeno a los grupos hemo de los tres monómeros restantes, saturando así la molécula de hemoglobina con oxígeno.

En la forma tetramérica de la hemoglobina adulta normal, la unión del oxígeno es, por tanto, un proceso cooperativo. La afinidad de unión de la hemoglobina por el oxígeno aumenta por la saturación de oxígeno de la molécula, y las primeras moléculas de oxígeno unidas influyen en la forma de los sitios de unión para las siguientes, de una manera favorable para la unión. Esta unión cooperativa positiva se logra a través de cambios conformacionales estéricos del complejo de proteína de hemoglobina como se discutió anteriormente; es decir, cuando una subunidad proteica de la hemoglobina se oxigena, se inicia un cambio conformacional o estructural en todo el complejo, lo que hace que las otras subunidades adquieran una mayor afinidad por el oxígeno. Como consecuencia, la curva de unión de oxígeno de la hemoglobina es sigmoidea, o S-en forma, a diferencia de la curva hiperbólica normal asociada con la unión no cooperativa.

Se ha discutido el mecanismo dinámico de la cooperatividad en la hemoglobina y su relación con la resonancia de baja frecuencia.

Unión para ligandos distintos del oxígeno

Además del ligando de oxígeno, que se une a la hemoglobina de manera cooperativa, los ligandos de hemoglobina también incluyen inhibidores competitivos como el monóxido de carbono (CO) y ligandos alostéricos como el dióxido de carbono (CO 2) y óxido nítrico (NO). El dióxido de carbono se une a los grupos amino de las proteínas globina para formar carbaminohemoglobina; Se cree que este mecanismo explica alrededor del 10% del transporte de dióxido de carbono en los mamíferos. El óxido nítrico también puede ser transportado por la hemoglobina; se une a grupos tiol específicos en la proteína globina para formar un S-nitrosotiol, que se disocia en óxido nítrico libre y tiol nuevamente, a medida que la hemoglobina libera oxígeno de su sitio hemo. Se supone que este transporte de óxido nítrico a los tejidos periféricos ayuda al transporte de oxígeno en los tejidos, al liberar óxido nítrico vasodilatador a los tejidos en los que los niveles de oxígeno son bajos.

Competitivo

La unión del oxígeno se ve afectada por moléculas como el monóxido de carbono (por ejemplo, del tabaquismo, los gases de escape y la combustión incompleta en los hornos). El CO compite con el oxígeno en el sitio de unión al hemo. La afinidad de unión de la hemoglobina por el CO es 250 veces mayor que su afinidad por el oxígeno, lo que significa que pequeñas cantidades de CO reducen drásticamente la capacidad de la hemoglobina para llevar oxígeno al tejido objetivo.Dado que el monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro e insípido, y representa una amenaza potencialmente fatal, los detectores de monóxido de carbono están disponibles comercialmente para advertir sobre niveles peligrosos en las residencias. Cuando la hemoglobina se combina con el CO, forma un compuesto de color rojo muy brillante llamado carboxihemoglobina, que puede hacer que la piel de las víctimas de envenenamiento por CO se vea rosada al morir, en lugar de blanca o azul. Cuando el aire inspirado contiene niveles de CO tan bajos como 0,02%, se producen dolor de cabeza y náuseas; si la concentración de CO aumenta al 0,1%, seguirá la inconsciencia. En los fumadores empedernidos, el CO puede bloquear hasta el 20 % de los sitios activos de oxígeno.

De manera similar, la hemoglobina también tiene una afinidad de unión competitiva por el cianuro (CN ), el monóxido de azufre (SO) y el sulfuro (S ), incluido el sulfuro de hidrógeno (H 2 S). Todos estos se unen al hierro en el hemo sin cambiar su estado de oxidación, pero de todos modos inhiben la unión de oxígeno, causando una toxicidad grave.

El átomo de hierro en el grupo hemo debe estar inicialmente en el estado de oxidación ferroso (Fe) para soportar la unión y el transporte de oxígeno y otros gases (cambia temporalmente a férrico durante el tiempo que el oxígeno está unido, como se explicó anteriormente). La oxidación inicial al estado férrico (Fe) sin oxígeno convierte la hemoglobina en " hemoglobina" o metahemoglobina, que no puede unirse al oxígeno . La hemoglobina en los glóbulos rojos normales está protegida por un sistema de reducción para evitar que esto suceda. El óxido nítrico es capaz de convertir una pequeña fracción de hemoglobina en metahemoglobina en los glóbulos rojos. La última reacción es una actividad remanente de la función más antigua de óxido nítrico dioxigenasa de las globinas.

Alostérico

El dióxido de carbono ocupa un sitio de unión diferente en la hemoglobina. En los tejidos, donde la concentración de dióxido de carbono es más alta, el dióxido de carbono se une al sitio alostérico de la hemoglobina, lo que facilita la descarga de oxígeno de la hemoglobina y, en última instancia, su eliminación del cuerpo después de que el oxígeno se haya liberado a los tejidos en proceso de metabolismo. Esta mayor afinidad por el dióxido de carbono de la sangre venosa se conoce como efecto Bohr. A través de la enzima anhidrasa carbónica, el dióxido de carbono reacciona con el agua para dar ácido carbónico, que se descompone en bicarbonato y protones:CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → HCO 3 + H

Por lo tanto, la sangre con niveles altos de dióxido de carbono también tiene un pH más bajo (más ácido). La hemoglobina puede unir protones y dióxido de carbono, lo que provoca un cambio conformacional en la proteína y facilita la liberación de oxígeno. Los protones se unen en varios lugares de la proteína, mientras que el dióxido de carbono se une al grupo α-amino. El dióxido de carbono se une a la hemoglobina y forma carbaminohemoglobina. Esta disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno mediante la unión de dióxido de carbono y ácido se conoce como efecto Bohr. El efecto Bohr favorece el estado T en lugar del estado R. (desplaza la curva de saturación de O 2 a la derecha). Por el contrario, cuando los niveles de dióxido de carbono en la sangre disminuyen (es decir, en los capilares pulmonares), se liberan dióxido de carbono y protones de la hemoglobina, aumentando la afinidad por el oxígeno de la proteína. Una reducción en la capacidad total de unión de la hemoglobina al oxígeno (es decir, un desplazamiento de la curva hacia abajo, no solo hacia la derecha) debido a la reducción del pH se denomina efecto raíz. Esto se ve en los peces óseos.

Es necesario que la hemoglobina libere el oxígeno que se une; si no, no tiene sentido vincularlo. La curva sigmoidal de la hemoglobina la hace eficiente en la unión (toma de O 2 en los pulmones) y eficiente en la descarga (descarga de O 2 en los tejidos).

En personas aclimatadas a grandes altitudes, la concentración de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) en la sangre aumenta, lo que les permite a estas personas entregar una mayor cantidad de oxígeno a los tejidos en condiciones de menor tensión de oxígeno. Este fenómeno, donde la molécula Y afecta la unión de la molécula X a una molécula de transporte Z, se denomina efecto alostérico heterotrópico. La hemoglobina en organismos a gran altura también se ha adaptado de tal manera que tiene menos afinidad por el 2,3-BPG y, por lo tanto, la proteína se desplazará más hacia su estado R. En su estado R, la hemoglobina se unirá al oxígeno más fácilmente, lo que permitirá a los organismos realizar los procesos metabólicos necesarios cuando el oxígeno esté presente a presiones parciales bajas.

Los animales distintos de los humanos utilizan diferentes moléculas para unirse a la hemoglobina y cambiar su afinidad por el O 2 en condiciones desfavorables. Los peces usan tanto ATP como GTP. Estos se unen a un "bolsillo" de fosfato en la molécula de hemoglobina de pescado, lo que estabiliza el estado tenso y, por lo tanto, disminuye la afinidad por el oxígeno. El GTP reduce la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina mucho más que el ATP, lo que se cree que se debe a la formación de un enlace de hidrógeno adicional que estabiliza aún más el estado tenso. En condiciones hipóxicas, la concentración de ATP y GTP se reduce en los glóbulos rojos de los peces para aumentar la afinidad por el oxígeno.

Una variante de la hemoglobina, llamada hemoglobina fetal (HbF, α 2 γ 2 ), se encuentra en el feto en desarrollo y se une al oxígeno con mayor afinidad que la hemoglobina adulta. Esto significa que la curva de unión de oxígeno para la hemoglobina fetal está desplazada hacia la izquierda (es decir, un mayor porcentaje de hemoglobina tiene oxígeno unido a una menor tensión de oxígeno), en comparación con la hemoglobina adulta. Como resultado, la sangre fetal en la placenta puede tomar oxígeno de la sangre materna.

La hemoglobina también transporta óxido nítrico (NO) en la parte de globina de la molécula. Esto mejora el suministro de oxígeno en la periferia y contribuye al control de la respiración. El NO se une de manera reversible a un residuo de cisteína específico en la globina; la unión depende del estado (R o T) de la hemoglobina. La hemoglobina S-nitrosilada resultante influye en diversas actividades relacionadas con el NO, como el control de la resistencia vascular, la presión arterial y la respiración. El NO no se libera en el citoplasma de los glóbulos rojos, sino que se transporta fuera de ellos mediante un intercambiador de aniones llamado AE1.

Tipos en humanos

Las variantes de hemoglobina son parte del desarrollo embrionario y fetal normal. También pueden ser formas mutantes patológicas de hemoglobina en una población, causadas por variaciones en la genética. Algunas variantes de hemoglobina bien conocidas, como la anemia de células falciformes, son responsables de enfermedades y se consideran hemoglobinopatías. Otras variantes no causan patología detectable y, por lo tanto, se consideran variantes no patológicas.

En el embrión:

  • Gower 1 (ζ 2 ε 2 )
  • Gower 2 (α 2 ε 2 ) ( PDB: 1A9W ​)
  • Hemoglobina Portland I (ζ 2 γ 2 )
  • Hemoglobina Portland II (ζ 2 β 2 ).

En el feto:

  • Hemoglobina F (α 2 γ 2 ) ( PDB: 1FDH ).

Después del nacimiento:

  • Hemoglobina A (hemoglobina adulta) (α 2 β 2 ) ( PDB: 1BZ0 ​) – La más común con una cantidad normal superior al 95 %
  • La síntesis de la cadena δ de hemoglobina A 22 δ 2 ) comienza tarde en el tercer trimestre y, en adultos, tiene un rango normal de 1,5 a 3,5 %.
  • Hemoglobina F (hemoglobina fetal) (α 2 γ 2 ) – En adultos, la hemoglobina F está restringida a una población limitada de glóbulos rojos llamados células F. Sin embargo, el nivel de Hb F puede estar elevado en personas con enfermedad de células falciformes y beta-talasemia.

Formas variantes que causan enfermedad:

  • Hemoglobina D-Punjab – (α 2 β 2 ) – Una variante de la hemoglobina.
  • Hemoglobina H (β 4 ) – Una forma variante de hemoglobina, formada por un tetrámero de cadenas β, que puede estar presente en variantes de talasemia α.
  • Hemoglobina Barts (γ 4 ) – Una forma variante de hemoglobina, formada por un tetrámero de cadenas γ, que puede estar presente en variantes de talasemia α.
  • Hemoglobina S (α 2 β 2 ) – Una variante de la hemoglobina que se encuentra en personas con enfermedad de células falciformes. Hay una variación en el gen de la cadena β, lo que provoca un cambio en las propiedades de la hemoglobina, lo que da como resultado la formación de células falciformes en los glóbulos rojos.
  • Hemoglobina C (α 2 β 2 ) – Otra variante debida a una variación en el gen de la cadena β. Esta variante provoca una anemia hemolítica crónica leve.
  • Hemoglobina E (α 2 β 2 ) – Otra variante debida a una variación en el gen de la cadena β. Esta variante provoca una anemia hemolítica crónica leve.
  • Hemoglobina AS: una forma heterocigota que causa el rasgo de células falciformes con un gen adulto y un gen de la enfermedad de células falciformes
  • Enfermedad de la hemoglobina SC: una forma heterocigota compuesta con un gen falciforme y otro que codifica la hemoglobina C.
  • Hemoglobina Hopkins-2: una variante de la hemoglobina que a veces se ve en combinación con la hemoglobina S para producir la enfermedad de células falciformes.

Degradación en animales vertebrados

Cuando los glóbulos rojos llegan al final de su vida debido al envejecimiento oa defectos, son eliminados de la circulación por la actividad fagocítica de los macrófagos en el bazo o el hígado o se hemolizan dentro de la circulación. Luego, la hemoglobina libre se elimina de la circulación a través del transportador de hemoglobina CD163, que se expresa exclusivamente en monocitos o macrófagos. Dentro de estas células, la molécula de hemoglobina se descompone y el hierro se recicla. Este proceso también produce una molécula de monóxido de carbono por cada molécula de hemo degradada. La degradación del hemo es la única fuente natural de monóxido de carbono en el cuerpo humano y es responsable de los niveles sanguíneos normales de monóxido de carbono en las personas que respiran aire normal.El otro producto final importante de la degradación del hemo es la bilirrubina. Se detectan niveles elevados de esta sustancia química en la sangre si los glóbulos rojos se destruyen más rápidamente de lo habitual. La proteína de hemoglobina degradada incorrectamente o la hemoglobina que se ha liberado de las células sanguíneas con demasiada rapidez puede obstruir los vasos sanguíneos pequeños, especialmente los delicados vasos sanguíneos de los riñones que filtran la sangre, causando daño renal. El hierro se extrae del hemo y se recupera para su uso posterior, se almacena como hemosiderina o ferritina en los tejidos y se transporta en el plasma mediante betaglobulinas como transferrinas. Cuando el anillo de porfirina se rompe, los fragmentos normalmente se secretan como un pigmento amarillo llamado bilirrubina, que se secreta en los intestinos como bilis. Los intestinos metabolizan la bilirrubina en urobilinógeno. El urobilinógeno sale del cuerpo en las heces, en un pigmento llamado estercobilina. La globulina se metaboliza en aminoácidos que luego se liberan a la circulación.

Enfermedades relacionadas con la hemoglobina

La deficiencia de hemoglobina puede deberse a una disminución de la cantidad de moléculas de hemoglobina, como en la anemia, o a una disminución de la capacidad de cada molécula para unir oxígeno a la misma presión parcial de oxígeno. Las hemoglobinopatías (defectos genéticos que resultan en una estructura anormal de la molécula de hemoglobina) pueden causar ambas. En cualquier caso, la deficiencia de hemoglobina disminuye la capacidad de transporte de oxígeno en la sangre. En general, la deficiencia de hemoglobina se distingue estrictamente de la hipoxemia, definida como una disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre, aunque ambas son causas de hipoxia (suministro insuficiente de oxígeno a los tejidos).

Otras causas comunes de hemoglobina baja incluyen pérdida de sangre, deficiencia nutricional, problemas de médula ósea, quimioterapia, insuficiencia renal o hemoglobina anormal (como la enfermedad de células falciformes).

La capacidad de cada molécula de hemoglobina para transportar oxígeno normalmente se modifica por el pH sanguíneo o el CO 2 alterados, lo que provoca una curva de disociación oxígeno-hemoglobina alterada. Sin embargo, también puede alterarse patológicamente en, por ejemplo, envenenamiento por monóxido de carbono.

La disminución de la hemoglobina, con o sin una disminución absoluta de los glóbulos rojos, provoca síntomas de anemia. La anemia tiene muchas causas diferentes, aunque la deficiencia de hierro y la anemia por deficiencia de hierro resultante son las causas más comunes en el mundo occidental. Como la ausencia de hierro disminuye la síntesis de hemo, los glóbulos rojos en la anemia por deficiencia de hierro son hipocrómicos (carecen del pigmento rojo de la hemoglobina) y microcíticos (más pequeños de lo normal). Otras anemias son más raras. En la hemólisis (descomposición acelerada de los glóbulos rojos), la ictericia asociada es causada por el metabolito de la hemoglobina, la bilirrubina, y la hemoglobina circulante puede causar insuficiencia renal.

Algunas mutaciones en la cadena de globina están asociadas con las hemoglobinopatías, como la enfermedad de células falciformes y la talasemia. Otras mutaciones, como se discutió al principio del artículo, son benignas y se denominan simplemente variantes de la hemoglobina.

Existe un grupo de trastornos genéticos, conocidos como porfirias, que se caracterizan por errores en las rutas metabólicas de la síntesis del hemo. El rey Jorge III del Reino Unido fue probablemente el enfermo de porfiria más famoso.

En pequeña medida, la hemoglobina A se combina lentamente con la glucosa en la valina terminal (un aminoácido alfa) de cada cadena β. La molécula resultante a menudo se denomina Hb A 1c, una hemoglobina glicosilada. La unión de la glucosa a los aminoácidos en la hemoglobina tiene lugar espontáneamente (sin la ayuda de una enzima) en muchas proteínas y no se sabe que tenga un propósito útil. Sin embargo, a medida que aumenta la concentración de glucosa en la sangre, aumenta el porcentaje de Hb A que se convierte en Hb A 1c. En los diabéticos cuya glucosa suele ser alta, el porcentaje de Hb A 1c también es alto. Debido a la lenta tasa de combinación de Hb A con glucosa, la Hb A 1cEl porcentaje refleja un promedio ponderado de los niveles de glucosa en sangre durante la vida útil de los glóbulos rojos, que es de aproximadamente 120 días.Por lo tanto, los niveles de hemoglobina glicosilada se miden para monitorear el control a largo plazo de la enfermedad crónica de diabetes mellitus tipo 2 (T2DM). El control deficiente de la DM2 da como resultado niveles elevados de hemoglobina glicosilada en los glóbulos rojos. El rango de referencia normal es de aproximadamente 4,0 a 5,9%. Aunque es difícil de obtener, se recomiendan valores inferiores al 7 % para personas con DM2. Los niveles superiores al 9% se asocian con un control deficiente de la hemoglobina glicosilada y los niveles superiores al 12% se asocian con un control muy deficiente. Los diabéticos que mantienen sus niveles de hemoglobina glicosilada cerca del 7 % tienen muchas más posibilidades de evitar las complicaciones que pueden acompañar a la diabetes (que aquellos cuyos niveles son del 8 % o más).Además, el aumento de la glucosilación de la hemoglobina aumenta su afinidad por el oxígeno, impidiendo así su liberación en el tejido e induciendo un nivel de hipoxia en casos extremos.

Los niveles elevados de hemoglobina se asocian con un mayor número o tamaño de glóbulos rojos, lo que se denomina policitemia. Esta elevación puede ser causada por una cardiopatía congénita, cor pulmonale, fibrosis pulmonar, demasiada eritropoyetina o policitemia vera. Los niveles altos de hemoglobina también pueden ser causados ​​por la exposición a grandes alturas, el tabaquismo, la deshidratación (artificialmente por la concentración de Hb), enfermedad pulmonar avanzada y ciertos tumores.

Un estudio reciente realizado en Pondicherry, India, muestra su importancia en la enfermedad arterial coronaria.

Usos diagnósticos

La medición de la concentración de hemoglobina se encuentra entre los análisis de sangre más comúnmente realizados, generalmente como parte de un hemograma completo. Por ejemplo, normalmente se prueba antes o después de la donación de sangre. Los resultados se informan en g/L, g/dL o mol/L. 1 g/dL equivale aproximadamente a 0,6206 mmol/L, aunque estas últimas unidades no se utilizan con tanta frecuencia debido a la incertidumbre sobre el estado polimérico de la molécula. Este factor de conversión, que utiliza el peso molecular de una sola unidad de globina de 16 000 Da, es más común para la concentración de hemoglobina en la sangre. Para MCHC (concentración media de hemoglobina corpuscular) el factor de conversión 0,155, que utiliza el peso del tetrámero de 64.500 Da, es más común. Los niveles normales son:

  • Hombres: 13,8 a 18,0 g/dL (138 a 180 g/L o 8,56 a 11,17 mmol/L)
  • Mujeres: 12,1 a 15,1 g/dL (121 a 151 g/L o 7,51 a 9,37 mmol/L)
  • Niños: 11 a 16 g/dL (110 a 160 g/L o 6,83 a 9,93 mmol/L)
  • Mujeres embarazadas: 11 a 14 g/dL (110 a 140 g/L o 6,83 a 8,69 mmol/L) (valor habitual de 9,5 a 15 durante el embarazo)

Los valores normales de hemoglobina en el 1er y 3er trimestre de las mujeres embarazadas deben ser de al menos 11 g/dL y al menos 10,5 g/dL durante el 2º trimestre.

La deshidratación o la hiperhidratación pueden influir en gran medida en los niveles de hemoglobina medidos. La albúmina puede indicar el estado de hidratación.

Si la concentración está por debajo de lo normal, esto se llama anemia. Las anemias se clasifican por el tamaño de los glóbulos rojos, las células que contienen hemoglobina en los vertebrados. La anemia se denomina "microcítica" si los glóbulos rojos son pequeños, "macrocítica" si son grandes y "normocítica" en caso contrario.

El hematocrito, la proporción del volumen de sangre ocupado por los glóbulos rojos, suele ser aproximadamente tres veces la concentración de hemoglobina medida en g/dL. Por ejemplo, si la hemoglobina se mide a 17 g/dL, eso se compara con un hematocrito del 51 %.

Los métodos de prueba de hemoglobina de laboratorio requieren una muestra de sangre (arterial, venosa o capilar) y un análisis en un analizador de hematología y un oxímetro de CO. Además, también está disponible un nuevo método de prueba no invasivo de hemoglobina (SpHb) llamado Pulse CO-Oximetry con una precisión comparable a los métodos invasivos.

Las concentraciones de oxi y desoxihemoglobina se pueden medir de forma continua, regional y no invasiva mediante NIRS. NIRS se puede utilizar tanto en la cabeza como en los músculos. Esta técnica se utiliza a menudo para la investigación en, por ejemplo, entrenamiento deportivo de élite, ergonomía, rehabilitación, monitorización de pacientes, investigación neonatal, monitorización cerebral funcional, interfaz cerebro-ordenador, urología (contracción de la vejiga), neurología (acoplamiento neurovascular) y más.

El control a largo plazo de la concentración de azúcar en sangre puede medirse mediante la concentración de Hb A 1c. Medirlo directamente requeriría muchas muestras porque los niveles de azúcar en la sangre varían ampliamente a lo largo del día. La Hb A 1c es el producto de la reacción irreversible de la hemoglobina A con la glucosa. Una mayor concentración de glucosa da como resultado más Hb A 1c. Debido a que la reacción es lenta, la proporción de Hb A 1c representa el nivel de glucosa en la sangre promediado durante la vida media de los glóbulos rojos, típicamente ~120 días. Una proporción de Hb A 1c del 6,0 % o menos muestra un buen control de la glucosa a largo plazo, mientras que los valores superiores al 7,0 % son elevados. Esta prueba es especialmente útil para los diabéticos.

La máquina de resonancia magnética funcional (fMRI) utiliza la señal de la desoxihemoglobina, que es sensible a los campos magnéticos ya que es paramagnética. La medición combinada con NIRS muestra una buena correlación con la señal de oxihemoglobina y desoxihemoglobina en comparación con la señal BOLD.

Usos de seguimiento atlético y autoseguimiento

La hemoglobina se puede rastrear de forma no invasiva, para construir un conjunto de datos individuales que rastree los efectos de la hemoconcentración y la hemodilución de las actividades diarias para una mejor comprensión del entrenamiento y el rendimiento deportivo. Los atletas a menudo se preocupan por la resistencia y la intensidad del ejercicio. El sensor utiliza diodos emisores de luz que emiten luz roja e infrarroja a través del tejido hasta un detector de luz, que luego envía una señal a un procesador para calcular la absorción de luz por parte de la proteína de hemoglobina. Este sensor es similar a un oxímetro de pulso, que consta de un pequeño dispositivo de detección que se sujeta al dedo.

Análogos en organismos no vertebrados

En los organismos de los reinos animal y vegetal existe una variedad de proteínas de transporte y unión de oxígeno. Los organismos que incluyen bacterias, protozoos y hongos tienen proteínas similares a la hemoglobina cuyas funciones conocidas y previstas incluyen la unión reversible de ligandos gaseosos. Dado que muchas de estas proteínas contienen globinas y la fracción hemo (hierro en un soporte plano de porfirina), a menudo se denominan hemoglobinas, incluso si su estructura terciaria general es muy diferente de la de la hemoglobina de vertebrados. En particular, la distinción entre "mioglobina" y hemoglobina en animales inferiores a menudo es imposible porque algunos de estos organismos no contienen músculos. O bien, pueden tener un sistema circulatorio separado reconocible pero no uno que se ocupe del transporte de oxígeno (por ejemplo, muchos insectos y otros artrópodos). En todos estos grupos, Las moléculas que contienen hemo/globina (incluso las de globina monomérica) que se ocupan de la unión de gases se denominan oxihemoglobinas. Además de tratar con el transporte y la detección de oxígeno, también pueden tratar con NO, CO2, compuestos de sulfuro e incluso captación de O 2 en ambientes que deben ser anaeróbicos. Incluso pueden ocuparse de la desintoxicación de materiales clorados de una manera análoga a las enzimas y peroxidasas P450 que contienen hemo.

La estructura de las hemoglobinas varía según la especie. La hemoglobina se encuentra en todos los reinos de los organismos, pero no en todos los organismos. Las especies primitivas como las bacterias, los protozoos, las algas y las plantas a menudo tienen hemoglobinas de una sola globina. Muchos gusanos nematodos, moluscos y crustáceos contienen moléculas de múltiples subunidades muy grandes, mucho más grandes que las de los vertebrados. En particular, las hemoglobinas quiméricas que se encuentran en hongos y anélidos gigantes pueden contener tanto globina como otros tipos de proteínas.

Una de las ocurrencias y usos más llamativos de la hemoglobina en los organismos es en el gusano tubular gigante ( Riftia pachyptila, también llamado Vestimentifera), que puede alcanzar los 2,4 metros de longitud y puebla las fumarolas volcánicas oceánicas. En lugar de un tracto digestivo, estos gusanos contienen una población de bacterias que constituyen la mitad del peso del organismo. Las bacterias oxidan el H 2 S del respiradero con el O 2 del agua para producir energía y hacer alimento a partir del H 2 O y el CO 2. El extremo superior de los gusanos es una estructura similar a un abanico de color rojo oscuro ("pluma"), que se extiende hacia el agua y absorbe H 2 S y O 2 para las bacterias, y CO 2para su uso como materia prima sintética similar a las plantas fotosintéticas. Las estructuras son de color rojo brillante debido a su contenido de varias hemoglobinas extraordinariamente complejas que tienen hasta 144 cadenas de globina, cada una de las cuales incluye estructuras hem asociadas. Estas hemoglobinas son notables por ser capaces de transportar oxígeno en presencia de sulfuro, e incluso transportar sulfuro, sin estar completamente "envenenadas" o inhibidas por él como lo están las hemoglobinas en la mayoría de las otras especies.

Otras proteínas transportadoras de oxígeno

mioglobinaEncontrado en el tejido muscular de muchos vertebrados, incluidos los humanos, le da al tejido muscular un color rojo o gris oscuro distintivo. Es muy similar a la hemoglobina en estructura y secuencia, pero no es un tetrámero; en cambio, es un monómero que carece de unión cooperativa. Se utiliza para almacenar oxígeno en lugar de transportarlo.hemocianinaLa segunda proteína transportadora de oxígeno más común que se encuentra en la naturaleza, se encuentra en la sangre de muchos artrópodos y moluscos. Utiliza grupos protésicos de cobre en lugar de grupos hemo de hierro y es de color azul cuando se oxigena.hemeritrinaAlgunos invertebrados marinos y algunas especies de anélidos utilizan esta proteína no hemo que contiene hierro para transportar oxígeno en la sangre. Aparece rosa/violeta cuando está oxigenada, clara cuando no.clorocruorinaEncontrado en muchos anélidos, es muy similar a la eritrocruorina, pero el grupo hemo tiene una estructura significativamente diferente. Aparece verde cuando está desoxigenado y rojo cuando está oxigenado.vanabinasTambién conocidos como cromágenos de vanadio, se encuentran en la sangre de las ascidias. Una vez se planteó la hipótesis de utilizar el metal vanadio como un grupo prostético de unión al oxígeno. Sin embargo, aunque contienen vanadio de preferencia, aparentemente se unen a poco oxígeno y, por lo tanto, tienen alguna otra función, que no ha sido aclarada (los chorros de mar también contienen algo de hemoglobina). Pueden actuar como toxinas.eritrocruorinaSe encuentra en muchos anélidos, incluidas las lombrices de tierra, es una proteína sanguínea gigante que flota libremente y contiene muchas docenas, posiblemente cientos, de subunidades de proteínas portadoras de hierro y hemo unidas en un único complejo proteico con una masa molecular superior a 3,5 millones de daltons.pinnaglobinaSolo se ve en el molusco Pinna nobilis. Proteína de porfirina a base de manganeso marrón.LeghemoglobinaEn las plantas leguminosas, como la alfalfa o la soja, las bacterias fijadoras de nitrógeno en las raíces están protegidas del oxígeno por este hemo de hierro que contiene proteína fijadora de oxígeno. La enzima específica protegida es la nitrogenasa, que no puede reducir el gas nitrógeno en presencia de oxígeno libre.coboglobinaUna porfirina sintética a base de cobalto. La coboproteína parecería incolora cuando se oxigena, pero amarilla cuando está en las venas.

Presencia en células no eritroides

Algunas células no eritroides (es decir, células distintas de la línea de glóbulos rojos) contienen hemoglobina. En el cerebro, estos incluyen las neuronas dopaminérgicas A9 en la sustancia negra, los astrocitos en la corteza cerebral y el hipocampo, y en todos los oligodendrocitos maduros. Se ha sugerido que la hemoglobina cerebral en estas células puede permitir el "almacenamiento de oxígeno para proporcionar un mecanismo homeostático en condiciones anóxicas, lo cual es especialmente importante para las neuronas A9 DA que tienen un metabolismo elevado con un alto requerimiento de producción de energía".Se ha señalado además que "las neuronas dopaminérgicas A9 pueden correr un riesgo particular ya que, además de su alta actividad mitocondrial, se encuentran bajo un intenso estrés oxidativo causado por la producción de peróxido de hidrógeno a través de la autooxidación y/o la desaminación de la monoamina oxidasa (MAO) mediada por dopamina y la subsiguiente reacción del hierro ferroso accesible para generar radicales hidroxilo altamente tóxicos". Esto puede explicar el riesgo de que estas células se degeneren en la enfermedad de Parkinson. El hierro derivado de la hemoglobina en estas células no es la causa de la oscuridad post-mortem de estas células (origen del nombre latino, substantia nigra ), sino que se debe a la neuromelanina.

Fuera del cerebro, la hemoglobina tiene funciones no transportadoras de oxígeno como antioxidante y regulador del metabolismo del hierro en macrófagos, células alveolares y células mesangiales en el riñón.

En historia, arte y música.

Históricamente, se produce una asociación entre el color de la sangre y el óxido en la asociación del planeta Marte, con el dios romano de la guerra, ya que el planeta es de un color rojo anaranjado, que recordaba a los antiguos a la sangre. Aunque el color del planeta se debe a los compuestos de hierro en combinación con el oxígeno en el suelo marciano, es un error común pensar que el hierro en la hemoglobina y sus óxidos dan a la sangre su color rojo. En realidad, el color se debe a la porción de porfirina de la hemoglobina a la que se une el hierro, no al hierro en sí, aunque la ligadura y el estado redox del hierro pueden influir en las transiciones electrónicas pi a pi* o n a pi* de la porfirina y de ahí sus características ópticas.

El artista Julian Voss-Andreae creó una escultura llamada Heart of Steel (Hemoglobina) en 2005, basada en la columna vertebral de la proteína. La escultura fue hecha de vidrio y acero resistente a la intemperie. La oxidación intencional de la obra de arte inicialmente brillante refleja la reacción química fundamental de la hemoglobina de la unión del oxígeno al hierro.

El artista de Montreal Nicolas Baier creó Lustre (Hémoglobine), una escultura en acero inoxidable que muestra la estructura de la molécula de hemoglobina. Se exhibe en el atrio del centro de investigación del Centro de Salud de la Universidad McGill en Montreal. La escultura mide unos 10 metros × 10 metros × 10 metros.

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