Hemoproteína

La unión de oxígeno a un grupo de prótesis heme, que sería parte de una hemoproteína.

Una hemoproteína (o hemoproteína; también hemoproteína o hemoproteína), o hemoproteína, es una proteína que contiene un grupo protésico hemo. Son una clase muy grande de metaloproteínas. El grupo hemo confiere funcionalidad, que puede incluir transporte de oxígeno, reducción de oxígeno, transferencia de electrones y otros procesos. El hemo se une a la proteína de forma covalente o no covalente o ambas.

El hemo consiste en un catión de hierro unido al centro de la base conjugada de la porfirina, así como otros ligandos unidos a los "sitios axiales" del hierro El anillo de porfirina es un ligando tetradentado dianiónico planar. El hierro suele ser Fe²⁺ o Fe³⁺. Uno o dos ligandos están unidos en los sitios axiales. El anillo de porfirina tiene 4 átomos de nitrógeno que se unen al hierro, dejando otras dos posiciones de coordinación del hierro disponibles para unirse a la histidina de la proteína y un átomo divalente.

Las hemoproteínas probablemente evolucionaron para incorporar el átomo de hierro contenido dentro del anillo de protoporfirina IX del hemo en las proteínas. Como hace que las hemoproteínas respondan a moléculas que pueden unirse al hierro divalente, esta estrategia se ha mantenido a lo largo de la evolución, ya que desempeña funciones fisiológicas cruciales. El oxígeno (O₂), el óxido nítrico (NO), el monóxido de carbono (CO) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S) se unen al átomo de hierro en las proteínas hemo. Una vez unidas a los grupos hemo protésicos, estas moléculas pueden modular la actividad/función de esas hemoproteínas, lo que permite la transducción de señales. Por lo tanto, cuando se producen en sistemas biológicos (células), estas moléculas gaseosas se denominan gasotransmisores.

Un modelo de la subunidad Fe-protoporfirina IX del cofactor Heme B.

Debido a sus diversas funciones biológicas y abundancia generalizada, las hemoproteínas se encuentran entre las biomoléculas más estudiadas. Los datos sobre la estructura y la función de la proteína hemo se han agregado a The Heme Protein Database (HPD), una base de datos secundaria del Protein Data Bank.

Funciones

Las hemoproteínas tienen diversas funciones biológicas, incluido el transporte de oxígeno, que se completa a través de las hemoproteínas, incluidas la hemoglobina, la mioglobina, la neuroglobina, la citoglobina y la leghemoglobina.

Algunas hemoproteínas (citocromo P450, citocromo c oxidasa, ligninasas, catalasa y peroxidasas) son enzimas. A menudo activan el O₂ para la oxidación o la hidroxilación.

Las hemoproteínas también permiten la transferencia de electrones, ya que forman parte de la cadena de transporte de electrones. El citocromo a, el citocromo b y el citocromo c tienen tales funciones de transferencia de electrones. El sistema sensorial también depende de algunas hemoproteínas que incluyen FixL, un sensor de oxígeno, CooA, un sensor de monóxido de carbono y guanilil ciclasa soluble.

Hemoglobina y mioglobina

La hemoglobina y la mioglobina son ejemplos de hemoproteínas que, respectivamente, transportan y almacenan oxígeno en los mamíferos. La hemoglobina es una proteína cuaternaria que se encuentra en los glóbulos rojos, mientras que la mioglobina es una proteína terciaria que se encuentra en las células musculares de los mamíferos. Aunque pueden diferir en ubicación y tamaño, su función es similar. Al ser hemoproteínas, ambas contienen un grupo prostético hemo.

His-F8 de la mioglobina, también conocida como histidina proximal, está unida covalentemente a la quinta posición de coordinación del hierro. El oxígeno interactúa con el His distal a través de un enlace de hidrógeno, no covalente. Se une a la sexta posición de coordinación del hierro, His-E7 de la mioglobina se une al oxígeno que ahora está unido covalentemente al hierro. Lo mismo es cierto para la hemoglobina; sin embargo, al ser una proteína con cuatro subunidades, la hemoglobina contiene cuatro unidades hemo en total, lo que permite que cuatro moléculas de oxígeno en total se unan a la proteína.

La mioglobina y la hemoglobina son proteínas globulares que sirven para unir y suministrar oxígeno mediante un grupo protésico. Estas globinas mejoran drásticamente la concentración de oxígeno molecular que se puede transportar en los fluidos biológicos de los vertebrados y algunos invertebrados.

Ocurren diferencias en la unión de ligandos y la regulación alostérica.

Mioglobina

La mioglobina se encuentra en las células musculares de los vertebrados. Las células musculares, cuando se ponen en acción, pueden requerir rápidamente una gran cantidad de oxígeno para la respiración debido a sus necesidades energéticas. Por lo tanto, las células musculares utilizan la mioglobina para acelerar la difusión de oxígeno y actuar como reservas de oxígeno localizadas para momentos de respiración intensa. La mioglobina también almacena la cantidad necesaria de oxígeno y la pone a disposición de las mitocondrias de las células musculares.

Hemoglobina

En los vertebrados, la hemoglobina se encuentra en el citosol de los glóbulos rojos. A veces se hace referencia a la hemoglobina como la proteína transportadora de oxígeno, para contrastarla con la mioglobina, que es estacionaria.

En los vertebrados, los tejidos de los pulmones toman oxígeno en el cuerpo y lo pasan a los glóbulos rojos en el torrente sanguíneo. Luego, el oxígeno se distribuye a todos los tejidos del cuerpo y se descarga de los glóbulos rojos a las células que respiran. La hemoglobina luego recoge dióxido de carbono para ser devuelto a los pulmones. Por lo tanto, la hemoglobina se une y descarga tanto el oxígeno como el dióxido de carbono en los tejidos apropiados, lo que sirve para suministrar el oxígeno necesario para el metabolismo celular y eliminar el producto de desecho resultante, el CO₂.

Citocromo c oxidasa

La citocromo c oxidasa es una enzima incrustada en la membrana interna de las mitocondrias. Su función principal es oxidar la proteína citocromo c. La citocromo c oxidasa contiene varios sitios activos de metales.

Proteínas hemo diseñadas

Pincer-1: Un péptido de unión de heme diseñado que adopta una estructura secundaria de todo el beta. ABOVE: Representación topológica de Pincer-1 mostrando la estructura secundaria y diseñó residuos de interacción. Modelo 3-dimensional de Pincer-1. Este modelo fue confirmado parcialmente mediante NMR.

Debido a las diversas funciones de la molécula hemo: como transportador de electrones, transportador de oxígeno y cofactor enzimático, las proteínas de unión al hemo han atraído constantemente la atención de los diseñadores de proteínas. Los intentos iniciales de diseño se centraron en las proteínas de unión a hemo helicoidales α, en parte, debido a la relativa simplicidad del diseño de haces helicoidales autoensamblables. Los sitios de unión a hemo se diseñaron dentro de los surcos hidrofóbicos inter-helicoidales. Ejemplos de tales diseños incluyen:

• Helichrome
• Globin-1
• Cy-AA-EK
• Péptidos IIa/IId
• α2
• Diseños helicoidales transmembrane

Los intentos de diseño posteriores se centraron en crear haces helicoidales funcionales de unión al grupo hemo, como:

• Oxidoreductas
• Peroxidases
• Proteínas de transporte de electrones
• Proteínas de transporte de oxígeno
• Proteínas fotosensibles

Las técnicas de diseño han madurado hasta tal punto que ahora es posible generar bibliotecas completas de proteínas helicoidales de unión a hemo.

Los intentos de diseño recientes se han centrado en la creación de proteínas de unión a hemo totalmente beta, cuya topología novedosa es muy rara en la naturaleza. Tales diseños incluyen:

• Pincer-1
• β-hairpin peptides
• Miniproteínas de hoja de β
• Péptidos de hoja β multifunción