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Análisis estructural de la hemoglobina (HB)

Resumen: Estructura Primaria. Estructura Secundaria. Estructura Terciaria. Estructura Cuaternaria. La hemoglobina es uno de los derivados nitrogenados de la ferroprotoporfirina. es una proteína conjugada que contiene las proteínas básicas incoloras, las globinas y ferroprotoporfirina o hem (el cual consta de una parte orgánica y un átomo de hierro). Esta proteína es la encargada de transportar el O2 en la sangre, por poseer el grupo hem, es similar a la mioglobina.(V)
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Autor: Ivonne Meneses Angulo y Otros Autores

Indice
1. Introduccion
2. Estructura Primaria
3. Estructura Secundaria
4. Estructura Terciaria
5. Estructura Cuaternaria
6. Bibliografía

1. Introduccion

La hemoglobina es uno de los derivados nitrogenados de laferroprotoporfirina. es una proteína conjugada que contiene las proteínas básicasincoloras, las globinas y ferroprotoporfirina o hem (el cual consta de una parteorgánica y un átomo de hierro). Esta proteína es la encargada de transportarel O2 en la sangre, por poseer el grupo hem, es similar ala mioglobina.

2. Estructura Primaria

Las hemoglobinas de todos los mamíferos tienen un peso molecular aproximadode 65.000 y en esencia son tetrámeros, que constan de 4 cadenas péptidas, cadauna de las cuales esta unida a un grupo hem. Las moléculas de hemoglobina seforman por combinación de dos subunidades de una cadena peptídica llamada ay dos de bdonde las cadenas polipeptídicas están constituidas por eslabones de aminoácidos(AA) denominados residuos; conteniendo 141 residuos la cadena ay 146 la cadena b. Todo ser humano es capaz de sintetizar (genéticamente) e introducir en lahemoglobina cuatro cadenas polipéptidas designadas a, b, gy d. Con escasas excepciones las moléculas de HB se forman por la combinación dedos cadenas acon dos go d. La HB de una persona adulta normal se designa por HB A = a2A b2A y de igual forma, la HB fetal es HB A = a2Ag2F Las cadenas b, g, dcontienen todas ellas 146 unidades que se asemejan mucho entre sí en lasecuencia de AA, hay solo 39 residuos de AA diferentes entre las cadenas by gy solo 10 entre by d.

La cantidad de AA se puede determinar por métodos químicos o enzimáticos.
Reactivos químicos:

  • SANGER: Emplea 2,4 Dinitrofluorobenceno (DNF), en solución ligeramente alcalina y a temperatura ambiente, este pasa a ser parte del polipéptido en el N terminal, posteriormente este se hidroliza, quedando el dinitrofenil aminoácido de color amarillo y los otros aminoácidos en estado libre. Después estas se separan cromatográficamente para su identificación.
  • EDMAN: Se hace reaccionar la hemoglobina con fenilisotiosianato que se combina con el grupo a amino libre de la Valina, posteriormente se coloca el péptido con ácido diluido y frió, lo que separa la Valina de la cadena principal y lo convierte en un derivado de la feniltiovidantoina mas el péptido del nuevo n-terminal de la Leucina.
  • BROMURO DE CIANOGENO: Separa los enlaces peptídico por el lado carboxilo de los residuos de metionina dejando nuevas unidades peptídicas.
  • CLORURO DE DABSILO: Se utiliza para marcar el péptido que después se hidroliza con HCl, se identifica por sus características cromatograficas. Suele utilizarse el cloruro de babsilo porque forma derivados altamente coloreados que se detectan con alta sensibilidad. Este reacciona con el amino libre de una amina para formar un derivado sulfoamidico, que resulta estable en las condiciones que permite hidrolizar los enlaces peptídico.

Reactivos enzimaticos:

  • TRIPSINA: La tripsina es un enzima proteolitica del jugo intestinal. Hidroliza los péptido por el lado carboxílico de los residuos de Argina y Lisina tanto la tripsina como el Bromuro de Cianógeno (CNBr) son más efectivos para péptido de más de 50 residuos.
  • CARBOPÈPTIDASAS: Hidroliza al enlace peptídico en que interviene el residuo terminal COOH, de esta manera se determina el aminoácido, que se libera por acceso de la carboxipeptidasa sobre el polipéptido. Conociendo los residuos amino y carboxilo terminal se establecen puntos de referencia importantes en la secuencia de aminoácidos.
  • AMINOPEPTIDASA: Hidroliza al enlace peptídico en que interviene el residuo terminal NH2.

Se realizó el análisis de las cantidades relativas de aminoácidos en lacadena de ben 24 AA (de AA 36 al AA 59) - Ver anexo 1 –

COMPOSICION QUIMICA GRUPO - R

IONIZACION DEL GRUPO - R

Acidos

20.83 %

Hidroxilados

16.66%

Acidos

12.50%

Básicos

8.30 %

Azufrados

4.16%

Básicos

8.33%

Imino

12.60 %

Aromáticos

16.66%

Neutros

79.17 %

Alifático

20.83 %

Polaridad

Importancia Nutricional

Polar

58.30 %

Esenciales

41.60%

No Polar

41.60 %

No esenciales

58.30%

  • Variación genética de la estructura de la HB: Muchas mutaciones dan lugar a un cambio en la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Algunas HB anormales (actualmente se conocen unas 42 de la HBA) se les ha logrado establecer las sustituciones de aminoácidos. En cada caso, la producción de la proteína variante se debe a una mutación puntual que representa la alteración mínima en el gen (cistron) y ésta es heredada de forma mendeleiana, siendo diferentes los cistrones para las cadenas alfa y beta y probablemente localizados en cromosomas diferentes. En la sección estudiada en este análisis estructural, solo hay dos posibles HB anómalas

Tipo HB

Posición

Residuo en

HBA

Mutante

GGalveston

b 43

Glu

Ala

KIbadan

b 46

Gli

Glu

 

3. Estructura Secundaria

La orientación de las cadenas polipeptídicas puede ser completamenteextendida ( que no es muy común ), por lo que es mejor clasificarlas como a)alfahélice, b) hoja plegada, c) al azar. El porcentaje de contenido de alfahéliceen las proteínas globulares es bastante variable (0 – 90%), en el caso de laHB su contenido es de un 75%. Existen dos factores (o mas bien aminoácidos quepertenezcan a la cadena polipeptídica) que pueden interrumpir la orientaciónhelicoidal: (1) presencia de prolina la cual provoca una torsión de la cadenay, (2) la presencia de fuerzas electrostáticas localizadas de repulsión debidoa un conjunto de grupos –R cargados positivamente (lisina y argina), onegativamente (ac- glutámico y aspártico). – Ver anexo 2a-.
En la cadena polipeptídica seleccionada (
b36-59), desde el AA 36 al 42 encontramos una estructura que se forma alenrollarse helicoidalmente sobre si mismo, se debe a la formación de enlaces dehidrógeno entre el –C = O de un AA y el –NH. Del AA 43 al 52, se forma unaestructura de hoja plegada, la cual se identifica por que no forma una hélicesino una cadena en forma de zigzag. Del AA 53 al 53 encontramos una estructurahelicoidal.

4. Estructura Terciaria

La HB es casi esférica (globular), con un diámetro de 55 A, las cuatrocadenas están empaquetadas conjuntamente en disposición tetraédrica (veranexo 2b). Los grupos Hemo, están localizados en unas oquedades cercanas alexterior de la molécula, uno en cada subunidad. Los 4 lugares de unión del oxígenoestán separados, la distancia entre los dos átomos de Fe más próximos es de25 A e inclinados con ángulos diferentes.
Cada grupo hemo se encuentra enterrado parcialmente rodeado por grupos -R Hidrofóbicos.Este se halla unido a la cadena polipeptídica mediante un enlace coordinado delátomo de Fe con la HIS (histidina), mientras el otro enlace de coordinacióndel Fe se halla disponible para el transporte del oxigeno. Existe una grancantidad de residuos hidrofílicos en la superficie de la cadena, pero el centrode la
a- hélice es especialmente hidrofóbico. Como en todas las proteínas existe unanaturaleza anfipática, la cual hace que existan diferentes regiones quepresenten mayor o menor polaridad, esto depende de los tipos de residuos quecompongan la región. También existen fuerzas Vander Walls, aquellos que poseenun componente electrostático que se presentan cuando dos regiones apolares seencuentran lo suficientemente cerca para que se forme la fuerza entre losdipolos instantáneos o débiles (determinados residuos) y entre ellos producenun campo eléctrico, igualmente, las interacciones electrostáticas o puentessalinos, que se presentan cuando algunos iones se encuentran cercanos a la proteínay modifican el campo eléctrico, son importantes ya que estos dan estabilidad ala forma de la HB.
Por último en la estructura de la HB no hay enlaces de tipo S-S, ya que losresiduos Cys (cistina), no son comunes en la cadena
aaunque en la bsi hay; pero no es posible que se establezcan este tipo de enlaces entre lascadenas ay bde las globinas. Cada cadena aestá en contacto con las cadenas b, sin embargo, existen pocas interacciones entre las dos cadenas ao entre las dos cadenas bentre sí.

5. Estructura Cuaternaria

La Estructura cuaternaria modula las actividades biológicas de las proteínas.Tanto las proteínas transportadores (hemoglobina), como las enzimáticas (A,T,C-ASA) pierden buena acción específica al fraccionarla en subunidades. Laproteína íntegra al realizar la catálisis propia, admite una regulación ensu actividad es decir puede frenarse o acelerarse, en respuesta a metabolitosconcretos que pueden ser el propio sustrato o distintos modulars alostericos,las propiedades alostéricas de la HB se producen por la interaccion de lassubunidades diferentes. La unidad funcional de la HB es un tetramero que constade dos clases de cadenas polipeptídicas.
La hemoglobina está clasificada dentro del grupo de las proteínas conjugadasya que además de tener o poseer aminoácidos contiene además una proporciónsignificativa del grupo prostético hem pues cada cadena del tetrámero estáasociada a uno de estos. En el caso de la estructura de HB se presenta el tercercaso que es el de los monómeros defunción análoga pero de estructuradiferente de tal manera que no se pueden sustituir unos por otros sin ciertasrestricciones.
La asociación de diferentes tipos de globinas origina las diferentes especiestetraméricas de la HB siendo HBA
a2b2, HBA2a2d2, HBFa2g2. Se conocen como hemoglobinasanormales como la HBb4 o la HBBartz que es la d4 con cuatro monómeros idénticos pero son funcionalmente inferioresa las antes mencionadas. En este caso no son posibles estructuras intermediascon estructura impar de monómeros de cada clase, ejemplo ( a3b)

Cuando se produce la oxigenación de la desoxihemoglobina, no hay variaciónalguna de la estructura terciaria; pero cuando se une el O2 a losgrupos hemo de esta, las subunidades a, bque permanecen rígidas, cambian ligeramente de posición, aproximándose entresí lo que presenta un cambio de la estructura cuaternaria. Existen dos clasesde regiones de contacto entre las cadenas ay b. Uno de los tipos de contacto es (a1b2) que es idéntico al (a2b1); el otro tipo es (a1b1) y (a2b2). La estructura cuaternaria de ladesoxiHB se denomina forma T tensa o tirante; la oxiHB forma R relajado. El átomode hierro arrastra con él la histidina proximal cuando se introduce en el planode la porfirina. Este movimiento de la histidina F8 provoca una alteración dela estructura hélice F y en los acodamientos EF y FG. Estos cambiosconformacionales se transmiten a las interfases de las subunidades ocasionandola ruptura de los enlaces salinos intercatenarios lo que provoca que la proteínacambie a la forma R.
Esta estructura cuaternaria le confiere propiedades adicionales extraordinarias(ausentes en la hemoglobina) que la adaptan a sus papeles biológicos únicos ypermiten una regulación precisa de sus propiedades. Las fuerzas que mantienenunidas las cadenas peptídicas para dar una estructura cuaternaria suelen ser detipo fisicoquímico (asociación hidrofóbica), y el ensamblaje de monómeros serealiza expontáneamente, ocurre así la ordenación cuaternaria adoptada,representa un mínimo de energía libre para la molécula.

6. Bibliografía

  1. BOHINSKI, Robert. Bioquímica. Edit. Fondo EducativoInteramericano. 1976
  2. LA BASE MOLECULAR DE LA VIDA. Blume Ediciones. 1978
  3. MACARULLA, Jose. Biomoléculas: Lecciones de Bioquímica estructural. Editorial Reverté.1978 España
  4. STRYER, Lubert. Bioquímica, Tomo 1. Edit. Reverté, 4º edición
  5. www.google.com
  6. www. Monografías.com

 

Trabajo enviado por:
Ivonne Meneses Angulo
anguloivonne@universia.net.co
Cesar Mosquera
cesar_alejandro_mosquera_cerquera@hotmail.com
Rodrigo Eduardo Silva
r_silva84@hotmail.com
Estudiantes de Ingenieria Ambiental y Sanitaria
Universidad de la Salle
Bogotá-Colombia

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