artículo. bioquímica en la vida diaria

Revista Ciencias de la Salud Universidad del [email protected] ISSN (Versin impresa): 1692-7273COLOMBIA

2006 Carlos Mario Echeverra Palacio / Ral Ramrez Grueso / Kelly Coba Torres / Mara

Orfa RojasBIOQUMICA EN LA VIDA DIARIA: EL EQUILIBRIO QUMICO Y LA FUNCIN

TRANSPORTADORA DE LA HEMOGLOBINA Revista Ciencias de la Salud, diciembre, ao/vol. 4, nmero 002

Universidad del Rosario Bogot, Colombia

pp. 109-115

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxico

http://redalyc.uaemex.mx

Rev. Cienc. Salud. Bogot (Colombia) 4 (2): 109-115, diciembre de 2006 / 109

Bioqumica en la vida diaria: el equilibrio qumico y la funcin transportadora de la hemoglobina

Educacin / Education

ResumenLa hemoglobina es una protena sangunea

que puede transportar oxgeno, un gas insolu-

ble en medio acuoso, llevndolo a las diferentespartes del organismo en donde es requerido parasu buen funcionamiento, as como productosmetablicos como el CO

2 y el hidrgeno, para

su excrecin. Estos procesos se ven condiciona-dos por factores como el pH, la concentracin deBPG, las presiones parciales de O2 y CO2, lacooperatividad de la unin entre la hemoglobi-na y esos compuestos y los cambios conforma-cionales que la hemoglobina debe sufrir paracaptar y soltar eficientemente estas molculasen el sitio del organismo donde son requeridos.Cambios abruptos en la presin atmosfrica li-gados a la altura, y la exposicin a altas concen-traciones de otros gases afines a la hemoglobinacomo el monxido de carbono, presente en ve-hculos o recintos cerrados, pueden comprome-ter el funcionamiento normal del organismoprecisamente porque causan efectos sobre esafuncin transportadora de la hemoglobina. Eneste escrito, se explicarn fenmenos de la vidadiaria relacionados con el transporte de gasespor la hemoglobina, como una demostracin deque los conocimientos bioqumicos comienzana ser tiles desde ahora para entender situacio-nes cotidianas y a dejarnos la expectativa de suvalor para entender muchos de los problemasde salud que tendremos en nuestras manos.

Palabras clave:Palabras clave:Palabras clave:Palabras clave:Palabras clave: transporte de O2 , transportede CO

2 , balance cido-base, estructura funcin de

la hemoglobina, transporte de gases.

Recibido: 04 de septiembre de 2006.Aceptado: 25 de septiembre de 2006.* Estudiantes de Bioqumica I, primer semestre Pro-

grama de Medicina, 2006. Investigador principal proyecto investigacin edu-cativa Aplicacin de una estrategia interactiva noconvencional para el aprendizaje de la Bioqumicaen grupos grandes, profesora Unidad Bioqumica.Autor correspondiente: Mara Orfa Rojas, Facultadde Medicina, Instituto Ciencias Bsicas, Unidad deBioqumica. [email protected].

AbstractThe hemoglobin is a blood protein which can

transport oxygen, a gas insoluble in water, todifferent organs where it is required for the pro-per function; this protein also transports themetabolic products, CO

2 and H+ for their

excretion. This process depends on pH, the BPGconcentration, pO

2 and pCO

2. The cooperative

binding between hemoglobin and those com-pounds and the conformational changes nece-ssary for oxygen and CO

2 uptake and release in

the specific place where they are required. A-brupt changes of atmospheric pressure associatedwith height and the exposure to other gases suchas CO present in vehicles and closed roomscould compromise the normal functioning of theorganism because their presence affects thetransport function of the hemoglobin. In thispaper, we will explain everyday phenomenarelated to the transport of gases through hemo-globin as a demonstration that a knowledge ofbiochemistry begins to be useful from now on

Bioqumica en la vida diaria: el equilibrio qumico yla funcin transportadora de la hemoglobinaBiochemistry Applied to Everyday Life: Chemical Equilibrium and theTransporting Function of the HemoglobinCarlos Mario Echeverra Palacio*, Ral Ramrez Grueso*, Kelly Coba Torres*, Mara Orfa Rojas

110 / Rev. Cienc. Salud. Bogot (Colombia) 4 (2): 109-115, diciembre de 2006

Echeverra C.M, Ramrez R., Coba K., Rojas M.O.

to understand everyday situations and give usan expectation of their value to comprehendmany health problems that would be faced inthe future.Key Key Key Key Key WWWWWords:ords:ords:ords:ords: O2 transport, CO2 transport, acid-bases balance, Structure and function of hemo-globin, gas transport.

El proceso evolutivo ha permitido la adapta-cin de las especies a cambios ambientales, parasatisfacer sus necesidades fisiolgicas y meta-blicas. La mayora de los vertebrados y en es-pecial los mamferos han desarrollado complejossistemas que permiten captar, metabolizar y dis-tribuir los nutrientes y la energa necesaria paracada clula. Tambin han desarrollado mecanis-mos que median la excrecin de residuos. Unode estos sistemas de enorme complejidad es elsistema circulatorio, encargado por medio de lasangre de distribuir los nutrientes y recoger losdesechos del metabolismo (1).

El O2 es fundamental para realizar varios

procesos en el metabolismo celular, para lo cualdebe ser llevado desde los pulmones hasta lostejidos. Sin embargo, su naturaleza gaseosaapolar le confiere poca solubilidad en solucio-nes acuosas en las cuales tendera a producirburbujas que en el caso de nuestro organismole impedira llegar hasta los tejidos. De igual for-ma el CO

2, uno de los principales productos de

desecho del metabolismo celular, es un gas quepor las mismas razones que el oxgeno, es insolu-ble en medio acuoso, pero que debe ser transpor-tado hasta los pulmones para ser excretado (2).

El organismo obvia estos problemas utili-zando una molcula proteica que posee afini-dad por los dos gases de tal forma que puedetransportarlos hasta los sitios requeridos bienpara su utilizacin o expulsin. Esta protena, esla hemoglobina presente en los eritrocitos, y que

como se indic tiene capacidad para fijar O2 en

los pulmones y liberarlo a nivel tisular, consti-tuyendo un claro ejemplo de unin reversiblede una protena a un ligando; as mismo, la he-moglobina tiene la capacidad de llevar parte delCO

2 de los tejidos a los pulmones para su excre-

cin. Esta reversibilidad de la unin hemoglo-bina-oxgeno es aprovechada por el organismopara captar pero tambin para soltar el oxgenoa nivel tisular. En este proceso intervienen fac-tores como el pH, las presiones parciales de O

2 y

CO2 (pO

2 y pCO

2), la cooperatividad de la unin

de los gases a la hemoglobina, los cambios con-formacionales que la hemoglobina debe sufrirpara ejercer su funcin, las concentraciones debifosfoglicerato (BPG) y an la presencia de otroscompuestos como el monxido de carbono quepuedan competir por los sitios de unin a la pro-tena (1, 2).

La hemoglobina es una protena globularconstituida por cuatro cadenas polipeptdicas(dos alfa y dos beta). Cada una de las cadenas,contiene un grupo prosttico, denominado he-mo, el cual a su vez contiene un tomo de hierro,que por su estado de oxidacin tiene la capaci-dad de fijar reversiblemente una molcula deoxgeno (2).

Cuando una molcula de O2 se une a la he-

moglobina, se producen cambios conforma-cionales que modulan una mayor o menoractividad de la protena para unir o soltar el li-gando, en un proceso que se conoce comoalosterismo (2). La afinidad de la hemoglobinapor el oxgeno es dependiente de esta transicinconformacional que define dos estados deno-minados tenso (T) y relajado (R). En el estado To de baja afinidad, la hemoglobina se encuentradesoxigenada, y las probabilidades de unin conel O

2 son mnimas. El estado R o de alta afini-

dad, por el contrario, presenta una alta tenden-



cia a fijar el O2. La transicin entre estos dos esta-

dos se encuentra determinada por el carcter co-operativo de la unin hemoglobina-oxgeno,sobre la cual influyen los factores anteriormen-te mencionados (2).

Adicionalmente, la afinidad de la hemoglo-bina por el oxgeno es directamente proporcio-nal a la presin parcial de oxgeno, pO

2, la cual

es mayor en los pulmones (12.7 kPA) compara-da con la de los tejidos (4 kPA) (2, 3). Por lasrazones expuestas, la unin del oxgeno a lahemoglobina facilita el cambio conformacional(T a R) para que se adhieran otras tres molcu-las, en un proceso conocido como regulacinhomotrpica.

La hemoglobina tambin transporta los dosprincipales productos de la respiracin celular,CO

2 e

H+, desde los tejidos hacia los pulmones

y riones para su excrecin. Debido a que aligual que el oxgeno, el dixido de carbono esun gas apolar,

requiere ser transportado como

bicarbonato, el cual se forma de acuerdo a lasiguiente reaccin:

Esta reaccin es catalizada por la anhidrasacarbnica, una enzima particularmente abun-dante en los eritrocitos. Como la reaccin lomuestra, la disolucin del CO

2 genera un au-

mento en la concentracin de iones H+, lo cualimplica un descenso del pH; esta variacin delpH a su vez determina cambios de afinidad en-tre la hemoglobina y el oxgeno: a una alta con-centracin de H+ y de CO

2, como ocurre en los

tejidos perifricos, la afinidad de la hemoglobi-na por el oxgeno decrece y entonces este es li-berado. De manera contraria, cuando el

CO

2

llega a los pulmones y es excretado, el pH seeleva permitiendo un cambio conformacionalen la hemoglobina y un aumento de su afinidad

CO2 (d) + H2O H2CO3 H+ + HCO3 (1)

por el oxgeno dando lugar a que comience denuevo el proceso de su transporte hacia los teji-dos (2, 4)

En la reaccin (2), se evidencia la dependenciaque el proceso de oxigenacin y desoxigenacinde la hemoglobina tiene de la concentracin deiones hidrgeno en el medio celular. De acuer-do con la reaccin, y como consecuencia del me-tabolismo, cuando aparecen en los tejidos losiones hidrgeno causando descensos del pH, lahemoglobina suelta el oxgeno y se protonaemprendiendo de nuevo su viaje a los pulmo-nes para reiniciar el proceso de captacin deoxgeno.

Es pertinente aclarar, que la unin del oxge-no y de los protones a la hemoglobina, ocurreen sitios diferentes: mientras el O

2 se fija al Fe++

del grupo hemo, los H+ lo hacen a diferentesresiduos aminoacdicos de la protena, especial-mente a la histidina. La fijacin H+ a la His146,permite la estabilizacin del estado T de la he-moglobina, propiciando la actividad cooperati-va de esta protena para la unin del oxgeno.Una pequea cantidad de CO

2 es fijada a los

extremos -amino en forma de carbonato, pro-duciendo un efecto inverso sobre la afinidadhemoglobina - oxgeno- (2).

Otro aspecto que debe tenerse en cuenta, esel efecto de disminucin de la afinidad de la he-moglobina por el oxgeno como consecuenciade su interaccin con el 2,3-bifosfoglicerato(BPG), un compuesto presente en concentracio-nes relativamente altas en el eritrocito. Estamolcula, cargada negativamente, se une a laprotena por interaccin con aminocidos car-gados positivamente dispuestos en una cavidadformada entre las sub unidades cuando la pro-tena tiene la conformacin T. Cuando la prote-

HbH+ + O2 HbO2 + H+ (2)



na pasa al estado R, se produce un cambioconformacional que evita la unin del BPG a laHb. Cuando el BPG est ausente, se favorecela conformacin R de la hemoglobina. El proce-so de unin de la hemoglobina al 2,3 bifosfo-glicerato, se muestra en la reaccin (3)

El BPG, se une a la hemoglobina en un sitiodistante al de unin al oxgeno, regulando suafinidad por el oxgeno en relacin con su pre-sin parcial en los pulmones. Esta molcula juegaun papel importante en la adaptacin de orga-nismos sometidos a las bajas presiones de ox-geno encontradas a elevadas altitudes. Enpersonas sanas que viven a nivel del mar la can-tidad de oxgeno que se une a la Hb es reguladade tal forma que en los tejidos se libere cerca del40% que puede ser transportado por la san-gre.Cuando una de estas personas es trasladadarpidamente a altitudes elevadas, donde la pO

2

es considerablemente menor, se reduce la libe-racin de oxgeno en los tejidos, sin embargo,muy rpidamente la concentracin de BPG co-mienza a elevarse en la sangre. El ajuste en laconcentracin de BPG tiene un efecto ligero so-bre la unin del oxgeno en los pulmones peroes considerable sobre la liberacin del mismoen los tejidos en los cuales permite que se resta-blezca el nivel cercano al 40% que normalmen-te es transportado por la sangre. La situacin esreversada cuando la persona regresa al nivel delmar (1, 2).

La hemoglobina presenta una afinidadaproximadamente 250 veces ms alta por otrosgases como el monxido de carbono (CO) conrespecto al oxgeno (2). El monxido es un gasincoloro e inodoro y de una alta toxicidad alcual podemos estar expuestos en ambientes don-

HbBPG + O2 HbO2 + BPG (3)

de se producen procesos de combustin incom-pleta como ocurre en los motores de los carros.Cuando el gas es inhalado por una persona, secombina con la Hb desplazando el oxgeno yformando un compuesto conocido como carbo-xihemoglobina (COHb)

Todo el conocimiento abordado aqu, puedeaplicarse a la explicacin de situaciones cotidia-nas a las que el organismo responde extraordi-nariamente bien mediante el manejo de simplesreacciones qumicas como las descritas anterior-mente. A continuacin, discutiremos algunas deestas situaciones que han formado parte de in-quietudes que surgieron durante el aprendizajede los conceptos anteriores en la asignaturaBioqumica I.

Por ejemplo, ha sido evidente que nuestroscompaeros de la Costa experimentan una sen-sacin de ahogo al llegar a Bogot y desde lue-go surge la pregunta Por qu ocurre esto? Noshemos preguntado tambin Qu sucede cuandouna persona es expuesta a altas concentracionesde CO2 en un recinto cerrado como ocurre dia-riamente cuando nos desplazamos de nuestrascasas a la universidad en buses que transitanatestados de personas y completamentecerrados?Tiene esto alguna relacin con el he-cho de que nos quedemos dormidos con facili-dad en los buses urbanos? Este estado de sueopodra tratarse de un mecanismo de adaptacinpara minimizar el consumo de oxigeno? y final-mente Qu es lo que pasa cuando por descuidode los adultos, un nio de dos aos se ve expues-to a los gases que despide un auto al ser encendi-do presentando cefalea, y adormecimiento?

Cuando las personas que llegan a Bogotprocedentes de la costa y de otras partes del pasde menor altitud, sienten que les falta el aire, secansan muy rpido, no pueden realizar los es-fuerzos fsicos que antes hacan con facilidad, en



otras palabras, literalmente se ahogan. Este fe-nmeno tiene una clara explicacin bioqumica:el cambio en la presin atmosfrica derivadodel aumento en la altitud reduce la disponibili-dad de O

2 y por lo tanto se hace necesario dis-

poner de una mayor cantidad de molculastransportadoras que faciliten la llegada de ox-geno a los tejidos perifricos. Ante la disminu-cin de la disponibilidad de oxgeno y puestoque el organismo necesita optimizar su funcio-namiento, se genera una importante respuestaadaptativa relacionada con las concentracionesde hemoglobina y de BPG. El organismo consi-gue esto a travs de una mayor produccin deeritrocitos en la mdula sea.

Sabemos que la presin atmosfrica esinversamente proporcional a la altura, y por ello,en ciudades como Santa Marta (2 msnm ) haymayor pO

2 que en Bogot ( 2600 msnm ). A ni-

vel del mar no se necesitan altas concentracio-nes de hemoglobina que transporten el O

2, ni de

bifosglicerato (BPG) que regule su liberacin entejidos para satisfacer la demanda. El cambioabrupto en la presin atmosfrica al llegar aBogot, hace que la pO

2 sea menor disminuyen-

do su disponibilidad, por lo cual el O2 que el

organismo es capaz de transportar con la con-centracin de hemoglobina que se posee a niveldel mar es insuficiente, y como consecuencia, lacantidad que llega a los tejidos tambin va a serbaja. Esta situacin se refleja en la sensacin defatiga permanente la cual se acenta al hacercualquier tipo de esfuerzo fsico.

Como se discuti anteriormente, el BPG esun modulador alostrico de la unin hemoglo-bina-oxgeno, es decir, se une a la Hb disminu-yendo su afinidad por el oxgeno al facilitar latransicin del estado R al estado T a nivel tisular.Al llegar a ciudades como Bogot, la liberacinde O

2 en los tejidos disminuye en una cuarta

parte, alcanzando un mximo del 30%. Comoconsecuencia, las concentraciones de BPG au-mentan, con el fin de que se reduzca la afinidadde la hemoglobina por el O

2, haciendo que de

nuevo se libere a nivel tisular un 40% del ox-geno transportado. Esto se revierte al volver alnivel del mar.

Esta respuesta adaptativa vara de persona apersona, dependiendo de sus hbitos y su estadofsico, as como de la capacidad pulmonar que po-sea. Los bogotanos, quienes ya estn habituados ala baja pO

2, presentan elevadas concentraciones

de hemoglobina. Sin embargo, independiente-mente del tiempo que se lleve en la altura, la bajadisponibilidad de oxgeno se evidencia al realizarejercicios fsicos prolongados.

La unin de la hemoglobina al oxgeno esun ejemplo de unin reversible protena-ligan-do, la cual est determinada por diversos facto-res que alteran el grado de afinidad. El ahogoque sufren las personas que vienen de la Costaes normal, y desde la bioqumica no es otra cosaque la deficiencia de oxgeno en los tejidos pe-rifricos causada por la baja presin de oxgenoy la baja concentracin de protena transporta-dora para captar todo el oxgeno requerido,como ya se explic.

Ahora bien qu sucede con el equilibrioqumico cuando una persona se encuentra ex-puesta a una elevada concentracin de CO

2?

En el evento de que una persona se encuen-tre sobre expuesta al gas CO

2 (como podra su-

ceder en un bus urbano), y la concentracin deste supere los niveles permitidos en el aire, es de-cir, en concentraciones que impliquen riesgo de to-xicidad, podra predecirse que la cantidad destos compuestos en los alvolos tendera a au-mentar tambin.

Un aumento en la presin de CO2 en los

alvolos pulmonares, le permite a este gas te-



ner una mayor solubilidad en el agua, desde lue-go en un proceso ayudado por la enzima anhi-drasa carbnica, dando lugar a la formacin decido carbnico H

2CO

3, el cual se disocia en iones

hidrgeno y bicarbonato como ya se mencion(reaccin 1) (2, 4).

Es importante tener en cuenta cmo esta ma-yor presencia de CO

2 en el organismo, y las va-

riaciones que se originan en la concentracin deiones hidrgeno, influyen directamente en otroseventos como por ejemplo los cambios de es-tructura de las protenas, en este caso la hemog-lobina, alterando los mecanismos normales detransporte tanto del oxgeno como del gas carb-nico. Anteriormente se enunci, que los cambiosen la conformacin de la parte proteica de la he-moglobina, son crticos con respecto a la afinidadque la protena presenta por el O

2 (2).

Estos cambios permiten que la hemoglobinapueda adaptarse eficazmente a diferentes am-bientes de presin y pH. A pH bajos, sta tiendea protonarse con lo cual se modifican algunosenlaces intramoleculares responsables de la afi-nidad de la protena por el CO

2. Este proceso

adems de contribuir a evacuar el CO2, permite

ejercer una accin amortiguadora en el equili-brio cido-base a nivel tisular (4).....

Tambin es importante agregar que el pH enlos pulmones es aproximadamente de 7.6 mien-tras que en los tejidos es aproximadamente de7.2. Esto explica por qu la hemoglobina captacon mayor facilidad el O

2 en los pulmones y lo

libera ms fcilmente en los tejidos, en los quehay mayor concentracin de iones hidrgeno.La parte ms interesante de la discusin est re-lacionada con el hecho de que la hemoglobinaproveniente de zonas perifricas que llega a lospulmones necesita encontrar unas condicionesde presin y pH precisos para descargar el CO

2

y los iones hidrgeno que trae desde los tejidos

perifricos. Es precisamente ah donde juega unpapel muy importante el hecho de que la con-centracin de CO

2 en los alvolos pueda encon-

trarse en niveles anormales.Los hidrogeniones que se produciran por el

exceso de CO2, tericamente le impediran a la

hemoglobina descargar total o parcialmente elgas, impidiendo los cambios conformacionalesque conduciran la macromolcula al estado R(de alta afinidad por el O

2). La manera como el

sistema nervioso se ve afectado por una defi-ciencia de O

2 no se describe puesto que se escapa

a los objetivos de este texto.La accin que ejercen los mecanismos amor-

tiguadores para regular el pH, evita que stedisminuya significativamente (2, 3, 4). Sin em-bargo, una baja cantidad de hemoglobina oxi-genada en la sangre que llega al cerebro, puedellevarnos a perder la conciencia, debido a la sen-sibilidad de ste a los cambios de O

2 y/o a una

intoxicacin si este estado se torna permanente.El adormecimiento que se siente en un largorecorrido en un bus urbano saturado de CO

2

puede explicarse de la misma forma. En el caso de la exposicin del nio al

monxido de carbono emitido por la combus-tin incompleta del vehculo cuando este es en-cendido, el gas compite con el oxgeno por launin a la hemoglobina con ventajas aprecia-bles debido a que la protena tiene una afinidadmucho mayor por el monxido como ya se citanteriormente. El monxido de carbono al for-mar la carboxihemoglobina captura aquellas mo-lculas de hemoglobina que estaban disponiblespara unir oxgeno. Adicionalmente, tambin afec-ta la afinidad de las sub unidades remanentes deHb por el oxgeno. Es decir cuando el CO se unea una subunidad del tetrmero de hemoglobina,permite un aumento sustancial en la afinidadpor el oxgeno en las subunidades remanentes



de tal forma que un tetrmero de Hb que tengados molculas de CO unidas puede tambin uniroxgeno eficientemente en los pulmones perolo libera muy poco en los tejidos. Esta situacinllega rpidamente a tener las consecuencias cuyogrado de severidad depender de la magnitud ytiempo de exposicin.

El CO, interacciona adems con la mioglobina,la protena encargada del almacenamiento deoxgeno en el msculo produciendo entonces pro-blemas en rganos como el corazn.

A travs del anlisis de las tres situacionesdescritas, se ha mostrado que la funcin trans-portadora de la hemoglobina es un claro ejemplode cmo el organismo se las ha ingeniado parasolventar el aporte permanente de O

2 requerido

para sus funciones y cmo los procesos ligadosal metabolismo no seran posibles sin una pro-tena con las propiedades bioqumicas de la he-moglobina. Adicionalmente, para nosotros losestudiantes, el aprendizaje de la Bioqumica, se

ha hecho ms sencillo en la medida en que he-mos tenido la oportunidad de adquirir habili-dades para aplicar los conceptos a la explicacinde sucesos de la vida cotidiana.

AgradecimientoComo investigadora principal del proyecto

educativo de la Unidad de Bioqumica quieromanifestar a los estudiantes que participaron enesta actividad, mi complacencia por haber acep-tado la invitacin a buscar aplicaciones de losconceptos bsicos de la bioqumica en situacio-nes cotidianas. Esta complacencia se hamagnificado por el hecho de que su aceptacin yempeo no estuvo viciada por los premios co-rrientes representados en una nota sino ms bienpor el anhelo de aprender a aprender y deaprender a comunicar los conocimientos adqui-ridos. Mi voz de aliento y mi apoyo incondicio-nal para seguir adelante estarn siempre a su lado.

Mara Orfa Rojas

Referencias1. Thomas M. Devlin, Bioqumica Libro de texto con aplicaciones clnicas. Cuarta edicin, Barcelona.

Editorial Revert, Barcelona-Espaa; 2004.

2. David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. Fourth edition, United States

of America. W.H. Freeman and Company, New York; 2005.

3. Andrew Durward and Ian Murdoch. Understanding acid-base balance. Current Pediatrics; 2003 (13):

513-519.

4. Jonathan Greenbaum, Mahesh Nirmalan. Acid-base balance: The tradicional approach. Current

Anaesthesia & Critical Care; 2005 (16): 137-142.

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