| Hemoglobina, piedra angular de la bioquímica. |  |  |  |
Dr. Raúl Arredondo Peter / ra@uaem.mx
Facultad de Ciencias- UAEM
Archivo: Bioquímica
El término hemoglobina es familiar para las personas, debido a que generalmente se asocia este nombre con la sangre. En el ámbito académico la hemoglobina es bien conocida porque esta proteína representa la piedra angular de la bioquímica. El mecanismo mediante el cual transporta el oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos se conoce con detalle exquisito, inclusive ocupa capítulos completos en los libros de texto de bioquímica debido a que permite ilustrar los principios de la relación que existe entre la estructura y la función de las proteínas. Más aún, la hemoglobina es probablemente la proteína más estudiada: por ejemplo, la búsqueda en la base de datos bibliográficos “Pubmed” (http://www.ncbi.nlm. nih.gov/sites/entrez) al utilizar la palabra clave “hemoglobin” revela que anualmente se publican alrededor de 5 mil artículos científicos que se relacionan con su estudio.
Evidentemente, es mucho lo que se conoce sobre la hemoglobina, y pareciera ser que “sabemos todo en relación con esta proteína”. Sin embargo, durante las últimas décadas el trabajo de investigación que se lleva a cabo en laboratorios de diversas partes del mundo, incluyendo al laboratorio del autor de este artículo, ha revelado sorpresas en su estudio, por lo que todavía “hay mucho de qué hablar” sobre esta proteína.
Un punto de partida adecuado para el análisis de las funciones múltiples de la hemoglobina es describir brevemente la función general de esta proteína. En los mamíferos se localiza en los eritrocitos de la sangre (figura 1A). Ahí, la hemoglobina une reversiblemente al oxígeno cuando la sangre circula por los capilares que irrigan a los alveolos pulmonares. La hemoglobina oxigenada viaja a través de la sangre hasta los tejidos, en donde libera al oxígeno.
En 1996 se reportó que la hemoglobina une y transporta el óxido nítrico (cuya fórmula química es NO) en el torrente sanguíneo. El interés en este descubrimiento radica en que el NO que transporta la hemoglobina es esencial para la contracción y dilatación de los vasos sanguíneos. Por lo tanto, a partir de entonces, se cree que la función de la hemoglobina en la sangre no solamente consiste en transportar el oxígeno, sino también modular la presión sanguínea mediante la modulación de la contracción y dilatación de los vasos sanguíneos.
En la década de los 90 del siglo pasado se reportó la existencia de una hemoglobina quimérica en la bacteria Escherichia coli. Esto como referencia a una quimera, animal mitológico que tiene una cabeza de león, un vientre de cabra y una cola de dragón, es decir, una combinación de varios animales. La proteína antes mencionada está formada por una hemoglobina fusionada a otra proteína que contiene un grupo químico que se conoce como “flavina”, por lo que a esta hemoglobina se le dio el nombre de “flavohemoglobina”. Durante los últimos años se han descubierto flavohemoglobinas en diversos organismos, como son bacterias, hongos y protozoarios. Los experimentos con organismos mutantes, que carecen de la capacidad para sintetizar flavohemoglobinas, permitieron concluir que la función de estas proteínas en microorganismos patógenos es protegerlos de la actividad nociva del NO que producen las células de defensa.
Uno de los descubrimientos que más ha atraído la atención de la comunidad científica en esta área del conocimiento fue el descubrimiento de una hemoglobina en el tejido nervioso. A esta hemoglobina se le dio el nombre de “neuroglobina” (figura 1B). Se cree que la neuroglobina funciona al proporcionar las cantidades necesarias de oxígeno para el funcionamiento del sistema nervioso, particularmente en condiciones de isquemia, que suceden cuando la irrigación sanguínea disminuye por alteraciones en las arterias; al mismo tiempo, se cree que la neuroglobina disminuye la concentración del NO que se produce durante la isquemia.
Simultáneamente al descubrimiento de la neuroglobina, se reportó la existencia de otro tipo de hemoglobina en diversos tejidos de los mamíferos. A esta hemoglobina se le dio el nombre de “citoglobina”. Esta proteína se ha detectado en tejidos como el tejido conectivo y la retina. En el hígado se encontró que los niveles de citoglobina aumentan cuando se alcanzan condiciones de cirrosis (es decir, el endurecimiento del tejido hepático debido, entre otras causas, al consumo excesivo y prolongado de bebidas alcohólicas). Se ha propuesto que la función de las citoglobinas es proporcionar el oxígeno que es necesario para el metabolismo aerobio de las células, particularmente en aquellas que consumen grandes cantidades de energía, como es el caso de la retina en los ojos.
Recientemente se describió en las bacterias otro tipo de hemoglobina quimérica, la cual está unida a proteínas que transmiten señales en el interior de las células. A estas hemoglobinas se les da el nombre de “sensores acoplados a globinas”. La función de estas proteínas es “notificar” a la proteína que transmite la señal interna cuando existe oxígeno (u otro ligando, como el NO) en el exterior de la célula. Esto sucede mediante la unión del ligando en la parte globina del sensor. Una vez que esto sucede la proteína que transmite la señal inicia una serie de reacciones químicas cuyo destino final es el encendido o apagado de genes que codifican para diversas proteínas.
En la década de los 90 del siglo pasado se descubrió en algas unicelulares un grupo de hemoglobinas cuyo tamaño es menor que las demás hemoglobinas. A estas hemoglobinas se les llamó “hemoglobinas truncadas” (figura 1C). Las hemoglobinas truncadas se han descrito en bacterias y algas, y su función aparente se relaciona con el transporte del oxígeno y el metabolismo del NO.
Algunas hemoglobinas, como las hemoglobinas no simbióticas de las plantas (las cuales son el área de investigación del autor de este artículo), tienen una afinidad extraordinariamente alta por el oxígeno debido a que no lo liberan después de oxigenarse. Se cree que estas hemoglobinas conservan las funciones de las hemoglobinas primigeneas (que surgieron hace más de mil 500 millones de años), como es secuestrar el oxígeno. Probablemente estas hemoglobinas surgieron en los organismos cuando el oxígeno se acumuló en la atmósfera de la Tierra primitiva. El oxígeno es tóxico para los seres vivos y, de esta manera, las hemoglobinas funcionaron (¿y funcionan todavía?) al secuestrar el oxígeno para evitar daño a los componentes celulares.
En el laboratorio del autor de ese artículo contribuimos al descubrimiento de las hemoglobinas en el arroz, las cuales unen el oxígeno con una afinidad muy alta. Estas proteínas unen el oxígeno, pero no lo liberan, por lo que creemos que su función en la planta es distinta al transporte de oxígeno. Otro descubrimiento importante, y que publicamos en dos artículos independientes (en las revistas "Proteins" y "Molecular Biology and Evolution") este año, fue describir la evolución de las características estructurales de las hemoglobinas no simbióticas que dieron lugar a las leghemoglobinas, y las características estructurales de las hemoglobinas no simbióticas del musgo Ceratodon purpureus, la cual pudo ser el ancestro de las hemoglobinas no simbióticas de las plantas terrestres.
Nuestro modelo de estudio es el arroz (variedad Morelos), aunque recientemente hemos realizado estudios con los musgos Ceratodon purpureus y Physcomitrella patens. También fuimos los primeros en describir los genes de hemoglobina del teosinte, el cual es el ancestro del maíz (es decir, fue la planta ancestral que domesticaron las culturas mesoamericanas -hace unos 8 mil años- en el maíz contemporáneo).
Figura 1. Esquemas que ilustran la estructura (en listones de colores) de las hemoglobinas de diversos organismos y el lugar en donde se localizan. El código que se muestra entre paréntesis corresponde al número de identificación de cada estructura en la base de datos “Brookhaven protein databank” (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do ).
A, Hemoglobina humana (101I) (panel izquierdo). Las fotografías muestran el sistema circulatorio (panel central) y los glóbulos rojos que circulan en la sangre (panel derecho).
B, Neuroglobina humana (10J6) y el sistema nervioso central.
C, Hemoglobina truncada (1DLY) (panel izquierdo) del alga unicelular Chlamydomonas (panel derecho).
Raúl Arredondo Peter es Profesor-Investigador titular de la Facultad de Ciencias de la UAEM. Responsable del Laboratorio de Biofísica y Biología Molecular de la Facultad de Ciencias de la UAEM. SNI nivel 2. Miembro de la Academia de Ciencias de Morelos. Obtuvo la Licenciatura, Maestría y Doctorado en la Facultad de Ciencias de la UNAM, y realizó una estancia postdoctoral en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Nebraska en Lincoln, Nebraska, EUA. Su línea de investigación son las hemoglobinas vegetales. Sí desea conocer más sobre la función que lleva a cabo la hemoglobina en los humanos y otros organismos consulte en la página web de la Academia de Ciencias de Morelos (http://www.acmor.org.mx/biblioteca_ciencias.php).
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