Tutorial:How do we get the oxygen we breathe (Spanish)

This tutorial is designed for high school and beginning college students (ages 14-19). A more detailed tutorial is available at Hemoglobin

Cuando respiramos, el oxígeno del aire es capturado por la sangre en los pulmones y distribuido a cada una de las células de nuestro organismo a través del sistema circulatorio. Entre otros usos, nuestras células utilizan el oxígeno como el aceptor final de electrones en un proceso denominado respiración aeróbica – proceso que transforma la energía procedente de los alimentos y nutrientes en una forma de energía que la célula puede utilizar (moléculas de ATP, adenosina trifosfato). Las células de organismos superiores como los humanos usan la respiración aeróbica porque es una forma muy eficiente de producir energía, y el oxígeno es abundante. (PIENSE: ¿Usan los peces la respiración aeróbica?)

Sin embargo, aunque el oxígeno es transportado por la sangre para alcanzar cada una de las células de nuestro organismo, el oxígeno no se disuelve bien en la sangre. Entonces ¿cómo se transporta el oxígeno en la sangre?

Hemoglobina, el taxi de oxígeno

Una proteína denominada (Hb), mostrada a la derecha, es la respuesta al reto del transporte de oxígeno en la sangre. El elevado número de moléculas de hemoglobina en nuestra sangre sirven como “taxis” para las moléculas de oxígeno: las moléculas de oxígeno se unen a las moléculas de hemoglobina en áreas donde hay mucho oxígeno, tales como los pulmones, y cuando llegan a áreas pobres en oxígeno, tales como células alejadas de los pulmones, se disocian de la hemoglobina. De esta forma la hemoglobina en nuestra sangre cede oxígeno a cada célula de nuestro cuerpo. La hemoglobina necesita unirse fuertemente al oxígeno en la atmósfera rica en oxígeno presente en los pulmones y ser capaz de liberar el oxígeno rápidamente en el ambiente relativamente pobre en oxígeno de los tejidos. Ello se hace de una forma totalmente coordinada. La historia de la hemoglobina es un prototipo de ejemplo de la relación entre estructura y función de una proteína.

Estructura de la hemoglobina

La hemoglobina es un tetrámero

En la estructura tridimensional de la hemoglobin que se muestra a la derecha, se ven dos y dos . (Arrastre la estructura de la hemoglobin con el ratón para girarla. Para acercarla o alejarla use la rueda del cursor, arrastrelo mientras lo mantiene apretado). Estos son los de la molécula de hemoglobina, y se muestran en una representación animada dónde una simple línea curva conecta los carbonos-α de los aminoácidos de cada cadena y las hélices-α de la estructura secundaria se muestran como simples hélices animadas. Debido a aque la hemoglobina se compone de cuatro monómeros, se la denomina un . Los dos tipos de monómeros que forman el tetrámero de la hemoglobina se distinguen por su color: los dos monómeros-α en azul claro y los dos monómeros-β en verde claro. Cada monómero-α contiene una cadena de 141 aminoácidos y cada monómero-β contiene una cadena de 146 aminoácidos. Hay que tener cuidado en no confundirse con el contexto en el que se usa la etiqueta "α", o "alfa": recuerde que ambos monómeros α- y β- contienen carbonos- α and hélices-α. (PIENSE:¿Cuántos aminoácidos se necesitan para formar una molécula de hemoglobina?)

Cada monómero contiene un grupo hemo

Observe que cada monómero, cualquiera α o β, tiene una asociada que está representada por pequeñas esferas multicoloreadas que se solapan. Estas moléculas se denominan , y se encuentran en las zonas de unión del oxígeno a la hemoglobina, como se verá enseguida. ¿Representan los colores de las esferas el verdadero color del grupo hemo?. No, no lo representan. Recuerde que lo que se busca es la representación de una estructura real, y en este caso hemos coloreado artificialmente cada átomo del hemo de acuerdo con un esquema común de colores denominado esquema de Corey-Pauling-Koltun scheme ( C

H O N S Fe ). Recuerde también que aunque no podemos cambiar las posiciones de los átomos en nuestra estructura proteica determinada experimentalmente, si podemos elegir diferentes formas de mostrarla, color, and conectar los átomos para conseguir una mejor comprensión y expresar la elegancia de la estructura del complejo en 3D. Previamente, se han representado los átomos del grupo hemo como esferaas individuals en lo que se denomina una , pero podríamos representar simplemente los átomos como esferas muy pequeñas con finas líneas conectando los átomos vinculados en lo que se denomina una . Dese cuenta que las posiciones e identidades de los átomos no cambian. (PIENSE: Previamente aprendimos que los monómeros α y β se han mostrado en la representación de dibujos. ¿Porqué no se pueden mostrar los grupos hemo en la representación de dibujos?)

Capturando oxígeno

Hemoglobin captures oxygen and transports it through the bloodstream by binding oxygen to each of its . These are prosthetic groups; they are non-protein chemical compounds that are associated with hemoglobin and are necessary for its function. Each heme is Carbon, Nitrogen, Oxygen and hydrogen, with a single Fe²⁺ (iron) ion at its center, coordinated by the four surrounding nitrogens. Each heme is roughly , and is held in place within the monomer by a hydrophobic interactions and a covalent bond between the iron ion and a nitrogen atom in the side chain of what is termed the . Another histidine, termed the , helps in oxygen binding by preventing oxidation of the iron atom (which would prevent oxygen from binding) and by preventing other molecules from binding.

When oxygen is abundant, an in the heme group. (THINK: Are there other changes besides the oxygen binding to the iron ion? Why might there be other changes?) We can watch oxygen binding in the (colored in rainbow colors from the N terminus of the monomer to its C terminus) or in a of the heme group.

When oxygen binds the heme, we notice a conformation change in the hemoglobin monomer holding the heme that bound oxygen -- in other words, when oxygen binds, the monomer changes shape. The difference in conformation between the oxygenated and deoxygenated monomer turns out to be crucial for the function of hemoglobin. Remember that hemoglobin does not exist as a monomer, but rather as a tetramer. As a result, when one monomer in a deoxygenated hemoglobin molecule binds oxygen, that monomer’s conformation change forces a similar conformation change in the remaining three monomers, causing them to adopt a conformation more favorable to oxygen binding. Said differently, as soon as one monomer in the tetramer of the hemoglobin molecule binds oxygen, the other three monomers are much more likely to bind oxygen than they were before. This mechanism of accelerated binding through monomer conformation propagation is called cooperative binding.

Carbon monoxide also binds the heme

Here is where the laws of chemistry present us with an interesting problem: The heme group has the chemical and structural capabilities to capture an , but an oxygen molecule (O₂) happens to be similar in shape and chemistry to a molecule of (CO). The result is that carbon monoxide can also bind to the iron in the heme groups of hemoglobin, although the distal histidine helps prevent this. In fact, carbon monoxide binds to the heme with about 230 times the affinity of oxygen, meaning that if both gases are available, carbon monoxide will outcompete oxygen for heme binding sites. (THINK: We often install carbon monoxide detectors in our homes to alert us to high concentrations of this gas. Why might carbon monoxide gas pose a danger to human beings?)

Mutated hemoglobin causes sickle-cell disease

A mutation in the gene coding for hemoglobin causes a disease called sickle-cell anemia. The results in red blood cells with a diseased, sickle shape instead of a healthy, disk shape. These sickle cells can block blood vessels due to their abnormal shape and cause damage to tissue and organs. (OBSERVE: Does the mutated hemoglobin look different than normal hemoglobin?)

, shown here in spacefilling representation, differs from normal hemoglobin at a single amino acid. In the mutant, the amino acid valine takes the place of glutamate as the sixth amino acid in the beta monomer chain. Glutamate, a hydrophilic amino acid, is replaced by valine, a hydrophobic amino acid, at a location on the surface of the protein, and this creates a . There is near the heme binding pocket in the beta-monomer that is present in both normal and sickle-cell deoxygenated hemoglobin. (OBSERVE: Can you find the two hydrophobic spots on the two beta-monomers in sickle-cell hemoglobin?) This second hydrophobic spot sticks to the first hydrophobic spot, present only in the mutant, causing the hemoglobin molecules to into long fibers. We show just two hemoglobin molecules stuck together, but this fiber can extend to include a large number of hemoglobin molecules in a long fiber. A shows us the valine from the first, mutant, hydrophobic spot in hydrophobic interaction with the alanine and leucine from the second hydrophobic spot. (THINK: Why might these hemoglobin fibers cause sickle-cell red blood cell shape?)

External ResourcesExternal Resources

Hemoglobin in Wikipedia

Hemoglobin Causes Net Diffusion of Oxygen (Interactive Demo) - Oxygen diffuses freely across oxygen-permeable membranes such as those found where capillaries (small blood vessels) in the lungs make contact with the air we breathe. When oxygen diffuses from the air in our lungs across the walls of these capillaries and into our blood, it is taken up by hemoglobin -- this causes even more oxygen to diffuse into the blood in order to balance the concentration (partial pressure) of free oxygen in our blood with that in the air in our lungs. Explore the interactive demonstration to see this diffusion in action.

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This page includes scenes, structures and ideas from Eric Martz, Frieda S. Reichsman and Angel Herraez.