Efecto Bohr

El efecto Bohr es un fenómeno descrito por primera vez en 1904 por el fisiólogo danés Christian Bohr . La afinidad de unión del oxígeno de la hemoglobina (ver curva de disociación oxígeno-hemoglobina ) está inversamente relacionada tanto con la acidez como con la concentración de dióxido de carbono. ^[1] Es decir, el efecto Bohr se refiere al desplazamiento de la curva de disociación del oxígeno causado por cambios en la concentración de dióxido de carbono o el pH del ambiente. Dado que el dióxido de carbono reacciona con el agua para formar ácido carbónico , un aumento del CO ₂ produce una disminución del pH de la sangre , ^[2] lo que hace que las proteínas de la hemoglobina liberen su carga de oxígeno. Por el contrario, una disminución del dióxido de carbono provoca un aumento del pH, lo que hace que la hemoglobina absorba más oxígeno.

Descubrimiento experimental

A principios de la década de 1900, Christian Bohr era profesor en la Universidad de Copenhague en Dinamarca, ya muy conocido por su trabajo en el campo de la fisiología respiratoria. ^[3] Había pasado las últimas dos décadas estudiando la solubilidad del oxígeno, el dióxido de carbono y otros gases en varios líquidos, ^[4] y había llevado a cabo una amplia investigación sobre la hemoglobina y su afinidad por el oxígeno. ^[3] En 1903, comenzó a trabajar en estrecha colaboración con Karl Hasselbalch y August Krogh , dos de sus asociados en la universidad, en un intento de replicar experimentalmente el trabajo de Gustav von Hüfner , utilizando sangre completa en lugar de solución de hemoglobina. ^[1] Hüfner había sugerido que la curva de unión oxígeno-hemoglobina tenía forma hiperbólica , ^[5] pero después de una extensa experimentación, el grupo de Copenhague determinó que la curva era de hecho sigmoidea . Además, en el proceso de trazar numerosas curvas de disociación, pronto se hizo evidente que las altas presiones parciales de dióxido de carbono hacían que las curvas se desplazaran hacia la derecha. ^[4] Experimentos posteriores variando la concentración de CO ₂ proporcionaron rápidamente evidencia concluyente, confirmando la existencia de lo que pronto se conocería como el efecto Bohr. ^[1]

Controversia

Existe un debate más amplio sobre si Bohr fue en realidad el primero en descubrir la relación entre el CO2 _y la afinidad por el oxígeno, o si el fisiólogo ruso Bronislav Verigo [ru] se le adelantó, supuestamente descubriendo el efecto en 1898, seis años antes que Bohr. ^[6] Aunque esto nunca se ha demostrado, Verigo de hecho publicó un artículo sobre la relación hemoglobina-CO2 _en 1892. ^[7] Su modelo propuesto era defectuoso, y Bohr lo criticó duramente en sus propias publicaciones. ^[1]

Otro desafío al descubrimiento de Bohr proviene de su laboratorio. Aunque Bohr se apresuró a atribuirse todo el mérito, su socio Krogh, que inventó el aparato utilizado para medir las concentraciones de gas en los experimentos, ^[8] mantuvo durante toda su vida que él mismo había sido el primero en demostrar el efecto. Aunque hay algunas pruebas que lo respaldan, cambiar retroactivamente el nombre de un fenómeno bien conocido sería extremadamente impráctico, por lo que sigue siendo conocido como el efecto Bohr. ^[4]

Papel fisiológico

El efecto Bohr aumenta la eficiencia del transporte de oxígeno a través de la sangre. Una vez que la hemoglobina se une al oxígeno en los pulmones debido a las altas concentraciones de oxígeno, el efecto Bohr facilita su liberación en los tejidos, en particular en aquellos que más necesitan oxígeno. Cuando aumenta la tasa metabólica de un tejido, también aumenta su producción de desechos de dióxido de carbono. Cuando se libera en el torrente sanguíneo, el dióxido de carbono forma bicarbonato y protones mediante la siguiente reacción:

{\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3^-}}

Aunque esta reacción suele ser muy lenta, la enzima anhidrasa carbónica (presente en los glóbulos rojos ) acelera drásticamente la conversión en bicarbonato y protones. ^[2] Esto hace que el pH de la sangre disminuya, lo que promueve la disociación del oxígeno de la hemoglobina y permite que los tejidos circundantes obtengan suficiente oxígeno para satisfacer sus demandas. En áreas donde la concentración de oxígeno es alta, como los pulmones, la unión del oxígeno hace que la hemoglobina libere protones, que se recombinan con el bicarbonato para eliminar el dióxido de carbono durante la exhalación . Estas reacciones opuestas de protonación y desprotonación ocurren en equilibrio, lo que da como resultado un pequeño cambio general en el pH de la sangre.

El efecto Bohr permite que el cuerpo se adapte a las condiciones cambiantes y hace posible suministrar oxígeno adicional a los tejidos que más lo necesitan. Por ejemplo, cuando los músculos están sometidos a una actividad extenuante, requieren grandes cantidades de oxígeno para llevar a cabo la respiración celular , lo que genera CO ₂ (y, por lo tanto, HCO ₃⁻ y H ⁺ ) como subproductos. Estos productos de desecho reducen el pH de la sangre, lo que aumenta el suministro de oxígeno a los músculos activos. El dióxido de carbono no es la única molécula que puede desencadenar el efecto Bohr. Si las células musculares no están recibiendo suficiente oxígeno para la respiración celular, recurren a la fermentación del ácido láctico , que libera ácido láctico como subproducto. Esto aumenta la acidez de la sangre mucho más que el CO ₂ solo, lo que refleja una necesidad aún mayor de oxígeno de las células. De hecho, en condiciones anaeróbicas, los músculos generan ácido láctico tan rápidamente que el pH de la sangre que pasa a través de los músculos bajará a alrededor de 7,2, lo que hace que la hemoglobina comience a liberar aproximadamente un 10% más de oxígeno. ^[2]

Fuerza del efecto y tamaño del cuerpo.

La magnitud del efecto Bohr se suele dar por la pendiente de la curva vs donde, P 50 se refiere a la presión parcial de oxígeno cuando el 50% de los sitios de unión de la hemoglobina están ocupados. La pendiente se denota: donde denota cambio. Es decir, denota el cambio en y el cambio en . La fuerza del efecto Bohr exhibe una relación inversa con el tamaño de un organismo: la magnitud aumenta a medida que disminuye el tamaño y el peso. Por ejemplo, los ratones poseen un efecto Bohr muy fuerte, con un valor de -0,96, que requiere cambios relativamente menores en las concentraciones de H ⁺ o CO ₂ , mientras que los elefantes requieren cambios mucho mayores en la concentración para lograr un efecto mucho más débil . ^[9] ${\textstyle \log(P_{50})}$ ${\textstyle {\text{pH}}}$ ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$ ${\textstyle\Delta}$ ${\estilo de texto \Delta \log(P_{50})}$ ${\textstyle \log(P_{50})}$ ${\textstyle \Delta {\text{pH}}}$ ${\textstyle {\text{pH}}}$ ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$ ${\textstyle \left({\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \sobre \Delta {\text{pH}}}=-0,38\right)}$

Mecanismo

Interacciones alostéricas

El efecto Bohr depende de las interacciones alostéricas entre los hemo del tetrámero de hemoglobina , un mecanismo propuesto por primera vez por Max Perutz en 1970. ^[10] La hemoglobina existe en dos conformaciones: un estado R de alta afinidad y un estado T de baja afinidad. Cuando los niveles de concentración de oxígeno son altos, como en los pulmones, se favorece el estado R, lo que permite que la máxima cantidad de oxígeno se una a los hemo. En los capilares, donde los niveles de concentración de oxígeno son más bajos, se favorece el estado T, con el fin de facilitar el suministro de oxígeno a los tejidos. El efecto Bohr depende de este alosterio, ya que los aumentos de CO ₂ y H ⁺ ayudan a estabilizar el estado T y garantizan un mayor suministro de oxígeno a los músculos durante los períodos de respiración celular elevada. Esto se evidencia por el hecho de que la mioglobina , un monómero sin alosterio, no exhibe el efecto Bohr. ^[2] Los mutantes de hemoglobina con alosterio más débil pueden exhibir un efecto Bohr reducido. Por ejemplo, en la hemoglobinopatía variante de Hiroshima , la alosteria en la hemoglobina se reduce y el efecto Bohr se reduce. Como resultado, durante los períodos de ejercicio, la hemoglobina mutante tiene una mayor afinidad por el oxígeno y el tejido puede sufrir una pequeña falta de oxígeno . ^[11]

Estabilización del estado T

Cuando la hemoglobina está en su estado T, los grupos amino N-terminales de las subunidades α y la histidina C-terminal de las subunidades β están protonados, lo que les da una carga positiva y permite que estos residuos participen en interacciones iónicas con grupos carboxilo en residuos cercanos. Estas interacciones ayudan a mantener la hemoglobina en el estado T. Las disminuciones en el pH (aumentos en la acidez) estabilizan este estado aún más, ya que una disminución en el pH hace que estos residuos sean aún más propensos a ser protonados, fortaleciendo las interacciones iónicas. En el estado R, los emparejamientos iónicos están ausentes, lo que significa que la estabilidad del estado R aumenta cuando el pH aumenta, ya que estos residuos tienen menos probabilidades de permanecer protonados en un entorno más básico. El efecto Bohr funciona desestabilizando simultáneamente el estado R de alta afinidad y estabilizando el estado T de baja afinidad, lo que conduce a una disminución general en la afinidad por el oxígeno. ^[2] Esto se puede visualizar en una curva de disociación oxígeno-hemoglobina desplazando toda la curva hacia la derecha.

El dióxido de carbono también puede reaccionar directamente con los grupos amino N-terminales para formar carbamatos , según la siguiente reacción:

{\ce {R-NH2 + CO2 <=> R-NH-COO^- + H+}}

El CO ₂ forma carbamatos con mayor frecuencia en el estado T, lo que ayuda a estabilizar esta conformación. El proceso también crea protones, lo que significa que la formación de carbamatos también contribuye al fortalecimiento de las interacciones iónicas, estabilizando aún más el estado T. ^[2]

Casos especiales

Mamíferos marinos

En 1961 se descubrió una excepción al vínculo, por lo demás bien fundamentado, entre el tamaño corporal de los animales y la sensibilidad de su hemoglobina a los cambios de pH. ^[12] En función de su tamaño y peso, se planteó la hipótesis de que muchos mamíferos marinos tenían un efecto Bohr muy bajo, casi insignificante. ^[9] Sin embargo, cuando se examinó su sangre, este no era el caso. Las ballenas jorobadas que pesaban 41.000 kilogramos tenían un valor observado de 0,82, que es aproximadamente equivalente a la magnitud del efecto Bohr en un conejillo de indias de 0,57 kg . ^[9] Se plantea la hipótesis de que este efecto Bohr extremadamente fuerte es una de las muchas adaptaciones de los mamíferos marinos para inmersiones profundas y prolongadas, ya que permite que prácticamente todo el oxígeno unido a la hemoglobina se disocie y abastezca el cuerpo de la ballena mientras está bajo el agua. ^[12] El examen de otras especies de mamíferos marinos respalda esto. En los calderones y las marsopas , que se alimentan principalmente en la superficie y rara vez se sumergen durante más de unos pocos minutos, la fue de 0,52, comparable a la de una vaca , ^[9] lo que está mucho más cerca de la magnitud del efecto Bohr esperada para animales de su tamaño. ^[12] ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$ ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$

Monóxido de carbono

Otro caso especial del efecto Bohr ocurre cuando hay monóxido de carbono presente. Esta molécula sirve como inhibidor competitivo del oxígeno y se une a la hemoglobina para formar carboxihemoglobina . ^[13] La afinidad de la hemoglobina por el CO es aproximadamente 210 veces más fuerte que su afinidad por el O ₂ , ^[14] lo que significa que es muy poco probable que se disocie y, una vez unido, bloquea la unión del O ₂ a esa subunidad. Al mismo tiempo, el CO es estructuralmente lo suficientemente similar al O ₂ como para hacer que la carboxihemoglobina favorezca el estado R, aumentando la afinidad por el oxígeno de las subunidades desocupadas restantes. Esta combinación reduce significativamente el suministro de oxígeno a los tejidos del cuerpo, que es lo que hace que el monóxido de carbono sea tan tóxico . Esta toxicidad se reduce ligeramente por un aumento en la fuerza del efecto Bohr en presencia de carboxihemoglobina. Este aumento se debe en última instancia a las diferencias en las interacciones entre los grupos hemo en la carboxihemoglobina en relación con la hemoglobina oxigenada. Es más pronunciado cuando la concentración de oxígeno es extremadamente baja, como último recurso cuando la necesidad de suministro de oxígeno se vuelve crítica. Sin embargo, las implicaciones fisiológicas de este fenómeno siguen sin estar claras. ^[13]

Véase también

Referencias

^ abcd Bohr; Hasselbalch, Krogh. "Sobre una relación biológicamente importante: la influencia del contenido de dióxido de carbono de la sangre en su unión al oxígeno". {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
^ abcdef Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2013). Fundamentos de bioquímica: la vida a nivel molecular (4.ª ed.). John Wiley & Sons, Inc., pág. 189.
^ ab Irzhak, LI (2005). "Christian Bohr (con motivo del 150 aniversario de su nacimiento)". Fisiología humana . 31 (3): 366–368. doi :10.1007/s10747-005-0060-x. ISSN 0362-1197.
^ abc Edsall, JT (1972). "Sangre y hemoglobina: la evolución del conocimiento de la adaptación funcional en un sistema bioquímico. Parte I: La adaptación de la estructura química a la función en la hemoglobina". Revista de Historia de la Biología . 5 (2): 205–257. doi :10.1007/bf00346659. JSTOR 4330576. PMID 11610121. S2CID 751105.
^ G. Hüfner, "Ueber das Gesetz der Disociation des Oxyharmoglobins und über einige daran sich knupfenden wichtigen Fragen aus der Biologie", [Sobre la ley de la disociación de la oxiharmoglobina y sobre algunas cuestiones importantes que surgen de la biología]. Arco. anat. Fisiol. (en alemán) (Physiol. Abtheilung) (1890), 1-27.
^ "Вериго эффект - это... Что такое Вериго эффект?" [El efecto Verigo es… ¿Qué es el efecto Verigo?]. Словари и энциклопедии на Академике (en ruso) . Consultado el 8 de noviembre de 2016 .
^ B. Werigo, "Zur Frage uber die Wirkung des Sauerstoffs auf die Kohlensaureausscheidung in den Lungen", [La pregunta sobre el efecto del oxígeno sobre la secreción de ácido carbónico en los pulmones]. Arco Pflügers. ges. Fisiol. (en alemán), 51 (1892), 321-361.
^ A. Krogh, "Apparat und Methoden zur Bestimmung der Aufnahme von Gasen im Blute bei verschiedenen Spannungen der Gase", [Aparatos y métodos para la determinación de la absorción de gases en la sangre a diferentes tensiones de los gases]. Skánd. Arco. Fisiol. (en alemán), 16 (1904), 390-401.
^ abcd Riggs, Austen (1960-03-01). "La naturaleza y el significado del efecto Bohr en las hemoglobinas de los mamíferos". Revista de fisiología general . 43 (4): 737–752. doi :10.1085/jgp.43.4.737. ISSN 0022-1295. PMC 2195025 . PMID 19873527.
^ Perutz, Max (15 de enero de 1998). La ciencia no es una vida tranquila . World Scientific. ISBN 9789814498517.
^ Olson, JS; Gibson QH; Nagel RL; Hamilton HB (diciembre de 1972). "Las propiedades de unión al ligando de la hemoglobina Hiroshima (2 2 146asp)". Revista de química biológica . 247 (23): 7485–93. doi : 10.1016/S0021-9258(19)44551-1 . PMID 4636319.
^ abc Riggs, Austen (1 de abril de 1961). "Efecto Bohr en las hemoglobinas de los mamíferos marinos". Nature . 190 (4770): 94–95. Bibcode :1961Natur.190...94R. doi :10.1038/190094a0. PMID 13741621. S2CID 26899569.
^ ab Hlastala, MP; McKenna, HP; Franada, RL; Detter, JC (1976-12-01). "Influencia del monóxido de carbono en la unión hemoglobina-oxígeno". Journal of Applied Physiology . 41 (6): 893–899. doi :10.1152/jappl.1976.41.6.893. ISSN 0021-8987. PMID 12132.
^ Hall, John E. (2010). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology (12.ª ed.) . Filadelfia, Pensilvania: Saunders/Elsevier. pág. 502. ISBN 978-1416045748.

Enlaces externos

Impacto de la formación