Unión del oxígeno a un grupo protésico hemo, que formaría parte de una hemoproteína.
Una hemoproteína (o hemoproteína ; también hemoproteína o hemoproteína ), o proteína hemo , es una proteína que contiene un grupo protésico hemo . [1] Son una clase muy grande de metaloproteínas . El grupo hemo confiere funcionalidad, que puede incluir transporte de oxígeno , reducción de oxígeno, transferencia de electrones y otros procesos. El hemo está unido a la proteína de forma covalente , no covalente o ambas. [2]
El hemo consta de un catión de hierro unido al centro de la base conjugada de la porfirina , así como de otros ligandos unidos a los "sitios axiales" del hierro. El anillo de porfirina es un ligando tetradentado dianiónico plano. El hierro suele ser Fe 2+ o Fe 3+ . Uno o dos ligandos están unidos en los sitios axiales. El anillo de porfirina tiene 4 átomos de nitrógeno que se unen al hierro, dejando otras dos posiciones de coordinación del hierro disponibles para unirse a la histidina de la proteína y un átomo divalente. [2]
Las hemoproteínas probablemente evolucionaron para incorporar el átomo de hierro contenido dentro del anillo de protoporfirina IX del hemo a las proteínas. Dado que hace que las hemoproteínas respondan a las moléculas que pueden unirse al hierro divalente, esta estrategia se ha mantenido a lo largo de la evolución, ya que desempeña funciones fisiológicas cruciales. La reserva de hierro sérico mantiene el hierro en forma soluble, haciéndolo más accesible para las células. [3] El oxígeno (O 2 ), el óxido nítrico (NO), el monóxido de carbono (CO) y el sulfuro de hidrógeno (H 2 S) se unen al átomo de hierro en las proteínas hemo. Una vez unidas a los grupos hemo protésicos, estas moléculas pueden modular la actividad/función de esas hemoproteínas, permitiendo la transducción de señales. Por lo tanto, cuando se producen en sistemas biológicos (células), estas moléculas gaseosas se denominan gasotransmisores.
Debido a sus diversas funciones biológicas y su amplia abundancia, las hemoproteínas se encuentran entre las biomoléculas más estudiadas . [4] Los datos sobre la estructura y función de la proteína hemo se han agregado a la base de datos de proteínas hemo (HPD), una base de datos secundaria del banco de datos de proteínas . [5]
La hemoglobina y la mioglobina son ejemplos de hemoproteínas que transportan y almacenan oxígeno, respectivamente, en mamíferos y algunos peces. [9] La hemoglobina es una proteína cuaternaria que se encuentra en los glóbulos rojos, mientras que la mioglobina es una proteína terciaria que se encuentra en las células musculares de los mamíferos. Aunque pueden diferir en ubicación y tamaño, su función es similar. Al ser hemoproteínas, ambas contienen un grupo protésico hemo.
His-F8 de la mioglobina, también conocida como histidina proximal , está unida covalentemente a la quinta posición de coordinación del hierro. El oxígeno interactúa con el His distal mediante un enlace de hidrógeno, no covalente. Se une a la sexta posición de coordinación del hierro, His-E7 de la mioglobina se une al oxígeno que ahora está unido covalentemente al hierro. Lo mismo ocurre con la hemoglobina; sin embargo, al ser una proteína con cuatro subunidades , la hemoglobina contiene cuatro unidades hemo en total, lo que permite que cuatro moléculas de oxígeno en total se unan a la proteína.
La mioglobina y la hemoglobina son proteínas globulares que sirven para unirse y suministrar oxígeno mediante un grupo protésico. Estas globinas mejoran drásticamente la concentración de oxígeno molecular que puede transportarse en los fluidos biológicos de los vertebrados y algunos invertebrados.
La mioglobina se encuentra en las células musculares de los vertebrados y es una proteína globular soluble en agua. [10] Las células musculares , cuando se ponen en acción, pueden requerir rápidamente una gran cantidad de oxígeno para la respiración debido a sus necesidades de energía. Por tanto, las células musculares utilizan la mioglobina para acelerar la difusión de oxígeno y actuar como reservas localizadas de oxígeno para momentos de respiración intensa. La mioglobina también almacena la cantidad necesaria de oxígeno y lo pone a disposición de las mitocondrias de las células musculares.
Hemoglobina
En los vertebrados, la hemoglobina se encuentra en el citosol de los glóbulos rojos. A veces se hace referencia a la hemoglobina como la proteína transportadora de oxígeno, para contrastarla con la mioglobina, que es estacionaria.
En los vertebrados, el oxígeno ingresa al cuerpo a través de los tejidos de los pulmones y pasa a los glóbulos rojos en el torrente sanguíneo, donde se utiliza en las vías metabólicas aeróbicas. [10] Luego, el oxígeno se distribuye a todos los tejidos del cuerpo y se descarga de los glóbulos rojos a las células que respiran. Luego, la hemoglobina recoge dióxido de carbono y lo devuelve a los pulmones. Por lo tanto, la hemoglobina se une y descarga oxígeno y dióxido de carbono en los tejidos apropiados, sirviendo para suministrar el oxígeno necesario para el metabolismo celular y eliminando el producto de desecho resultante, CO 2 .
neuroglobina
La neuroglobina , que se encuentra en las neuronas, es responsable de impulsar el óxido nítrico para promover la supervivencia de las células neuronales [11]. Se cree que la neuroglobina aumenta el suministro de oxígeno a las neuronas, manteniendo la producción de ATP, pero también funcionan como proteínas de almacenamiento. [12]
Peroxidasas y catalasas.
Casi todas las peroxidasas humanas son hemoproteínas, excepto la glutatión peroxidasa. Utilizan peróxido de hidrógeno como sustrato. Las metaloenzimas catalizan reacciones utilizando peróxido como oxidante. [13] Las catalasas son hemoproteínas responsables de la catálisis de convertir el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. [14] Están formados por 4 subunidades, cada subunidad tiene un grupo hemo Fe3+. Tienen un peso molecular promedio de ~240.000 g/mol.
Pincer-1: [15] Un péptido de unión a hemo diseñado que adopta una estructura secundaria totalmente beta. ARRIBA: Representación topológica de Pincer-1 que muestra la estructura secundaria y los residuos interactivos diseñados. ABAJO: Modelo tridimensional totalmente atómico de Pincer-1. Este modelo fue parcialmente confirmado mediante RMN .
Debido a las diversas funciones de la molécula de hemo: como transportador de electrones, transportador de oxígeno y como cofactor enzimático, las proteínas de unión al hemo han atraído constantemente la atención de los diseñadores de proteínas. Los intentos de diseño iniciales se centraron en proteínas de unión a hemo de hélice α, en parte debido a la relativa simplicidad del diseño de haces helicoidales autoensamblables. Los sitios de unión del hemo se diseñaron dentro de los surcos hidrofóbicos interhelicoidales. Ejemplos de tales diseños incluyen:
Helicrome [16] [17]
Globina-1 [18]
Cy-AA-EK [19]
Péptidos IIa/IId [20]
α2 [21]
Diseños helicoidales transmembrana [22] [23] [24]
Los intentos de diseño posteriores se centraron en la creación de haces helicoidales de unión de hemo funcionales, como:
Las técnicas de diseño han madurado hasta tal punto que ahora es posible generar bibliotecas completas de proteínas helicoidales de unión a hemo. [31]
Los intentos de diseño recientes se han centrado en la creación de proteínas de unión a hemo totalmente beta, cuya nueva topología es muy rara en la naturaleza. Dichos diseños incluyen:
Pinza-1 [15]
Péptidos β-horquilla [32]
Miniproteínas de hoja β [33]
Péptidos de lámina β multicatenaria [34]
Algunas metodologías intentan incorporar cofactores en las hemoproteínas que normalmente soportan condiciones difíciles. Para poder incorporar un cofactor sintético lo primero que debe ocurrir es la desnaturalización de la holoproteína para eliminar el hemo. Luego, la apoproteína se reconstruye con el cofactor. [35]
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