Hemoproteína
Proteína que contiene un grupo prostético hemo
Unión del oxígeno a un grupo prostético del 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 prostético 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 o no covalente o ambas. [2]

El hemo está formado por un catión de hierro unido al centro de la base conjugada de la porfirina , así como otros ligandos unidos a los "sitios axiales" del hierro. El anillo de porfirina es un ligando dianiónico planar, tetradentado. El hierro es típicamente Fe 2+ o Fe 3+ . Uno o dos ligandos están unidos a 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 en las proteínas. Como 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. El depósito de hierro sérico mantiene el hierro en forma soluble, lo que lo hace 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 hemoproteínas. Una vez unidas a los grupos hemo prostéticos, estas moléculas pueden modular la actividad/función de esas hemoproteínas, lo que permite la transducción de señales. Por lo tanto, cuando se producen en sistemas biológicos (células), estas moléculas gaseosas se denominan gasotransmisores.

Un modelo de la subunidad Fe- protoporfirina IX del cofactor hemo B.

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 la 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]

Roles

Las hemoproteínas tienen diversas funciones biológicas, incluido el transporte de oxígeno , que se completa a través de hemoproteínas como la hemoglobina , la hemocianina , [6] la mioglobina , la neuroglobulina , la citoglobina y la leghemoglobina . [7]

Algunas hemoproteínas ( citocromo P450 , citocromo c oxidasa , ligninasas , catalasas y peroxidasas ) son enzimas que suelen activar el O2 para su oxidación o hidroxilación.

Las hemoproteínas también permiten la transferencia de electrones , ya que forman parte de la cadena de transporte de electrones . El citocromo a , el citocromo b y el citocromo c tienen estas funciones de transferencia de electrones. Ahora se sabe que el citocromo a y el citocromo a3 forman una proteína y se le asignó el nombre de citocromo aa3. [8] El sistema sensorial también depende de algunas hemoproteínas, entre ellas FixL, un sensor de oxígeno, CooA , un sensor de monóxido de carbono y la guanilil ciclasa soluble .

Hemoglobina y mioglobina

La hemoglobina y la mioglobina son ejemplos de hemoproteínas que transportan y almacenan oxígeno respectivamente en los mamíferos y en 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 prostético hemo.

La 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 la His distal a través de un enlace de hidrógeno, no covalente. Se une a la sexta posición de coordinación del hierro, la 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 de 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 unir y transportar oxígeno mediante un grupo prostético. Estas globinas mejoran drásticamente la concentración de oxígeno molecular que puede transportarse en los fluidos biológicos de los vertebrados y algunos invertebrados.

Se producen diferencias en la unión del ligando y en la regulación alostérica .

Mioglobina

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 requisitos de energía. Por lo tanto, las células musculares utilizan la mioglobina para acelerar la difusión del oxígeno y actuar como reservas localizadas de oxígeno para los momentos de respiración intensa. La mioglobina también almacena la cantidad necesaria de oxígeno y la 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 la denomina proteína transportadora de oxígeno, para contrastarla con la mioglobina, que es estacionaria.

En los vertebrados, el oxígeno llega al cuerpo a través de los tejidos de los pulmones y pasa a los glóbulos rojos en el torrente sanguíneo, donde se utiliza en vías metabólicas aeróbicas. [10] Luego, el oxígeno se distribuye a todos los tejidos del cuerpo y se descarga desde los glóbulos rojos a las células que respiran. Luego, la hemoglobina recoge dióxido de carbono para regresar a los pulmones. De este modo, la hemoglobina se une y descarga tanto el oxígeno como el dióxido de carbono en los tejidos apropiados, lo que sirve para entregar el oxígeno necesario para el metabolismo celular y eliminar el producto de desecho resultante, el 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, lo que mantiene 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 la conversión de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. [14] Están formadas por 4 subunidades, cada subunidad tiene un grupo hemo Fe3+. Tienen un peso molecular promedio de ~240.000 g/mol.

Las haloperoxidasas implicadas en el sistema inmune innato también contienen un grupo prostético hemo.

Cadena de transporte de electrones y otros catalizadores redox

Los citocromos , la citocromo c oxidasa y la coenzima Q – citocromo c reductasa son proteínas o subunidades proteicas que contienen hemo y están incrustadas en la membrana interna de las mitocondrias que desempeñan un papel esencial en la respiración celular .

La sulfito oxidasa , un citocromo dependiente del molibdeno , oxida el sulfito a sulfato.

Sintetasa de óxido nítrico

Proteínas hemo diseñadas

Pincer-1: [15] Un péptido de unión al hemo diseñado que adopta una estructura secundaria completamente beta. ARRIBA: Representación topológica de Pincer-1 que muestra la estructura secundaria y los residuos interactuantes diseñados. ABAJO: Modelo tridimensional de todos los átomos de Pincer-1. Este modelo se confirmó parcialmente mediante RMN .

Debido a las diversas funciones de la molécula de hemo: como transportador de electrones, transportador de oxígeno y cofactor enzimático, las proteínas de unión al hemo han atraído constantemente la atención de los diseñadores de proteínas. Los intentos iniciales de diseño se centraron en las proteínas de unión al 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. Algunos ejemplos de estos diseños incluyen:

  • Helicromo [16] [17]
  • Globina-1 [18]
  • Ci-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:

  • Oxidorreductasas [25] [26]
  • Peroxidasas [27] [28]
  • Proteínas transportadoras de electrones [29]
  • Proteínas transportadoras de oxígeno [30]
  • Proteínas fotosensibles [25]

Las técnicas de diseño han madurado hasta tal punto que ahora es posible generar bibliotecas enteras de proteínas helicoidales que se unen al hemo. [31]

Los últimos intentos de diseño se han centrado en la creación de proteínas de unión de hemo íntegramente beta, cuya topología novedosa es muy poco común en la naturaleza. Entre estos diseños se incluyen:

  • Pinza-1 [15]
  • Péptidos de horquilla β [32]
  • Miniproteínas de lámina β [33]
  • Péptidos de láminas β multicatenarias [34]

Algunas metodologías intentan incorporar cofactores a las hemoproteínas que suelen soportar condiciones adversas. Para 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]

Referencias

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