Hemoproteína

Una hemoproteína (o hemoproteína ) , o proteína hemo , es una proteína que contiene un grupo prostético hemo . [ ^{1 ] Son} una clase muy extensa de metaloproteínas . El grupo hemo confiere funcionalidad, que puede incluir el transporte de oxígeno , la reducción de oxígeno, la transferencia de electrones y otros procesos. El hemo se une a la proteína de forma covalente , no covalente o ambas. ^{[ 2 ]}

El grupo 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 planar. El hierro suele ser Fe²⁺ ^o Fe³⁺ ^. Uno o dos ligandos se unen a los sitios axiales. El anillo de porfirina tiene cuatro átomos de nitrógeno que se unen al hierro, dejando dos posiciones de coordinación del hierro disponibles para unirse a la histidina de la proteína y a un átomo divalente. ^{[ 2 ]}

Es probable que las hemoproteínas evolucionaran para incorporar el átomo de hierro contenido en el anillo de protoporfirina IX del hemo a las proteínas. Dado que esto hace que las hemoproteínas respondan a 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 reservorio 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 hemoproteínas. Una vez unidas a los grupos hemo prostéticos, estas moléculas pueden modular la actividad/función de dichas hemoproteínas, proporcionando 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 las hemoproteínas se han agregado en la Base de Datos de Hemoproteínas (HPD), una base de datos secundaria del Banco de Datos de Proteínas . ^{[ 5 ]}

Las hemoproteínas tienen diversas funciones biológicas, incluido el transporte de oxígeno , que se realiza 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 , catalasa y peroxidasas— son enzimas. 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 dichas funciones de transferencia de electrones. Ahora se sabe que el citocromo a y el citocromo a3 forman una sola proteína y se le dio el nombre de citocromo aa3. ^{[ 8 ]} El sistema sensorial también depende de algunas hemoproteínas, incluyendo FixL , un sensor de oxígeno, CooA , un sensor de monóxido de carbono, y la guanilil ciclasa soluble .

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 presente en los glóbulos rojos, mientras que la mioglobina es una proteína terciaria que se encuentra en las células musculares de los mamíferos. Si bien 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 , se une covalentemente a la quinta posición de coordinación del hierro. El oxígeno interactúa con la His distal mediante un enlace de hidrógeno, no covalente. Se une a la sexta posición de coordinación del hierro, y 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 grupos hemo en total, lo que permite que cuatro moléculas de oxígeno se unan a la proteína.

La mioglobina y la hemoglobina son proteínas globulares que se unen al oxígeno y lo transportan 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 .

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 primeros intentos de diseño se centraron en proteínas de unión al hemo con estructura de hélice alfa, en parte debido a la relativa simplicidad del diseño de haces helicoidales autoensamblables. Los sitios de unión al hemo se diseñaron dentro de los surcos hidrofóbicos interhelicoidales. Algunos ejemplos de estos diseños son:

• 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 crear haces helicoidales funcionales de unión al hemo, tales como:

• Oxidoreductasas ^{[ 25 ] [ 26 ]}
• Peroxidasas ^{[ 27 ] [ 28 ]}
• Proteínas de transporte de electrones ^{[ 29 ]}
• Proteínas de transporte de oxígeno ^{[ 30 ]}
• Proteínas fotosensibles ^{[ 25 ]}

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

Los intentos de diseño recientes se han centrado en la creación de proteínas de unión al hemo totalmente beta, cuya topología novedosa es muy rara en la naturaleza. Dichos diseños incluyen:

• Pinza-1 ^{[ 15 ]}
• péptidos β-horquilla ^{[ 32 ]}
• miniproteínas de lámina β ^{[ 33 ]}
• Péptidos de lámina β de múltiples hebras ^{[ 34 ]}

Algunas metodologías intentan incorporar cofactores a las hemoproteínas, que suelen estar expuestas a condiciones adversas. Para incorporar un cofactor sintético, primero debe producirse la desnaturalización de la holoproteína para eliminar el grupo hemo. Posteriormente, se reconstruye la apoproteína con el cofactor. ^{[ 35 ]}

• Base de datos de proteínas hemo
• Hemoproteínas en los encabezamientos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.