Qumica Biolgica Patolgica HEMOGLOBINOPATIAS IAlteraciones Estructurales 2015 Tema

Química Biológica Patológica HEMOGLOBINOPATIAS I-Alteraciones Estructurales 2015 Tema: 3 (3) Dra. Silvia Varas svaras@unsledu. ar

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Esquema de la Molécula de Hemoglobina

ESTRUCTURA DE LA CADENAS DE GLOBINAS n ys H -8 Cada subunidad esta constituida por 8 -hélices rotuladas A H conectadas por uniones polipeptídicas cortas ys H Las curvas en la estructura se designan AB, CD, EF, FG, y así sucesivamente, y refleja los segmentos que conectan las distintas alfa hélice. -7 n

UNION DEL HEM A LA GLOBINA Y AL OXÍGENO n n El hierro se une la Hys F 8 ( histidina proximal) Al otro lado se une el O 2, y puede interaccionar con la Hys E 7 (histidina distal)

n n Esta vista muestra los dos enlaces de coordinación a Fe 2+ perpendicular al sistema de anillo de porfirina. Uno de estos dos enlaces está ocupada por un residuo de His, a veces llamado el residuo His proximal. El otro enlace es el sitio de unión para el oxígeno. Los cuatro restantes son enlaces de coordinación en el plano y unidos a, el sistema plano del anillo de la porfirina. El hierro en el estado Fe 2+ se une al oxígeno de forma reversible; en el estado Fe 3+ no se une el oxígeno.

RESIDUOS EN CONTACTO CON EL HEM n Los residuos no polares en los segmentos C, CD, E, F y FG protegen la abertura al impedir que el agua penetre.

BOLSILLO DEL HEM n La jaula hidrofóbica donde se encuentra el hem es la fuerza estabilizadora principal para la unión del hem a la proteína n El medio no polar dificulta la oxidación de Fe 2+ a Fe 3+.

n La estructura cuaternaria de la hemoglobina presenta fuertes interacciones entre subunidades diferentes. La interfaz 1 1 (y su contraparte 2 2 ) involucra más de 30 residuos. n La interacción 1 2 (y 2 1) involucra 19 residuos. Las interacciones hidrófobas predominan en las interfaces, pero también hay muchos enlaces puentes de hidrógeno y pocos de pares de iones.

Desoxihemoglobina La oxigenación pone a las cadenas mas juntas Oxihemoglobina

Estado Desoxihb o Tenso (T) n Estado (T): hay cerca 22 contactos (12 puentes de hidrogeno) n Estado Oxihb o Relajado (R) n Estado R: hay cerca 40 contactos (19 puentes de hidrogeno) n

n n La mayoría de los movimientos de oxigenación/deoxige nación toma lugar en las interfaces 1 2 ( 2 1) Las interfaces 1 1 ( 2 2) permanecen inmóviles Desoxigenación: Oxigenación: ------

HEMOGLOBINOPATÍAS n ALTERACIONES CUALITATIVAS n n Hemoglobinopatías estructurales ALTERACIONES CUANTITATIVAS n Síndromes Talasémicos

Clasificación: n ESTRUCTURAL ES Cadenas Fusión de Cadenas: n TALASEMIAS - talasemia - talasemia n n PERSISTENCIA HEREDITARIA DE HEMOGLOBINA F Con deleción Sin deleción Ligado al cluster No Ligado al cluster n

Clasificación según Fenotipo I-Propiedades físico-químicas alteradas A-Hb. S (polimerización deoxihb S): síndromes drepanocíticos B-Hb. C (cristalización): anemia hemolítica, microcitosis II-Variantes de Hemoglobina Inestables A-Anemia hemolítica de cuerpos de Heinz Congénita III- Variantes con afinidad al O 2 alterada A-Variantes con alta afinidad: eritrocitosis B-Variantes con baja afinidad: anemia, cianosis IV-Hemoglobina M A-Metahemoglobinemia, cianosis. ü V- Variantes que causan un fenotipo talasémico ü

VARIANTES ESTRUCTURALES DE HEMOGLOBINAS n n NOMENCLATURA PATOLOGIA MOLECULAR: a-Sustituciones de una única base. Hb. S b-Variantes de cadena de hemoglobina elongadas (cadenas alargadas). Hb CS c-Cadenas de globinas truncadas (deleción de fragmentos). Hb Leiden, Gun Hill d- Hemoglobinas de fusión (hibridización anómala). Hb Lepore

a-Sustituciones de una única base. b-Variantes de cadena de Hb alargadas.

n Mutantes de Terminación: Cadenas Alargadas Los mutantes de terminación son todos variantes de la cadena alfa globina donde hay una única sustitución de base en el codón stop UAA.

Hb Constant Spring. 1 y 2 Adulto Normal; 3 y 4 heterocigota para Hb. CS y º-talasemia con Hb. H; 5: Adulto Normal; y 6 componente heterocigota para º-talasemia y Hb. CS

Fenotipos Clínicos y Genotipos de -talasemias

n c-Cadenas de globinas truncadas En este caso, un o más aminoácidos adyacentes se pierden, pero se conserva el resto de la cadena normal. Estas variantes involucran la deleción de 1 o más codones intactos, no afectando el marco de lectura de la proteína restante. Consisten en una perdida de uno o varios nucleótidos en la secuencia del DNA que codifica la síntesis de una cadena de globina. Son ejemplos de deleciones las Hb Freiburg (deleción de un aminoácido), Hb Lyon (deleción de dos aminoácidos) y Hb Gun. Hill (deleción de cinco aminoácidos).

d- Hemoglobinas de fusión Hemoglobina Lepore Hemoglobina Kenya n Hb Lepore tiene los primeros 20 a 80 aminoácidos de las cadenas y los últimos 50 a 100 aminoácidos del extremo C-terminal de la cadena . -El gen híbrido δβ se llama Lepore y - El gen híbrido βδ se llama anti-Lepore

Clasificación según Fenotipo I-Propiedades físico-químicas alteradas A-Hb. S (polimerización deoxihb S): síndromes drepanocíticos B-Hb. C (cristalización): anemia hemolítica, microcitosis II-Variantes de Hemoglobina Inestables A-Anemia hemolítica de cuerpos de Heinz Congénita III- Variantes con afinidad al O 2 alterada A-Variantes con alta afinidad: eritrocitosis B-Variantes con baja afinidad: anemia, cianosis IV-Hemoglobina M A-Metahemoglobinemia, cianosis. V- Variantes que causan un fenotipo talasémico

I-Hemoglobina con Propiedades Fco-Qco Alteradas Hemoglobina n S C E D

Anemia Falciforme, Drepanocítica, en Forma de Hoz (sickle), o Hb. S 6 Cadena

GAG GTG WT: Ac. Glutámico

GAG GTG S: Valina

Fisiopatología: n POLIMERIZACION DE HEMOGLOBINA La presencia de Hb. S, permite a esta polimerizar cuando se desoxigena (Estado T), ya que la valina (pero NO Ac. Glutámico) puede unirse a ésteres complementarios en cadenas de globina adyacentes

1 2 La valina ( 2) se une a un bolsillo hidrófobo sobre la subunidad 1 de una molécula vecina de oxihemoglobina.

c/polímero= 14 haces longitudinales= cuerpo tactoide a b c Filamento externo Filamento interno Estructura cilíndrica, insoluble y rígida Micrografía electrónica de fibras teñidas negativamente de Hb. S y la estructura deducida por reconstrucción de la imagen tridimensional. Las fibras reconstruidas esta presente como modelos de balones, (cada balón representa un tetrámero de Hb. S). Los modelos se presentan como la cubierta exterior (a), el núcleo interno (b) y una combinación de ambos filamentos el externo y el interno (c)

Cuerpo tactoide rompe citoesqueleto entra Ca 2+ activa canal Gardos sale K+ H 2 O Fibras de desoxihemoglobina S

Fisiopatología: POLIMERIZACION DE HEMOGLOBINA n DESHIDRATACION CELULAR n DISMINUCIÓN DEL NO Y DISFUNCIÓN DE ENDOTELIO n ADHESIVIDAD CELULAR ANORMAL n INFLAMACION n ISQUEMIA-REPERFUSIÓN n LA ACTIVACIÓN DEL SISTEMA DE COAGULACIÓN n VASCULOPATIA CRONICA n

6º 2º 1º 4º 5º 3º 7º VCAM (vascular cell adhesion molecule )

SCAVENGING o BARRIDO DE OXIDO NITRICO (NO)

HEMOLISIS INTRAVASCULAR SCAVENGING de NO Y DISFUNCIÓN DE ENDOTELIO

Diagnóstico Anemia con Hb. S:

Características clínicas n n n 1. Fase estacionaria. Corresponde, generalmente, a los primeros años de vida (1 -4 años), y sus manifestaciones clínicas son las propias de un síndrome hemolítico crónico moderado o intenso (anemia, palidez cutáneo-mucosa, subictericia conjuntival y retraso del crecimiento óseo y gonadal). 2. Fase de expresividad aguda. Se inicia a partir de los 4 años de edad, con agravamiento del cuadro anémico (Hb < 80 g/L) y aparición de diversas manifestaciones clínicas de carácter agudo debidas a las crisis vasooclusivas que afectan de forma importante a diversos órganos, aunque muy especialmente al pulmón, al riñón y al tejido óseo (drepanocitosis). Las crisis vasooclusivas constituyen, de hecho, la manifestación clínica más característica y grave de la anemia falciforme y, muchas veces, el primer síntoma. Se trata de ataques, muy dolorosos y pasajeros, que pueden durar días o semanas. 3. Fase de expresividad crónica. Es propia de los pacientes que han logrado sobrevivir la primera infancia, por lo que es característica de la adolescencia y la edad adulta. El carácter evolutivo crónico de la anemia falciforme afecta de forma importante al crecimiento y desarrollo corporal, al sistema nervioso central, cardiovascular, pulmonar, hepatobiliar y gastrointestinal. Asimismo, condiciona lesiones graves de la función renal y trastornos visuales que pueden conducir a la ceguera

Otras variantes estructurales de Hb n n n Hemoglobina C: fue la segunda variante a ser identificada electroforeticamente. Resulta de la sustitución de Lisina por Ac. Glutámico en la posición 6 de la cadena de globina. Existe un número de observaciones que sugieren que la Hemoglobina C es menos soluble que la Hemoglobina A y tiene tendencia a cristalizar en el eritrocito. Hemoglobina D: este termino se usa par describir un numero de variantes de hemoglobinas que tienen una velocidad de migración idéntica a Hb. S en una electroforesis a p. H alcalino. La mas común de estas hemoglobinas es la Hb DLOS ANGELES, sus eritrocitos son normales excepto por el elevado numero de células target. Hemoglobina E: Es la variante más común en el mundo. Resulta de la sustitución de Acido Glutámico por Lisina en la posición 26 en la cadena de globina.

Frotis de sangre. Enfermedad Hb SS con sicklecells. Frotis de sangre de Enfermedad Hb SC. Note frecuencia de target cells, característica de Hb C y las células son pequeñas y densas, irregular, refleja su contenido de Hb S. Microscopia contraste de fase. Note 3 sickled cells con proyecciones (formación tactoide). Frotis de sangre de enfermedad con Hb CC. Numerosas target cells y una población de microesferocitos (hipercromática). De las células no esferociticas, virtualmete todas son target cells.

FS de enfermedad con Hb C postesplenectomia. Note las inclusiones semejantes a una barra en dos células como resultado de cristalización de Hb C. Estas células son virtualmente removidas en pac. con bazo. FS de enfermedad Hb DD. Note target cells en una población de esferocitas pequeños, poikilocitos, y Enfermedad de Hb CC postesplenectomia. Microscopia de contraste de Fase. Note la barra cristalina de Hb C in una célula. FS de enfermedad Hb EE. Hipocromia, anisocitosis y target cells.

Clasificación según Fenotipo I-Propiedades físico-químicas alteradas ü A-Hb. S (polimerización deoxi. Hb S): síndromes drepanocíticos B-Hb. C (cristalización): anemia hemolítica, microcitosis II-Variantes de Hemoglobina Inestables A-Anemia hemolítica de cuerpos de Heinz Congénita III- Variantes con afinidad al O 2 alterada A-Variantes con alta afinidad: eritrocitosis B-Variantes con baja afinidad: anemia, cianosis IV-Hemoglobina M A-Metahemoglobinemia, cianosis. ü V- Variantes que causan un fenotipo talasémico ü

II-Desordenes de Hemoglobinas Inestables Anemia Hemolítica de Cuerpos de Heinz Congénitos, (CHBA) (Congenital Heinz body hemolitic anemia) Tipo 1: Sustituciones en la vecindad del bolsillo del hem. La unión del hem a la globina involucra interacciones específicas con residuos de aminoácido no polares en las regiones CD, E, F, y FG

Desordenes de Hemoglobinas Inestables Anemia Hemolítica de Cuerpos de Heinz Congénitos, (CHBA) (Congenital Heinz body hemolitic anemia) Tipo 2: Ruptura Estructura Secundaria de -hélice. Prolina no puede participar excepto como parte de uno de los tres residuos iniciales. Hay sustituciones de Pro Tipo 3: Mutaciones en la zona de contacto 1 1 Tipo 4 : Deleciones de aminoácidos Tipo 5: Cadenas Alargadas

Mecanismo de formación de los Cuerpos de Heinz Autoxidación superóxido Los hemicromos son moléculas de metahemoglobina en las que la quinta o sexta posición de coordinación con el hierro se une en otra posición de la normal, generando una distorsión de la molécula

Oxi. Hb (6 HS) NADH NAD+ Meta. Hb (6 HS) + Formación Cuerpos Heinz - O 2 Superóxido dismutasa Hb sin hem Hemicromo 1 (Reversible) Hemicromo 2 R(Irreversible) H 2 O 2 GSH Cadenas precipitadas Precipita (4 HS) I Cuerpos de Heinz (unido MP) LISIS Catalasa Glutation peroxidasa GSSG H 2 O

Mecanismo de Hemólisis: Una teoría propuesta como mecanismo de hemólisis seria la siguiente (1º) un aumento de la oxidación y fosforilación de tirosina en la proteína AE 1; unión de los hemicromos a la proteína Banda 3 (2º) reclutamiento progresivo de AE 1 fosforilada en grandes complejos en membrana lo cuales contienen hemicromos y (3º) paralela lisis de los eritrocitos y una masiva liberación de vesículas que contienen hemicromos.

II-Mecanismos de Remoción Fagocítica de Eritrocitos La secuencia de eventos sería: a- Unión de los hemicromos a la proteína Banda 3, b- Oxidación de los dominios citoplasmático de Banda 3, c- Generación de agregados de alto peso molecular de Banda 3 (clustering de banda 3) que une Ig. G y complemento, d- Opsonización con Ac anti- Banda 3 e- Reconocimiento por parte del sistema mononuclear-fagocítico y fagocitosis por macrófagos.

Clasificación según Fenotipo I-Propiedades físico-químicas alteradas A-Hb. S (polimerización deoxi. Hb S): síndromes drepanocíticos B-Hb. C (cristalización): anemia hemolítica, microcitosis II-Variantes de Hemoglobina Inestables A-Anemia hemolítica de cuerpos de Heinz Congénita III- Variantes con afinidad al O 2 alterada A-Variantes con alta afinidad: eritrocitosis B-Variantes con baja afinidad: anemia, cianosis IV-Hemoglobina M A-Metahemoglobinemia, cianosis. V- Variantes que causan un fenotipo talasémico

Variantes de Hemoglobina con afinidad alterada al O 2 El BPG (rojo) se une a la cavidad central de Hemoglobina. Tiene una carga de -5 y esta rodeado por 8 grupos cationicos (azules). En el estado R, la cavidad central es muy angosta para contener el BPG. El BPG se une en el estado T. Esto desplaza el equilibrio T R hacia el estado T baja la afinidad de la Hemoglobina por el O 2

III-

Clasificación según Fenotipo I-Propiedades físico-químicas alteradas A-Hb. S (polimerización deoxi. Hb S): síndromes drepanocíticos B-Hb. C (cristalización): anemia hemolítica, microcitosis II-Variantes de Hemoglobina Inestables A-Anemia hemolítica de cuerpos de Heinz Congénita III- Variantes con afinidad al O 2 alterada A-Variantes con alta afinidad: eritrocitosis B-Variantes con baja afinidad: anemia, cianosis IV-Hemoglobina M A-Metahemoglobinemia, cianosis. V- Variantes que causan un fenotipo talasémico

n Alguna pregunta?