la curva de disociación sigmoidal de la hemoglobina (Hb) y la cooperatividad son conceptos muy difíciles de comprender para los estudiantes de Bioquímica en las ciencias de la salud (como estudiantes de pregrado, química y biología). La enseñanza de la hemoglobina tiene múltiples propósitos en el aula de Bioquímica, entre ellos la ilustración de la Unión y estabilidad de proteínas, el transporte y la cinética., En este sentido, el concepto del origen de la función proteica y su regulación en la célula es uno de los puntos clave de las secuencias de curso innovadoras propuestas basadas en la lógica de la química .

el hecho de que la molécula de Hb se compone de 4 subunidades (α1,α2,β1,β2) hace que la oxigenación sea más fácil a medida que el Hb se satura más con oxígeno. Para explicar esto, es importante recordar que las interacciones hidrofóbicas, así como las iónicas y los enlaces de hidrógeno entre las subunidades determinan la estructura cuaternaria final de una proteína compleja., Específicamente, una serie de enlaces iónicos (conocidos clásicamente como «puentes salinos») formados entre aminoácidos altamente hidrófilos o cargados (por ejemplo, Asp, Glu, Lys, Arg) mantienen unidas las cuatro subunidades en la estructura cuaternaria de Hb. La oxigenación puede ocurrir solo si los enlaces iónicos se rompen y el polímero cambia de una conformación «tensa» (T) o de baja afinidad de oxígeno a una forma «relajada» (R). Cuando esto sucede, los átomos de hierro pueden adoptar la posición estereoquímica óptima en el plano de la porfirina que permite la unión adecuada de la molécula(s) de oxígeno., El más puentes que se rompen más fácil es (es decir, la afinidad de unión o −ΔGo aumenta) para la entrada de nuevas moléculas de oxígeno, hasta cuatro por la molécula de Hb. Este fue, en términos simplistas, un mecanismo estructural propuesto por M. F. Perutz en los años 70 que, aunque cuestionado por algunos investigadores, es sustancialmente correcto basado en nueva evidencia experimental .

desde su primera edición, El Libro de Bioquímica de L. Stryer ha presentado la analogía entre romper enlaces iónicos y desgarrar un bloque de cuatro sellos como explicación del mecanismo de la cooperatividad., He encontrado que incluso usando esta analogía, los estudiantes todavía están confundidos, muy probablemente porque » romper «(un sello) se equipara a» atar » (de oxígeno), dos verbos que tienen significados intrínsecamente contradictorios, que no conducen naturalmente a la formación de una asociación mental de dos ideas abstractas.

Además, la enseñanza de la Hb a menudo se concentra únicamente en el mecanismo molecular y no se extiende a su funcionalidad en el cuerpo., He aplicado con éxito la analogía a la liberación de oxígeno en lugar de a la Unión, conectando así efectivamente la bioquímica (cooperatividad) con la fisiología química (disociación de oxígeno). Al igual que con todos los equilibrios, el proceso es reversible y la curva sigmoidal puede funcionar de cualquier manera, ya que consideramos el eje X: de izquierda a derecha para la Unión del oxígeno o de derecha a izquierda para su disociación (Fig. 1). En este último caso, la alta tensión de O2 de los pulmones (100 mmHg) proporciona una saturación completa., A medida que la sangre sale de los pulmones hacia los tejidos periféricos, La Hb libera su carga y el porcentaje de oxihemoglobina disminuye.

la curva clásica de disociación de oxígeno de la hemoglobina

la forma de la curva de disociación de oxígeno de la Hb es sigmoidal, mientras que la de otras moléculas transportadoras de oxígeno (como la mioglobina) es hiperbólica. Solo la curva sigmoidal es característica del proceso cooperativo por el cual la liberación de una molécula de oxígeno altera la afinidad por los oxígenos restantes Unidos a las otras subunidades proteicas., La disposición de 4 subunidades en Hb (α1,α2,β1,β2), sirve para lograr una función específica en el organismo de los vertebrados, ya que se mueve desde un gradiente extremo de presión parcial de oxígeno (o tensión de oxígeno) de los pulmones a los tejidos hipóxicos. Las líneas diagonales discontinuas en la figura indican que las moléculas de oxígeno están unidas a subunidades α/β (a las Sextas posiciones de coordinación de iones Fe2+ en los planos heme).,

para trabajar la «cooperatividad al revés», que en realidad es una analogía funcional, más que estructural, le doy a algunos estudiantes un bloque cuadrado de cuatro sellos de la oficina de correos y les digo que los sellos representan las cuatro moléculas de oxígeno unidas a Hb dentro de un eritrocito en el pulmón, (en este punto, me aseguro de que entiendan que las moléculas de oxígeno en la vida real están unidas a las subunidades de hemoglobina, no entre sí). Luego pretendo embarcarme en un viaje a los tejidos donde se necesita todo este oxígeno., Como les digo que rasguen el primer sello, lo hacen haciendo dos cortes, uno horizontal y otro vertical. Para liberar el segundo sello solo se necesita un corte. Y con un corte final los dos últimos sellos están separados. Luego paso al gráfico de la curva de disociación (Fig., 2) y les digo que cooperatividad significa que la liberación de cada oxígeno de Hb en regiones del cuerpo cada vez más lejos de los pulmones, facilita la liberación de cada molécula posterior, y con menos energía cada vez (si 1 corte = 1 unidad arbitraria de energía, entonces para separar el primer, segundo, tercero y cuarto oxígenos necesitamos, respectivamente, 2 unidades, 1 unidad, 1/2 unidad y 1/2 unidad).,

la analogía del sello postal

para liberar sellos individuales de un bloque de cuatro, tenemos que hacer dos cortes para liberar el primer sello, solo un corte para liberar el segundo, y con el corte final liberamos los dos últimos sellos, por lo que cada vez necesitamos «menos energía» para hacer el trabajo. Del mismo modo, el oxígeno permanece fuertemente unido a la hemoglobina (Hb) en los pulmones, pero se liberará progresivamente a medida que la presión parcial de oxígeno cae en los diferentes tejidos del cuerpo., La liberación de una segunda molécula de oxígeno, y aún más de la tercera, requiere caídas más pequeñas de presión a medida que el eritrocito portador de Hb se aleja más hacia los pulmones. En la analogía, Hb * 4O2 existe como «cuatro sellos enlazados a las 4 subunidades Hb»; Hb•3O2 existe como «tres sellos enlazados + 1 subunidades libres» y así sucesivamente.

Una mirada más cercana al eje X revela que para la liberación del primer oxígeno, la tensión debe caer de 100 a 40 mmHg. Sin embargo, para el lanzamiento del segundo, la caída es más pequeña, de 40 a 26 mmHg (el P50 normal para Hb)., Además, la liberación de una tercera o cuarta molécula de oxígeno requiere solo la menor caída de presión (sin embargo, en la vida real Hb nunca descarga su contenido de oxígeno por completo). En este punto, enfatizo el significado funcional de» necesitar menos energía cada vez » para descargar oxígeno: solo pequeñas gotas en la presión parcial hacen el truco en el lugar correcto (tejidos) pero no en el equivocado (pulmones) donde lo necesitamos firmemente unido al portador.,

esta analogía describe los pasos en el mecanismo de la interacción Hb/O2 y proporciona un marco pictórico para entrar en la historia bioquímica tradicional (es decir, pasar ahora a la Unión del oxígeno: de izquierda a derecha en el eje X de la Fig. 1). Por lo tanto, el modelo se coloca en el contexto general de la cooperatividad en el que la primera molécula unida causa cambios estructurales que influyen en la Unión de la siguiente molécula., Esta propiedad (junto con el alosterismo) es una consecuencia directa de la disposición cuaternaria de los 4 polipéptidos en Hb, similar a la «comunicación molecular» que carece de otras moléculas de unión al oxígeno, como la mioglobina (Mb). La forma de la curva de disociación de oxígeno de Hb es sigmoidal, mientras que la de Mb no lo es (es hiperbólica); solo la curva sigmoidal es característica del proceso cooperativo. La naturaleza ha creado dos diseños moleculares inteligentes para propósitos particularmente distintos en el cuerpo., HB transporta oxígeno en el torrente sanguíneo desde un gradiente extremo de presión parcial de los pulmones (donde debe permanecer firmemente unido) a los tejidos (donde tiene que ser fácilmente liberado), pero, por otro lado, Hb sería incapaz de proporcionar todo el oxígeno que la célula necesita en una situación de alto ATP exigente (por ejemplo, el ejercicio). El Mb, ubicado en el citoplasma celular, libera oxígeno a la cadena respiratoria de la mitocondria, un orgánulo que usa oxígeno más rápido de lo que el gas puede difundir en él., Dado que la afinidad de unión del oxígeno a la citocromo oxidasa es ~10 veces mayor que la del Mb, una liberación «hiperbólica» funciona en esta situación particular mejor que una liberación «cooperativa».,

volviendo a la» cooperatividad al revés»ilustrada por la analogía del bloque de 4 sellos como se describió anteriormente, he encontrado que el aprendizaje de un concepto difícil se facilita aún más, ya que el educador utiliza aquí los tres modelos principales de aprendizaje: asociación, descubrimiento y tutoría de la siguiente manera:

  • primero, al comparar las moléculas de oxígeno con los sellos de la oficina de correos podemos pasar de lo abstracto a lo concreto., Al evocar imágenes en la mente del alumno cercanas al ámbito de la vida cotidiana, el proceso de asociación se pone en movimiento (teoría del comportamiento de Pavlov y Skinner). El profesor cuenta la historia, pintando cuadros y transportando a los estudiantes a escenarios de sonido, formas y colores y al hacerlo, entrega sin problemas la idea para ser comunicada. Esto es como enviar un correo electrónico de texto (el concepto) con un archivo de imagen «adjunto» (la imagen asociada).

  • en segundo lugar, los estudiantes participan en una pequeña actividad práctica., En el modelo de desarrollo y descubrimiento (basado en la teoría experiencial de Piaget), los estudiantes experimentan, tocan, sienten, hacen preguntas sobre el mundo exterior e intentan extraer las respuestas correctas por sí mismos. Puesto que el alumno utiliza los sentidos en la búsqueda de las respuestas correctas, el educador sirve aquí como facilitador y el alumno los asimila a su experiencia o mundo interior.,

  • En tercer lugar, si el educador comparte con la clase cómo se sintió cuando se encontró por primera vez con este concepto difícil, establecerá una relación de mentoría (basada en Bandura), en la que el maestro y los estudiantes comparten experiencias juntos. Esto sería práctico solo si una clase grande se divide en grupos pequeños, y aún así, algunos educadores podrían sentirse reacios a adoptar un enfoque que podría percibirse como «exponer» la debilidad frente a los estudiantes.,

sin embargo, todavía hay otra posibilidad de enseñar un concepto abstracto y difícil: guiándolos a descubrir la verdad por sí mismos. El» método socrático » se hizo uno a uno, involucró el aprendizaje activo, se centró en el alumno y fue facilitado por el maestro. Las preguntas hábiles, bien formuladas, dirigidas al conocimiento, la comprensión y la aplicación de disciplinas difíciles pueden mejorar de manera eficiente las habilidades cognitivas de los estudiantes de las diversas profesiones de la salud .,

en nuestro ejemplo de la curva de disociación de la hemoglobina, podemos imaginar caminando junto al discípulo en el verde del campus universitario. El maestro podría plantear la pregunta: «digamos que el oxígeno está unido a la hemoglobina en el pulmón, ¿será una unión apretada?»El estudiante respondería:» posiblemente, ya que no queremos perder nada allí mismo». El maestro, entonces: «ahora imaginemos que el eritrocito está viajando más lejos del pulmón»;» es hora de liberarlo»; » Sí, pero ¿qué pasaría si se liberara tan pronto como la presión de oxígeno disminuyera ligeramente?,»; «Bueno, supongo que no quedará nada para los tejidos más ocultos bañados en CO2»; «exactamente»; » entonces imagino que la liberación debería ser gradual, pero, espera un minuto, ¡debería existir un mecanismo para eso!»; «Efectivamente. Llamemos a ese mecanismo ‘cooperatividad’ por ahora». Y así sucesivamente.

aunque poco práctico, este sería el método de aprendizaje de elección y el uso de tutoría interactiva en línea se está acercando a ese objetivo. Mientras tanto, no puedo esperar para comenzar un nuevo trimestre y ver las caras de los estudiantes brillar cuando descubren los secretos de la entrega de oxígeno con la ayuda de un 4×33 centavos «dispositivo».,