Efecto Bohr

Qué es el efecto Bohr

El efecto Bohr describe la modulación fisiológica que ejercen el pH y la presión parcial de dióxido de carbono (pCO₂) sobre la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Cuando el ambiente sanguíneo se acidifica o se enriquece en CO₂, la molécula libera oxígeno con mayor rapidez; cuando ocurre lo contrario, lo retiene. Es un mecanismo alostérico, es decir, la unión de una molécula (protones o CO₂) modifica la conformación de otra región de la proteína y cambia su afinidad por el oxígeno. Sin este ajuste, la hemoglobina se comportaría como un simple depósito de oxígeno, incapaz de distinguir dónde hace falta entregarlo.

Desde el punto de vista nosológico no es una enfermedad ni un signo clínico, sino un fenómeno fisicoquímico integrado en el transporte fisiológico de gases. Su nombre es un epónimo que rinde homenaje a Christian Bohr (1855-1911), catedrático de fisiología en la Universidad de Copenhague y padre del físico Niels Bohr. En 1903 Bohr comenzó a trabajar con dos jóvenes colaboradores, Karl Hasselbalch (más tarde coautor de la ecuación de Henderson-Hasselbalch) y August Krogh (futuro Premio Nobel de Medicina en 1920), para reproducir experimentalmente los trabajos de Gustav von Hüfner sobre la curva de unión oxígeno-hemoglobina. En lugar de la hipérbola que predecía Hüfner, encontraron una curva sigmoidea. Al variar la pCO₂ observaron que la curva se desplazaba hacia la derecha, una regularidad que publicaron en 1904 en el Skandinavisches Archiv für Physiologie. El fenómeno pasó a llevar el apellido de Bohr, aunque Krogh mantuvo siempre que él había sido el primero en advertirlo.

Mecanismo molecular y bases alostéricas

La hemoglobina adulta es un tetrámero formado por dos cadenas alfa y dos beta, cada una con un grupo hemo que aloja un átomo de hierro capaz de fijar una molécula de oxígeno. La proteína alterna entre dos conformaciones: un estado tenso (T), de baja afinidad por el oxígeno y predominante en la hematíe desoxigenada, y un estado relajado (R), de alta afinidad, propio de la oxihemoglobina. Los protones y el CO₂ actúan como efectores alostéricos: estabilizan el estado T al unirse a residuos concretos de la globina (grupos amino terminales de la valina, residuos de histidina en la cadena beta), lo que dificulta la fijación del oxígeno y facilita su liberación.

Detrás del acoplamiento entre pCO₂ y pH hay una bioquímica sencilla. Al llegar el dióxido de carbono al eritrocito, la anhidrasa carbónica cataliza su reacción con agua para formar ácido carbónico (H₂CO₃), que se disocia rápidamente en bicarbonato (HCO₃⁻) y un protón (H⁺). Los protones desplazan el equilibrio hacia el estado T de la hemoglobina, y con ello aumenta la liberación de oxígeno. Una fracción menor del CO₂ se une directamente a los grupos amino de la globina y forma carbaminohemoglobina, que también estabiliza el estado T. Ambos mecanismos convergen en el mismo resultado: menor afinidad por el oxígeno cuando el tejido lo necesita.

Este ajuste sirve al organismo de dos maneras complementarias. En los capilares sistémicos, el metabolismo celular genera CO₂ y ácidos orgánicos que hacen caer el pH local; la curva de disociación de la hemoglobina se desplaza hacia la derecha y el oxígeno se libera con mayor rendimiento. En los capilares pulmonares ocurre lo contrario: el CO₂ difunde al alveolo, el pH sube y la hemoglobina recupera su afinidad, lo que permite volver a cargarse de oxígeno. La curva vuelve a la izquierda. Todo el intercambio se apoya en este vaivén.

Factores que modulan la posición de la curva

Además del pH y la pCO₂, otros elementos desplazan la curva de disociación. La temperatura elevada la desplaza hacia la derecha, mientras que el enfriamiento la mueve a la izquierda: por eso los músculos en ejercicio, que producen calor y ácido láctico, extraen oxígeno con más facilidad. El 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), un intermediario de la glucólisis en el eritrocito, también favorece el estado T y desplaza la curva a la derecha; su concentración aumenta en la altitud y en la anemia crónica, y forma parte de la adaptación fisiológica a la hipoxia.

La hemoglobina fetal (HbF) constituye un caso singular. Sus cadenas gamma interactúan mal con el 2,3-DPG, así que su afinidad por el oxígeno es más alta que la de la hemoglobina adulta: la curva se sitúa a la izquierda de la del adulto. Este desplazamiento permite al feto captar oxígeno desde la sangre materna a pesar de las presiones parciales bajas que se dan en la placenta. Otras variantes hemoglobínicas alteran la magnitud del efecto Bohr; la hemoglobina Hiroshima, por ejemplo, muestra una cooperatividad reducida y un efecto Bohr atenuado.

Relación con el efecto Haldane

El efecto Bohr y el efecto Haldane describen dos caras del mismo intercambio. El efecto Bohr explica cómo el CO₂ y los protones modulan el transporte de oxígeno; el efecto Haldane, cómo la desoxigenación de la hemoglobina aumenta su capacidad de transportar CO₂. Ambos operan simultáneamente en los mismos capilares y son termodinámicamente inseparables: son las dos direcciones de la misma interacción alostérica entre el oxígeno, los protones y el CO₂ sobre la molécula de hemoglobina.

Contexto histórico del descubrimiento

Bohr trabajaba en un laboratorio de Copenhague dedicado desde hacía dos décadas a la solubilidad de los gases en los líquidos biológicos. En 1891 ya había caracterizado el espacio muerto respiratorio. La cuestión abierta a comienzos del siglo XX era el reparto de oxígeno entre pulmones y tejidos: si la curva era una hipérbola simple, como sostenía Hüfner, resultaba difícil explicar por qué la hemoglobina soltaba oxígeno con eficacia solo en los tejidos activos. La forma sigmoidea descubierta por el equipo de Copenhague, y su modulación por el CO₂, aportaron la clave.

El trabajo de 1904 se publicó en alemán, la lengua franca de la fisiología de la época, con el título "Über einen in biologischer Beziehung wichtigen Einfluss, den die Kohlensäurespannung des Blutes auf dessen Sauerstoffbindung übt" (Sobre una influencia biológicamente importante que ejerce la tensión de ácido carbónico de la sangre sobre su unión al oxígeno). Un año después, en 1905, Bohr amplió los resultados en una monografía. La comprensión molecular tuvo que esperar a los estudios cristalográficos de Max Perutz en los años sesenta y setenta, que revelaron cómo las cadenas de globina cambian de conformación al unir oxígeno.

Diferenciación con otros fenómenos afines

Efecto Haldane. Se refiere al aumento en la capacidad de la hemoglobina desoxigenada para transportar CO₂ y protones. El efecto Bohr toma como variable dependiente la afinidad por el oxígeno; el Haldane, la afinidad por el CO₂.

Cooperatividad de la hemoglobina. Es el fenómeno por el que la unión de una molécula de oxígeno facilita la unión de las siguientes. Explica la forma sigmoidea de la curva. El efecto Bohr no genera la sigmoide, sino que la desplaza en función del pH y la pCO₂.

Efecto del 2,3-DPG. Este metabolito eritrocitario también desplaza la curva a la derecha, pero por un mecanismo distinto: se aloja en la cavidad central del tetrámero, no en los residuos periféricos que regulan el efecto Bohr. Ambos efectos son independientes y aditivos.

Intoxicación por monóxido de carbono. El CO se une a la hemoglobina con una afinidad mucho mayor que el oxígeno y forma carboxihemoglobina. Además desplaza la curva de disociación a la izquierda, lo que dificulta la liberación del oxígeno todavía unido a los sitios libres. Es un cuadro que compromete el efecto Bohr al bloquear la fisiología normal del transporte.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el efecto se llama Bohr y no Krogh o Hasselbalch?

Christian Bohr era el director del laboratorio de Copenhague donde se realizaron los experimentos y firmó como primer autor del artículo de 1904 junto a Karl Hasselbalch y August Krogh. La convención de la época atribuía el descubrimiento al investigador principal. Curiosamente, Krogh mantuvo durante toda su vida que había sido él quien observó por primera vez el desplazamiento de la curva. Krogh recibiría el Premio Nobel en 1920 por su trabajo sobre la fisiología de los capilares.

¿El efecto Bohr y el efecto Haldane son lo mismo visto desde ángulos distintos?

Son manifestaciones de la misma interacción alostérica en la hemoglobina, pero se enfocan en variables diferentes. El efecto Bohr responde a la pregunta de cómo el pH y el CO₂ modifican la afinidad por el oxígeno. El efecto Haldane responde a cómo la oxigenación modifica la capacidad para transportar CO₂. En un mismo capilar operan a la vez y en direcciones complementarias.

¿Qué significa que la curva de disociación se desplaza a la derecha?

Un desplazamiento a la derecha implica que, para una presión parcial dada de oxígeno, la saturación de la hemoglobina es menor. Es decir, la hemoglobina suelta oxígeno con más facilidad. Ocurre cuando baja el pH, sube el CO₂, aumenta la temperatura o se eleva el 2,3-DPG. Un desplazamiento a la izquierda significa lo contrario: mayor afinidad, oxígeno retenido con más fuerza.

¿La hemoglobina fetal muestra efecto Bohr?

Sí. La HbF también responde al pH y al CO₂, aunque su curva basal está desplazada a la izquierda respecto a la del adulto. Esto se debe a la baja interacción de sus cadenas gamma con el 2,3-DPG, no a una diferencia en la sensibilidad al efecto Bohr propiamente dicho.

¿Puede la hiperventilación reducir el aporte de oxígeno a los tejidos?

En principio, sí. La hiperventilación sostenida arrastra CO₂, sube el pH sanguíneo y desplaza la curva a la izquierda; la hemoglobina retiene oxígeno con más fuerza y lo libera menos en los tejidos. Es el mecanismo del que dependen algunas manifestaciones de la alcalosis respiratoria.

Referencias

1. Benner A, Patel AK, Singh K, Dua A. Physiology, Bohr Effect. StatPearls Publishing, NCBI Bookshelf.
2. Patel S, Jose A, Mohiuddin SS. Physiology, Oxygen Transport And Carbon Dioxide Dissociation Curve. StatPearls Publishing, NCBI Bookshelf.
3. Manual MSD, versión para profesionales. Medición del intercambio gaseoso.
4. West JB. Three classical papers in respiratory physiology by Christian Bohr (1855-1911) whose work is frequently cited but seldom read. American Journal of Physiology - Lung Cellular and Molecular Physiology.