Hemoglobina: Função e Estrutura

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Hemoglobina
Função
Transportador que descarrega alta quantidade de O2 nos tecidos periféricos, além de ligá-lo com eficiência nos pulmões. Também retira resíduos de produtos da respiração (CO2 e prótons) para eliminação nos pulmões.
A entrega de oxigênio é aumentada pela ligação de 2,3-bifosfoglicerato (BPG), que estabiliza a estrutura quaternária da desoxi-hemoglobina.
O cianeto e o monóxido de carbono provocam a morte porque rompem a função fisiológica das hemeproteínas citocromo-oxidase e hemoglobina, respectivamente.
A oxidação do Fe2+ da mioglobina ou da hemoglobina em Fe3+ destrói sua atividade biológica.
Estrutura
As hemoglobinas são tetrâmeros compostos por pares de duas subunidades polipeptídicas diferentes. As quatro cadeias polipeptídicas são mantidas juntas por ligações não covalentes. Cada uma contém um grupo heme (ligam-se por ligação covalente) e um só centro de ligação ao oxigênio. A hemoglobina A, a principal dos adultos, é constituída por duas cadeias alfa (α) e duas beta (β). Uma outra hemoglobina nos adultos (cerca de 2% da hemoglobina total) é a hemoglobina A2, na qual as cadeias β são substituídas por cadeias delta (δ). Sendo assim, a composição da hemoglobina A é α2 β2 e da hemoglobina A2 é α2δ2.
Os embriões e fetos apresentam hemoglobinas diferentes. O feto humano inicialmente sintetiza o tetrâmero 22. Ao fim do primeiro trimestre, as subunidades e são substituídas pelas subunidades e , formando HbF (22), a hemoglobina da vida fetal tardia. Enquanto a síntese das subunidades inicia no terceiro trimestre, a substituição das subunidades pelas subunidades para formar HbA adulta (22) não se completa até algumas semanas após o parto.
As cadeias α e ξ contêm 141 aminoácidos e as cadeias β, γ e δ contém 146. Logo, a hemoglobina consiste em vários polipeptídeos que diferem entre si. As interações das subunidades determinam a capacidade da hemoglobina de transportar O2, CO2 e H+, atendendo às condições fisiológicas.
Os polipeptídeos ą (141 resíduos) e ß (146 resíduos) da hemoglobina A (HbA) são codificados por diferentes genes e apresentam diferentes estruturas primárias. Em contraste, as estruturas primárias, ß, γ, δ das cadeias polipeptídicas das hemoglobinas humanas conservaram firmemente as suas estruturas primárias.
Possui estrutura em hélice alfa.
A estrutura terciária de quase todas as globinas têm sete ou oito regiões helicoidais (designadas A a H). Os dois aminoácidos mais conservados são histidina e fenilalanina (mantêm o anel porfirínico do heme dentro da proteína enovelada).
Apesar das diferenças no tipo e na quantidade de aminoácidos presentes, a mioglobina e o polipeptídeo beta da hemoglobina A possuem estruturas secundárias e terciárias quase idênticas. As semelhanças incluem a localização do heme e das regiões helicoidais, bem como a presença de aminoácidos com propriedades similares em localizações comparáveis. 
As hemoglobinas ligam quatro moléculas de O2 por tetrâmero e uma por heme. Uma molécula de O2 liga-se a um tetrâmero da hemoglobina com maior facilidade quando outras moléculas de O2 já estão. Denominada ligação cooperativa, esse fenômeno permite que a hemoglobina maximize tanto a quantidade de O2 carregada na Po2 dos pulmões quanto a quantidade de O2 liberada na Po2 dos tecidos periféricos. 
A ligação de O2 com HbA é 10 vezes mais fraca do que com a mioglobina, pois essa hemoglobina capta O2 nos pulmões e libera nos tecidos, enquanto a mioglobina apenas armazena O2.
Hemoglobinas anormais
Quando uma mutação realmente compromete a função biológica, a condição é denominada hemoglobinopatia. Estima-se que mais de 7% da população mundial seja formada por portadores de distúrbios da hemoglobina.
HbS (2S2 ): forma fibras helicoidais torcidas que deformam a estrutura das hemácias em formato de foice, além de aumentar a resistência à malária. Anemia falciforme. Relacionada à cadeia beta (o sexto aminoácido, o glutamato, que é polar e confere flexibilidade à hemoglobina, é substituído pela valina, que é apolar e diminui a flexibilidade, “trancando” a circulação).
HbM (metemoglobina): o ferro do heme é férrico em vez de ferroso, e portanto a metemoglobina não pode se ligar nem transportar O2. A hipoxia tecidual resultante leva à policitemia (concentração aumentada de hemácias).
HbC: é menos solúvel que a HbA e, portanto, tende a se cristalizar nas hemácias, reduzindo sua flexibilidade nos capilares e causando uma doença hemolítica leve.
 HbD: pode causar discreto grau de anemia.
OBS: A anemia pode ser caracterizada por falta de hemoglobina ao invés de falta de hemácias. 
O 2,3-Difosfoglicerato (DPG) estabiliza a estrutura T da hemoglobina
Nos tecidos periféricos, a deficiência de oxigênio determina uma acumulação de 2,3- difosfoglicerato (DPG). Este composto é formado de um intermediário glicolítico, o 1,2-difosfoglicerato. Uma molécula de DPG liga-se à hemoglobina tetramérica, numa cavidade central, formada pelas 4 subunidades. A cavidade central tem tamanho suficiente para acomodar o DPG somente quando o espaço entre as hélices da cadeia β é suficientemente largo, isto é, quando a hemoglobina está na sua forma T (tenso).
O DPG está ligado por pontes salinas entre os seus átomos de oxigênio e ambas as cadeias beta via resíduos de amino, grupos N-terminais (Val NA1), Lys EF6 e His H21. Assim, o DPG estabiliza a forma T, a forma desoxigenada, da hemoglobina, por ligação cruzada das cadeias beta, e contribui, adicionalmente, para a formação de pontes salinas, que devem ser rompidas para que a forma T se “transforme” na forma R da hemoglobina.
O indicador da transição entre as formas R e T da hemoglobina é o movimento do ferro para dentro e para fora do anel porfirínico.
A ligação da primeira molécula de O2 à desoxi-Hb desloca o ferro do heme no sentido do plano do anel do heme a partir de uma posição aproximadamente 0,04 nm além dele. Esse movimento é transmitido para a histidina proximal (F8) e para os resíduos ligados daí em diante, o que, por sua vez, provoca a ruptura das pontes salinas entre os resíduos carboxiterminais de todas as quatro subunidades. Como resultado, um par das subunidades /gira 15° em relação ao outro, compactando o tetrâmero. As alterações profundas nas estruturas secundária, terciária e quaternária acompanham a transição da hemoglobina induzida pelo O2 do estado T (tenso), de baixa afinidade, para o estado R (relaxado), de alta afinidade. Essas alterações aumentam muito a afinidade dos hemes restantes não oxigenados pelo O2, pois os eventos de ligação subsequentes exigem a ruptura de menos pontes salinas. Os termos T e R também são utilizados para se referir às conformações de baixa (T) e alta (R) afinidades das enzimas alostéricas.
As mudanças fisiológicas que acompanham a exposição prolongada a altitudes elevadas incluem o aumento no número de hemácias, a concentração de hemoglobina dentro delas e a síntese de BPG. O BPG elevado diminui a afinidade da HbA pelo O2 (aumenta a P50), o que estimula a liberação de O2 nos tecidos periféricos. 
Transporte de CO2
A hemoglobina transporta o CO2 e os prótons dos tecidos periféricos até os pulmões. A hemoglobina carrega o CO2 como carbamatos formados com os nitrogênios aminoterminais das cadeias polipeptídicas. 
Os carbamatos mudam a carga nos terminais amino de positiva para negativa, favorecendo a formação de pontes salinas entre as cadeias e . 
Os carbamatos da hemoglobina contribuem com aproximadamente 15% do CO2 no sangue venoso. Grande parte do CO2 restante é transportada como bicarbonato, que é formado nas hemácias pela hidratação do CO2 para formar ácido carbônico (H2CO3), um processo catalisado pela enzima anidrase carbônica. No pH do sangue venoso, o H2CO3 dissocia-se em bicarbonato e em um próton. 
Genes de globina
Os genes das cadeias alfa ou similares a alfa estão agrupados em um arranjo sequencial (em tandem) no cromossomo 16, e os genes das cadeias beta ou similares a beta estão no cromossomo 11.
Existem dois genes idênticos de alfa-globina, designados alfa1e alfa2, em cada uma das cópias do cromossomo 16.
Dentro do complexo do gene de beta-globina existe uma alta homologia entre os diferentes genes. Por exemplo, as globinas beta e delta diferem em apenas 10 dos seus 146 aminoácidos.
Todos os genes de globina se originam de um gene ancestral em comum.
A mudança na expressão de vários genes de globina durante o desenvolvimento (“liga e desliga”/globin switching) é um exemplo clássico da regulação ordenada da expressão gênica no desenvolvimento. As mudanças temporais da síntese de globina (switches) são acompanhadas pelas alterações no local principal de eritropoese. A síntese de globina durante e fase embrionária ocorre no saco vitelínico da terceira a oitava semanas de gestação, mas aproximadamente na quinta semana de gestação, o local principal de hematopoese começa a mudar do saco vitelínico para o fígado fetal.
A HbF é a hemoglobina predominante durante a vida fetal e constitui cerca de 70% do total de hemoglobina ao nascimento, mas na vida adulta a HbF representa menos de 1% da hemoglobina total. Embora as cadeias beta possam ser detectadas no início da gestação, sua síntese se torna significativa somente próximo ao nascimento. Aos 3 meses de idade, quase toda a hemoglobina presente é do tipo adulto, HbA. A síntese da cadeia delta também continua após o nascimento, mas HbA2 nunca representa mais de cerca de 2% da hemoglobina em adultos.
A expressão do gene da beta-globina é controlado apenas parcialmente pelo promotor e dois acentuadores (enhacers) localizados no DNA imediatamente flanqueador do gene.
A região controladora de locus (LCR) é necessária para a expressão de todos os genes do grupo da beta-globina no cromossomo 11.
A LCR é definida por cinco sítios hipersensíveis à DNase 1 necessários para manter a configuração aberta da cromatina no locus, configuração esta que permite o acesso a fatores de transcrição aos elementos reguladores que medeiam a expressão de cada gene no complexo de beta-globina. A LCR, em associação com as proteínas que se ligam ao DNA, interage com os genes do locus para formar um compartimento nuclear, chamado centro da cromatina ativa, no qual ocorre a expressão do gene de beta-globina.
O “liga e desliga” sequencial da expressão gênica que ocorre entre os cinco membros do complexo do gene da beta-globina durante o desenvolvimento resulta da associação sequencial do centro da cromatina ativa aos diferentes genes do grupo à medida que o centro se move do gene localizado mais próximo à extremidade 5’ no complexo (o gene de epsilon-globina expresso na fase embrionária) para os genes de delta e beta-globinas em adultos.
Portanto, há 4 genes de alfa-globina e 2 de beta-globina por genoma diploide. Assim, mutações no gene de beta-globina causam provavelmente mais doenças do que as mutações na cadeia alfa, porque uma única mutação no gene da beta-globina afeta 50% das cadeias beta, enquanto uma única mutação na cadeia alfa afeta somente 25% das cadeias alfa.
Por outro lado, as mutações na beta-globina não têm consequências pré-natais, uma vez que a gama-globina é a principal globina similar à beta antes do nascimento e a HbF constitui 75% da hemoglobina total ao nascimento. Como as cadeias alfa são os únicos componentes similares à alfa de todas as hemobloginas 6 semanas após a concepção, as mutações na alfa-globina causam doenças severas tanto na vida fetal quanto na vida pós-natal.
Síntese da globina
Ocorre nos ribossomos. 
Cada célula eritroide contém: 4 genes alfa (cromossomo 16), 2 genes beta β (cromossomo 11), 2 genes delta δ (cromossomo 11), 4 genes gama Υ (cromossomo 11), 2 genes zeta ξ (cromossomo 16), 2 genes epslon ε (cromossomo 11).
Grupo heme
Grupo prostético (porção não proteica da hemoglobina) que é um pigmento que possui ferro e se combina com oxigênio, conferindo à molécula sua capacidade de transportar oxigênio.
A protoporfirina forma o grupo heme. As porfirinas são compostos tetrapirrólicos cíclicos ligados por ligações metínicas que atuam como intermediários na biossíntese do grupo heme. Possuem no seu centro um espaço apropriado para acomodar um íon metálico.
A primeira reação para a síntese do grupo heme ocorre na mitocôndria pela união de uma molécula de succinil-CoA e uma molécula de glicina através da reação catalisada pela enzima aminolevulinato sintetase (ALA sintetase). Esta reação gera aminocetoadipato, que é então descarboxilado a aminolevulinato.
Logo, o aminolevulinato é transportado para o citosol havendo dimerização catalisada pela enzima ALA desidratase (ou porfibilinogênio sintetase) para produzir porfobilinogênio. Após, ocorre a condensação de quarto moléculas de porfobilinogênio para produzir o intermediário preuroporfirinogênio. A enzima que catalisa esta condensação é a porfobilinogênio desaminase (PBG desaminase), também chamada uroporfirinogênio I sintetase. O preuroporfirinogênio terá dois destinos: isômeros I e III do uroporfirinogênio.
O isômero I é uma molécula não metabolizável e o isômero III se forma pela ação conjunta da uroporfirinogênio sintetase e da uroporfirinogênio III cosintase. O uroporfirinogênio é descarboxilado pela enzima uroporfirinogênio descarboxilase e no produto resultante há substituição de grupos acetil por grupos metil, passando a ser chamado de coproporfirinogênio. O coproporfirinogênio III é o intermediário mais comum na síntese do heme.
O coproporfirinogênio III é transportado novamente para o interior da mitocôndria, onde dois grupos propiônicos são descarboxilados passando a grupos vinil por ação da coproporfirinogênio oxidase. O produto desta reação é o protoporfirinogênio IX, um composto incolor. Logo, este é convertido em protoporfirina IX pela protoporfirinogênio IX oxidase. A etapa final da síntese do heme envolve a inserção de um átomo de ferro no anel tetrapirrólico catalisada pela enzima ferroquelatase. 
O grupo heme é produzido em todos os tecidos animais, principalmente na medula óssea e fígado. A existência deste composto é importante para o transporte de oxigênio, pois está presente principalmente na hemoglobina (80%), mioglobina e enzimas (catalase, citocromo P450 e peroxidases).
Existem alterações genéticas na biossíntese do heme que podem levar ao acúmulo de intermediários da via, causando uma série de doenças conhecidas como porfirias. Esses defeitos genéticos causam, por exemplo, aumento na atividade da ALA sintetase ou uma diminuição na atividade da uroporfirinogênio I sintetase, originando a porfiria aguda intermitente (mais comum), que é diagnosticada pelo aumento da excreção do porfobilinogênio na urina. Nesta condição não há mudança de coloração na urina, pois esse composto é incolor. Outro exemplo é a protoporfiria eritropoiética, em que a uroporfirinogênio III sintetase está em déficit na medula óssea. Como resultado há elevação de uroporfirinogênio I e de seus produtos de oxidação (coloração avermelhada), que são encontrados na urina e depositados em uma grande variedade de tecidos, incluindo dentes e ossos.
Degradação de hemoglobina
A maior parte dos grupos heme provém das hemácias senescentes, que são capturadas pelo sistema retículo endotelial e sofrem degradação enzimática. No organismo humano cerca de 1 a 2 milhões de hemácias são destruídas por hora, gerando 6 gramas de hemoglobina para degradação e posterior formação de 300 miligramas de bilirrubina por dia. 
A hemoglobina é degradada em globina e grupos heme, onde a primeira é quebrada e transformada em aminoácidos para reutilização no organismo e o segundo é fagocitado principalmente no fígado, baço e medula óssea, até a formação de bilirrubina. O átomo de ferro é carreado pela ferritina na circulação sanguínea até chegar no fígado e reutilizado para formação de outros grupos heme (eritropoiese na medulla óssea vermelha).
A degradação do heme ocorre com a abertura do anel de tetrapirrol da porfirina pela ação da enzima heme oxigenase, onde há quebra da ponte metenil entre os pirróis I e II. Nesta reação ocorrem duas oxigenações e o NADPH, com seu poderredutor, libera Fe2+, CO e biliverdina, um pigmento verde. Tem sido estimado que mais de 86% do monóxido de carbono endógeno é derivado da quebra enzimática do heme, e a quantidade de monóxido de carbono respiratório tem sido usada como um mensurador indireto da produção de bilirrubina. 
Logo, através da enzima biliverdina redutase ocorre a formação de bilirrubina. Essa enzima adiciona um hidrogênio fornecido pelo NADPH reduzindo a dupla ligação entre os pirróis III e IV. O pigmento amarelo formado será carreado até o fígado pela albumina, onde será posteriormente conjugado e excretado.
A bilirrubina é uma molécula apolar, lipofílica e insolúvel no plasma sanguíneo, também chamada bilirrubina livre. Logo após sua formação se liga a albumina e é carreada até o fígado, onde ocorrerá sua conjugação com o ácido glicurônico no retículo endoplasmático liso. A bilirrubina conjugada é uma molécula polar, solúvel nos líquidos corporais e hidrofílica.
Armazenada na vesícula biliar, a bilirrubina conjugada é então excretada no duodeno (bile), mas sua melhor absorção ocorre no intestino grosso, onde é reduzida a uma série de derivados incolores, chamados estercobilinogênios, que confere cor às fezes. A reação é catalisada por desidrogenases bacterianas anaerobicamente no cólon. Quando chega aos rins, é convertida em urobilina, produto que confere cor à urina.
A hiperbilirrubinemia ocorre quando a taxa de produção é maior do que a de excreção. A icterícia é o aparecimento do pigmento amarelo nos tecidos, resultante da hiperbilirrubinemia. A bilirrubina encontrada na urina está essencialmente na forma conjugada por ser hidrofílica, entretanto, quando a bilirrubina livre (lipofílica) está elevada, provoca toxicidade em vários órgãos, incluindo o sistema nervoso central, conhecido por kernicterus.