Aula8_Hemoglobina

Prévia do material em texto

6/4/2011
1
Hemoglobina
Oxigênio
• A transição da vida anaeróbia para aeróbia se 
mostrou mais eficiente em termos de 
produção de energia – obtém-se 15 mais 
energia da glicose na presença do oxigênio 
que na sua ausência.
• Organismos unicelulares ou muito pequenos 
podem absorver oxigênio diretamente do ar 
ou da água.
• Em vertebrados, são necessários mecanismos 
mais avançados – o sistema circulatório e o 
uso de proteínas de transporte.
6/4/2011
2
Hemoglobina e mioglobina
• Hemoglobina: contida nas hemácias e leva 
oxigênio dos pulmões para os tecidos, além de 
contribuir no transporte de CO2 e íons 
hidrogênio de volta para os pulmões.
• Mioglobina: presente nos músculos, fornece 
um suprimento de reserva de oxigênio.
• A hemoglobina é capaz de usar com eficiência 
até 90% de seu potencial transportador de O2, 
enquanto a mioglobina em mesmas condições 
atinge apenas 7%.
Hemoglobina e mioglobina
• A hemoglobina e a mioglobina foram as 
primeiras proteínas a terem suas estruturas 
determinadas.
• Foi também com a hemoglobina que pela 
primeira vez se observou que uma mutação na 
seqüência de uma proteína poderia levar a 
uma doença – a anemia falciforme.
6/4/2011
3
Mioglobina
• Constituída de hélices-α ligadas 
por alças e um grupo heme, 
apresentando uma estrutura 
globular.
• Existe na forma livre de oxigênio 
(desoximioglobina) e na forma 
ligáda a uma molécula de O2
(oximioglobina)
O grupo Heme
• A ligação de oxigênio à mioglobina e à 
hemoglobina depende da existência do 
Heme (ou Hemo), grupo prostético.
• O Heme é parte de um grupo de 
compostos químicos chamados 
porfirinas, sendo a das globinas 
chamados de Fe-protoporfirina IX.
• Há um íon ferro (em geral no estado 
ferroso, Fe2+) no centro do heme, ligado 
a quatro nitrogênios.
• É o heme que dá ao sangue e aos 
músculos a cor vermelha característica.
6/4/2011
4
Coordenação do ferro
• Além das quatro ligações aos nitrogênios, o 
íon Ferro pode formar mais duas ligações, a 
partir dos dois lados do plano do heme 
(chamados quinto e sexto pontos de 
coordenação).
• Na mioglobina, o quinto ponto é ocupado por 
uma histidina (chamada histidina proximal).
• O sexto ponto é desocupado na 
desoximioglobina, e ligado ao oxigênio na oxi-
mioglobina.
Coordenação do ferro
• A ligação do oxigênio ao sexto ponto de 
coordenação do ferro reestrutura seus 
elétrons tornando-o menor, permitindo que 
ele retorne ao plano do heme.
Desoxi-hemoglobina Oxi-hemoglobina
6/4/2011
5
Ligação ao oxigênio
• Uma vez ligado ao oxigênio, há uma estrutura de 
ressonância entre Fe2++O2 e Fe
3++O2
-(íon 
superóxido) � o ferro pode se apresentar no 
estado férrico.
• O superóxido é uma espécie reativa de oxigênio
(classe de radicais livres, tóxicos ao organismo) e 
portanto é importante que a mioglobina libere 
oxigênio na forma molecular (O2) e não na forma 
O2
-.
• Uma segunda histidina (chamada distal) forma 
uma ponte de hidrogênio com o superóxido 
mantendo-o estável e evitando sua saída.
Hemoglobina
• A hemoglobina é formada por 
quatro sub-unidades (duas 
cadeias α e duas cadeias β), 
cada uma semelhante à 
mioglobina.
• A identidade entre as duas 
cadeias da hemoglobina 
humana e a mioglobina é de 
25% e 24%, e há conservação 
de resíduos funcionalmente 
importantes (como as 
histidinas distal e proximal).
• Evolução divergente
Hemoglobina de cavalo (Perutz)
6/4/2011
6
Hemoglobina
• Os íons de ferro situam-se de forma 
relativamente distante (entre 24 e 40Å de 
separação).
• A curva de saturação de oxigênio 
para a hemoglobina é uma 
sigmóide, enquanto para a 
mioglobina é uma hipérbole.
• Enquanto a mioglobina apresenta meia-
saturação a apenas 2 torr (ou mmHg), em 
hemoglobina isso ocorre a 26 torr.
Cooperatividade e fisiologia
• Curvas sigmoidais indicam um processo 
cooperativo (a ligação de um oxigênio num 
heme facilita a ligação aos outros).
• O oxigênio precisa ser transportado dos 
pulmões (pO2=100torr) para os tecidos 
(~20torr).
• Nos pulmões, ocupa-se por volta de 98% dos 
sítios de hemoglobinas. Já nos 
tecidos, há 32% de saturação. Se 
houvesse apenas a mioglobina, a 
saturação nos tecidos seria 91%.
6/4/2011
7
Cooperatividade e fisiologia
• Durante o exercício, a concentração de 
oxigênio nos músculos cai de 40 para 20torr. 
Com isso, a liberação de oxigênio pela 
hemoglobina é ainda maior: além da liberação 
de 21% (98%-77%) relativa à queda de 100torr 
para 40torr, há ainda 45% de liberação relativa 
à queda de 40 para 20 torr (77%-32%).
• Assim, a cooperatividade da 
hemoglobina a torna uma forma 
eficiente de levar oxigênio aos 
tecidos onde ele é mais necessário.
Cooperatividade e estrutura
• Uma vez que a ligação de oxigênio em um 
ponto no tetrâmero de hemoglobina 
influencia a ligação nos outros pontos, é 
preciso que haja algum tipo de processo 
estrutural que leve a tal fenômeno.
• Visto que a distância entre os sítios do ferro é 
relativamente grande (algumas dezenas de 
ångstroms), não se trata de interações diretas.
6/4/2011
8
Cooperatividade e estrutura
• A comparação de estruturas cristalográficas da 
desoxi-hemoglobina e da oxi-hemoglobina 
mostram que há uma rotação de um dímero 
αβ devido à oxigenação.
T: estado “tenso”
R: estado “relaxado”
Cooperatividade e estrutura
• No estado T, há mais interações entre os 
dímeros, enquanto no estado R eles estão 
mais livres para se mover entre si.
• Por conta dessa maior flexibilidade, no estado 
R é possível para a hemoglobina se ligar ao 
oxigênio com afinidade mais alta que no 
estado T.
• Assim, uma vez que a ligação de uma 
molécula de O2 dispara a mudança do 
tetrâmero de T para R, a ligação de oxigênio 
em um sítio aumenta a afinidade nos outros.
6/4/2011
9
Cooperatividade e estrutura
• A mudança entre os estados T e R é disparado 
pela ligação do oxigênio ao heme:
– O oxigênio faz com que o ferro se mova para 
dentro do plano da porfirina.
– A histidina proximal é atraída, deslocando 
também a hélice-α em que se encontra.
– A região C-terminal dessa hélice se 
encontra justamente na interface 
entre os dímeros, afetando então 
a estrutura quaternária.
O papel do 2,3-BPG
• Para que a função da hemoglobina seja 
eficiente, o estado T deve ser estável até que o 
oxigênio a converta para o estado R. Porém, o 
estado T é muito instável naturalmente.
• Estudando-se hemoglobinas em hemácias e 
totalmente purificadas, descobriu-se que a 
diferença observada entre as duas se dá 
devido à presença do composto 2,3-
bisfosfoglicerato (2,3-BPG) em hemácias.
6/4/2011
10
O papel do 2,3-BPG
• Analisando a estrutura da hemoglobina ligada 
ao 2,3-BPG, observa-se que ela se liga no 
centro do tetrâmero, em uma cavidade que só 
está presente na forma T.
O papel do 2,3-BPG
• Assim, o estado T se mantém estável, até que 
a ligação do oxigênio induz a conversão para o 
estado R, com a liberação do 2,3-BPG.
• Quando a ação de uma molécula diferente do 
ligante de uma proteína muda o seu 
comportamento através de ligação em outro 
ponto da proteína, diz-se que há um efeito 
alostérico.
• O 2,3-BPG é chamado o efetor alostérico para 
o caso da hemoglobina.
6/4/2011
11
Íons H+ e CO2
• Tecidos de metabolismo rápido (como 
músculos) geram grandes quantidades de H+ e 
CO2. Tais espécies são também efetores 
alostéricos da hemoglobina.
• A afinidade da hemoglobina por O2 diminui à 
media que o pH se torna menor que 7,4. 
Assim, em um músculo ativo (pH 7,2), libera-
se mais oxigênio (77%, contra 66% caso não 
houvesse mudança de pH).
Íons H+ e CO2
• Na desoxi-hemoglobina a histidina 146 é 
protonada, fazendo uma ponte salina com o 
aspártico 94.
• Em pHs mais altos, a histidina não está 
protonada, não podendo fazer essa ponte. 
Com a queda do pH, essa ponte 
é formada e porconseqüência 
o estado T é estabilizado.
6/4/2011
12
Íons H+ e CO2
• Já no caso do CO2, o efeito se dá por conta de 
sua tendência a se converter no ácido 
carbônico, H2CO3, reação acelerada pela 
enzima anidrase carbônica.
• Uma vez que tal ácido tem pKa de 3,5, ele 
tende a se dissociar em HCO3
- e H+, 
diminuindo o pH no interior da hemácia e 
levando ao mesmo mecanismo descrito para o 
H+.
Íons H+ e CO2
• O CO2 pode também interagir diretamente 
com as aminas terminais da desoxi-
hemoglobina (formando grupos carbamatos), 
o que também estabiliza o estado T formando 
pontes salinas, e assim favorecendo a 
liberação de oxigênio.
6/4/2011
13
Mutações e Doenças: Anemia Falciforme
• Uma das doenças mais famosas relativas à 
hemoglobina é a anemia falciforme, devida à 
mutação E6V na cadeia β.
• O surgimento de um resíduo hidrofóbico nessa 
região induz a uma interação com os resíduos F85 e 
V88, iniciando um processo de agregação.
• Geralmente letal quando presente nos dois genes 
que codificam a cadeia β, quando a mutação está em 
apenas um gene o indivíduo é resistente à malária, o 
que explica a prevalência da mutação na áfrica.
Mutações e Doenças: Talassemia
• A talassemia se caracteriza pela perda ou 
redução substancial de uma das cadeias da 
hemoglobina.
• Na talassemia α, a cadeia α está ausente e os 
tetrâmeros possuem apenas cadeias β, que se 
ligam ao oxigênio com alta afinidade e sem 
cooperatividade, resultando em pouca 
liberação nos tecidos. 
6/4/2011
14
Mutações e Doenças: Talassemia
• Na talassemia β, a cadeia β está ausente 
resultando na formação de agregados 
insolúveis de cadeias α, que se precipitam 
resultando em perda de hemácias, causando 
anemia.
O papel da AHSP
• Uma vez que cadeias α podem gerar 
precipitados, é necessário um mecanismo 
para evitar a agregação.
• Isso é evitado através da proteína AHSP, que 
se liga especificamente à cadeia α em um 
complexo solúvel. Uma vez que a cadeia β tem 
mais afinidade à α que a AHSP, uma vez que a 
cadeia β está presente ela desloca a AHSP, 
permitindo então a formação da hemoglobina 
tetramérica. 
6/4/2011
15