Hemoglobina, 2,3 BPG

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Hemoglobina
O transporte de oxigênio dos pulmões aos tecidos é efetuado pela hemoglobina presente nas hemácias. A hemoglobina dos seres humanos adultos (HbA) é formada por quatro subunidades, duas α e duas β. A estrutura quaternária da hemoglobina é mantida por ligações não-covalentes e resulta em uma molécula tetramérica, composta por dois dímeros, α1β1 e α2 β2, dispostos simetricamente ao redor de um eixo central. As interfaces entre os dímeros sofrem modificações importantes durante a oxigenação e a desoxigenação da hemoglobina.
O grupo prostético heme é o sítio de ligação do oxigênio. O heme é uma molécula de porfirina contendo um átomo de ferro, que, na mioglobina e hemoglobina, permanece no estado ferroso (Fe2+). 
O grupo heme, em cada subunidade, localiza-se dentro de uma cavidade hidrofóbica, delimitada por aminoácidos apolares que estabelecem interações hidrofóbicas co o anel porfirínico. O átomo de ferro fica no centro do grupo heme, formando seis ligações: liga-se aos quatro átomos de nitrogênio do anel porfirínico, à cadeia polipeptídica (através de um resíduo de histidina do segmento F, a His 87, chamada histidina proximal) e pode, ainda, ligar-se reversivelmente a uma molécula de oxigênio (O2).
O oxigênio liga-se reversivelmente ao ferro (Fe2+), sem que ele seja oxidado ao estado férrico (Fe3+). Além disso, o oxigênio estabelece uma ponte de hidrogênio com a His 58, chamada histidina distal, que fica oposta à histidina proximal. A molécula de oxigênio fica, portanto, “prensada” entre o átomo de ferro a histidina distal.
A ligação com o oxigênio desencadeia alterações na conformação da hemoglobina. As grandes mudanças ocorrem nas áreas de contato entre os dímeros, que, efetivamente, se deslocam um em relação ao outro. A oxigenação da hemoglobina leva resulta em estreitamento do bolsão entre as subunidades β. Deste modo, os deslocamentos em uma subunidade se propagam, produzindo uma alteração na conformação da subunidade em questão, que é transmitida para as outras subunidades, através das áreas de contato entre elas.
Detalhes da aula:
Oxihemoglobina ou oximioglobina: cor vermelha
O Fe3+ não permite a ligação do O2: meta-hemoglobina, cor castanha.
Cada cadeia α está em contato com 2 cadeias β. Há pouca interação entre duas cadeias α ou duas cadeias β. 
Forças que mantém unidas as cadeias: interações hidrofóbicas, pontes de hidrogênio e pontes salinas.
A hemoglobina liga-se ao oxigênio cooperativamente:
A ligação da primeira molécula de oxigênio facilita o preenchimento dos outros grupos heme, de tal maneira que a ligação da quarta molécula de oxigênio é 300 vezes mais fácil que a ligação da primeira. A esse fenômeno dá-se o nome de cooperatividade. A cooperatividade resulta da influência exercida por um sítio sobre outros localizados em subunidades diferentes de uma mesma molécula. No caso da mioglobina, por exemplo, que apresenta uma única cadeia polipeptídica e um único grupo heme, a cooperatividade não é observada.
Mioglobina, pO2 nos pulmões e tecidos e trabalho muscular:
O fenômeno da cooperatividade, que ocorre na hemoglobina, é a causa da diferença no mecanismo de oxigenação da mioglobina e da hemoglobina. Enquanto a mioglobina apresenta uma curva de oxigenação hiperbólica, a hemoglobina exibe uma curva sigmoidal.
A forma hiperbólica é aquela esperada para uma proteína com um único sítio de ligação e, portanto, a ligação de uma molécula de oxigênio a uma molécula de mioglobina não afeta a ligação de outras moléculas de oxigênio a outras moléculas de mioglobina. A curva sigmoidal indica que a ligação das moléculas de oxigênio aos quatro heme não é independente, e que o preenchimento de um heme aumenta a afinidade dos outros heme, não ocupados por oxigênio.
A cooperatividade exibida pela hemoglobina proporciona uma resposta mais sensível a variações na concentração de oxigênio, adequando-se, com perfeição, à sua função de transportar este gás nos vertebrados. No sangue arterial que sai dos pulmões, a pO2 é alta (100mmHg, em média) e a hemoglobina fica 98% saturada com oxigênio; nos tecidos extrapulmonares, onde a pO2 é baixa (sangue venoso), ela libera grande parte do oxigênio. Por exemplo, a pO2 nos capilares que irrigam um músculo em atividade é cerca de 20mmHg, e a hemoglobina permaneça 33% saturada, liberando 65% do oxigênio associado. A mioglobina seria um transportador bem menos eficiente, já que menos de 10% do seu oxigênio seria liberado nessas condições. Todavia, sua alta afinidade por oxigênio, mesmo em baixa pO2, permite que ela desempenhe eficientemente a função de reservatório de oxigênio nos músculos de mamíferos, onde é encontrada em abundância. A mioglobina tem afinidade por oxigênio maior que a hemoglobina em qualquer pO2, o que permite que ele seja transferido do sangue para o músculo, onde fica associado à mioglobina e pode ser utilizado pelas mitocôndrias das células musculares.
Hemoglobina fetal:
O feto humano, e de outros mamíferos, tem uma hemoglobina diferente da HbA, a principal hemoglobina dos adultos. Na hemoglobina fetal (HbF), as duas subunidades β são substituídas por outras cadeias polipeptídicas, chamadas γ. A estrutura da HbF é, portanto, α2γ2, em contraposição à estrutura α2 β2 da HbA.
A HbF tem maior afinidade por oxigênio que a HbA: sua curva de saturação com oxigênio é deslocada para a esquerda em relação à curva de saturação da HbA. Graças a essa propriedade, o feto pode obter oxigênio do sangue da mãe, através da placenta. Efetivamente, a HbF é oxigenada à custa da HbA materna. 
BGP:
A hemoglobina dos mamíferos, quando presente nas hemácias, tem afinidade menor por oxigênio que quando purificada: estas células contêm altos níveis de 2,3-bifosfoglicerato (BGP). 
O BGP liga-se preferencialmente à desoxi-Hb, que apresenta a cavidade entre as subunidades β, suficientemente grande para alojá-la. Esta cavidade é circundada por radicais carregados positivamente, que interagem com os grupos negativos do BPG. Na oxi-Hb, a cavidade é menor, o que dificulta a ligação do BPG. O resultado da ação do BPG é a predominância da forma desoxigenada de hemoglobina.
Em pressões elevadas, esta situação pode ser revertida. Nas condições de alta pO2 dos pulmões, a hemoglobina fica saturada com oxigênio, mesmo na presença de BPG. O seu papel fisiológico é aumentar substancialmente a liberação de oxigênio nos tecidos extrapulmonares, onde a pO2 é baixa. O nível de BPG nas hemácias aumenta em condições associadas com hipóxia tissular (oxigenação deficitária dos tecidos) prolongada.
A diferença de afinidade por oxigênio entre HbF e HbA é devida à força de ligação de BPG aos dois tipos de hemoglobina. A HbF se liga menos eficientemente ao BGP disponível, pois possui um par a menos de grupos positivos na cavidade onde ocorre a ligação de BPG. Assim, a forma desoxigenada desta hemoglobina fica menos estável e a sua afinidade por oxigênio aumenta: o oxigênio flui da oxi-Hb da mãe para a desoxi-Hb do feto.
Hb-BPG + 4O2 ⇌ Hb(O2)4 + BPG
Efeito alostérico BPG: Altitudes, HbF
Efeito da temperatura:
A curva de saturação do oxigênio também é deslocada para a direita quando as medidas são feitas em temperaturas mais elevadas. Este efeito da temperatura tem grande importância fisiológica porque permite maior disponibilidade de oxigênio quando a demanda de energia é alta, devido ao aumento do metabolismo celular, como acontece na febre e em grupos musculares sob contração intensa.
Anemia falciforme:
A anemia falciforme é uma doença genética na qual um indivíduo herda um alelo para a hemoglobina S (HbS) de ambos os pais. Os eritrócitos destes indivíduos são anormais e estão presentes em menores quantidades. Além de haver uma quantidade incomum de células imaturas, o sangue contém muitos eritrócitos longos e delgados que se parecem com a lâmina de uma foice. Quando a hemoglobina destas células (HbS) é desoxigenada, ela torna-se insolúvel e forma polímeros que se agregam emfibras tubulares. A hemoglobina normal (HbA) permanece solúvel quando ocorre desoxigenação. As fibras insolúveis da hemoglobina S desoxigenada são responsáveis pela deformação dos eritrócitos.
Efeito Bohr:
A ligação do oxigênio com a hemoglobina depende do pH. Para cada valor de pO2 considerado, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio é tanto menor quanto menor o pH. Os íons H+ (como acontece com o BPG), ligam-se preferencialmente à desoxi-Hb, que passa, então, a constituir a forma predominante: o resultado é uma diminuição na afinidade da hemoglobina pelo oxigênio. A associação preferencial dos íons H+ à desóxi-Hb evidencia que esta forma de proteína é uma base de Bronsted (substância capaz de receber prótons) mais forte que a forma oxigenada. Esta diferença de comportamento ácido-base é conseqüência da movimentação das subunidades da hemoglobina, devido à associação/dissociação do oxigênio. 
A conversão de oxi-Hb em desoxi-Hb é acompanhada pela captação de prótons, que são liberados na sua oxigenação. A influência do pH sobre a oxigenação da hemoglobina tem grande importância fisiológica, porque, nos organismos, um decréscimo de pH está sempre associado a uma maior demanda de oxigênio.
Nos tecidos, o CO2 produzido pelo metabolismo celular difunde-se até as hemácias, onde é hidratado rapidamente em uma reação catalisada pela anidrase carbônica (AC). No pH do sangue (7,4-7,2), o H2CO3 dissocia-se em HCO- e H+.
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+
A ocorrência destas duas reações consecutivas explica por que um aumento na concentração de CO2 causa uma diminuição do pH. Este aumento de acidez, associado à baixa pO2 tecidual faz com que a hemoglobina libere O2 e capte H+, impedindo que ocorram grandes variações de pH (Os ions H+ são tamponados pela Hb). O HCO3-, produzido nas hemácias, difunde-se para o plasma.
Nos pulmões a situação inverte-se. A alta pO2 leva à oxigenação da hemoglobina e à liberação de H+. Esta liberação de prótons corrige o valor do pH que, de outro modo, tenderia a aumentar. De fato, com a baixa pCO2 alveolar, o CO2 é eliminado na atmosfera, consumindo H+ e CO2.
H+ + HCO3- ⇌ H2CO3 ⇌ H2O + CO2
Transporte de O2:
O2 se difunde dos alvéolos pulmonares para os capilares chegando na circulação.
Nas hemácias, o O2 se liga à hemoglobina.
Em paralelo, o CO2 se difunde do sangue para os alvéolos.
A menor concentração de CO2 dissolvido no sangue faz com que o pH (~7,6) seja mais alto no pulmão do que nos tecidos periféricos (~7,2) onde a pCO2 é alta.
As hemácias contendo HbO2 chegam nos tecidos periféricos: pO2 baixa
A combinação de uma baixa pO2 e um pH baixo nos tecidos periféricos provoca uma diminuição na saturação do O2, que é liberado pela hemoglobina!
Propriedades alostéricas da Hb:
A ligação de um O2 facilita a ligação de mais O2 (efeito cooperativo)
A afinidade da Hb por O2 depende do pH e da pCO2 (efeito Bohr)
A afinidade da Hb por O2 é regulada por fosfatos orgânicos (BPG)
IMPORTANTE: a mioglobina não apresenta nenhuma destas propriedades!
Diminuem a afinidade da hemoglobina pelo O2:
• ⇑ temperatura
• ⇑ H+ (⇓ pH)
• ⇑ CO2
• ⇑ 2,3 BPG
Relações alostéricas entre H+, CO2 e O2:
Nos tecidos, o pH é mais baixo e a pCO2 mais alta resulta na conversão da forma R para T.
Isto causa a liberação do O2 porque a forma T tem menor afinidade pelo O2 que a forma R.
O O2 e H+ não se ligam no mesmo sítio na Hb.
O resíduo que mais contribui para efeito Bohr é a His 146 (ß), que forma um par iônico com o Asp94 (ß) → estabiliza a conformação T
A forma T tem mais afinidade por ions H+ que a forma R →pK mais alto
Transporte de CO2
CO2 + Prot-H2N- ( H+ + Prot-NHCOO- (carbamino compostos)
O H+ contribui para o Efeito Bohr