Transporte de O2 CO2 Prof. Wagner

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Introdução – O aparecimento de O2 na Terra primitiva possibilitou 
um grande salto na eficiência de produção de energia por parte dos 
organismos vivos em função de o O2 ser um poderoso agente 
oxidante. Contudo, a distribuição de O2 para todas as células dos 
organismos vertebrados torna-se um problema, já que a simples 
dissolução de O2 no plasma não é capaz de suprir as necessidades 
metabólicas de todos os tecidos com a devida eficiência. Sendo 
assim, a natureza desenvolveu nos vertebrados um eficiente sistema 
destinado a distribuir o O2 aos tecidos, o sistema circulatório. Um 
homem adulto de 70 quilos apresenta aproximadamente 6 litros de 
sangue, um tecido formado por diferentes tipos celulares incluindo o 
eritrócito. Os eritrócitos são células discoidais côncavas nas quais 
está presente uma proteína especializada em interagir com o O2, a 
hemoglobina. O tecido muscular esquelético, em função de sua alta 
taxa metabólica dispõe de uma proteína de reserva de O2 similar à 
hemoglobina, a mioglobina. 
 
 A mioglobina e a hemoglobina apresentam relações evolutivas, contudo, a hemoglobina possui quatro 
cadeias polipeptídicas, enquanto que a mioglobina possui somente uma. A hemoglobina é especializada em transportar 
O2, ao passo que a mioglobina atua como reserva de O2, a primeira apresenta quatro grupos heme e a segunda, 
somente um. As porções heme são grupos prostéticos dessas proteínas e são o sítio onde ocorre a interação com o 
O2, são formados por um anel de protoporfirina, a qual por meio de quatro átomos de nitrogênio coordena um átomo de 
ferro em seu estado ferroso (Fe+2). A interação desses átomos de nitrogênio com o ferro impede que esse metal 
assuma o estado férrico (Fe+3), o qual não tem afinidade pelo O2, ao contrário do Fe
+2. 
 
A captação de oxigênio por parte da hemoglobina – A constante de dissociação do oxigênio no plasma é de 0,03, 
esse valor indica que para cada mmHg (milímetros de mercúrio) de pressão parcial de O2 haverá 0,03 mililitros de O2 
dissolvidos em 100 mL de plasma na temperatura de 36 graus. Assim, na pressão alveolar de O2 igual a 100 mmHg 
haverá tão somente 0,3 mL de O2 para cada 100 mL de plasma. Esse valor é extremamente baixo e não atende às 
demandas de O2 por parte de quase todos os tecidos corpóreos. Assim, é razoável supor que deve haver uma forma 
de transporte de O2 que seja adequada às necessidades metabólicas do organismo humano. De fato, a função de 
transporte de O2 fica a cargo da hemoglobina uma vez que a constante de dissociação do O2 na hemoglobina é de 
1,34, sendo portanto muito maior do que a do plasma. A dinâmica de oxigenação dos tecidos implica necessariamente 
na capacidade da hemoglobina em ligar-se ao oxigênio nos alvéolos pulmonares e posteriormente desligar-se dele no 
ambiente dos tecidos. Para cumprir essa tarefa a hemoglobina apresenta alta afinidade por oxigênio quando a pressão 
parcial de oxigênio (PO2) é alta, essa situação está presente nos alvéolos pulmonares e impulsiona o deslocamento do 
oxigênio dos alvéolos para os capilares pulmonares. A situação inversa, ou seja, o desacoplamento do oxigênio da 
molécula de hemoglobina ocorre nos tecidos em função da baixa PO2. A molécula de hemoglobina melhor descrita 
(Hb-A) é formada por um tetrâmero constituído por dímeros de cadeias  idênticas (11 e 22) que relacionam-se 
entre si de forma não covalente (pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas, por exemplo) formando um tetrâmero. 
As subunidades  são formadas por 141 resíduos de aminoácidos enquanto que as subunidades  
apresentam 146 resíduos em sua composição e tanto a subunidade  quanto a  comportam um grupo heme. A 
hemoglobina ocupa 35% do conteúdo de um eritrócito e é sintetizada no interior dos eritrócitos jovens (eritroblastos) 
por meio de uma série de etapas complexas. A porção globina da molécula é sintetizada no citosol do eritroblasto, o 
grupo heme por sua vez é sintetizado nas mitocôndrias. In vivo, a hemoglobina pode apresentar duas estruturas 
quaternárias distintas. Uma é a estrutura T (tensa), característica da forma desoxigenada (desoxi-Hb) cuja afinidade ao 
oxigênio é baixa, a outra é a estrutura R (relaxada), característica da forma (oxi-Hb), nessa forma a molécula de 
hemoglobina apresenta alta afinidade pelo oxigênio (Figura 1). Nos eritrócitos, as hemoglobinas encontram-se num 
equilíbrio das duas formas; a concentração de formas parcialmente ligadas é baixa. 
 
Estrutura da molécula de hemoglobina 
humana, os grupos heme estão 
representados em verde. Inseridos em cada 
globina representadas em amarelo azul, 
verde e vermelho. PDB: 1A3N 
 
Bioquímica do transporte 
de gases 
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A hemoglobina interage com o oxigênio de forma cooperativa – A hemoglobina deve necessariamente acoplar-se 
de forma eficiente ao oxigênio no ambiente dos alvéolos pulmonares e desacoplar o mesmo com igual eficiência no 
ambiente tissular. Para que essa função seja plenamente cumprida, a hemoglobina apresenta um comportamento 
particularmente importante, ela é capaz de sofrer uma transição entre o estado T e R na medida em que moléculas de 
oxigênio vão progressivamente se ligando a seus grupos heme. Essa propriedade denomina-se cooperatividade e é 
demonstrada na figura 2. 
Para explicar a propriedade 
cooperativa da molécula de hemoglobina 
dois modelos foram propostos, o modelo 
coordenado e o modelo seqüencial. No 
primeiro a ligação de oxigênio induz 
mudanças estruturais que alteram a energia 
livre relativa entre as duas formas, T e R 
mudando o equilíbrio em favor da forma de 
alta afinidade (forma R). Os estados T e R 
são mantidos em função de pares iônicos 
que se situam nas subunidades 11 e 22, 
quando ocorre a transição de T para R, 
outros pares iônicos assumem as superfícies 
das subunidades 11 e 22. De fato, o 
estado T é mantido por 3 resíduos de 
aminoácidos (alfa2 Lis40, beta1 His146, beta1 
Asp94) que formam duas pontes salinas. 
Partindo da estrutura 
desoxigenada, a ligação parcial de oxigênio 
(duas ou três moléculas) é suficiente para 
mudar o equilíbrio do estado T para o estado 
R, que capturará os oxigênios restantes com 
maior afinidade. 
Contrariamente, começando com a forma totalmente oxigenada, a perda de um ou dois oxigênios muda o 
equilíbrio de R para T, estimulando a liberação dos oxigênios restantes. Quando a primeira molécula de oxigênio liga-
se a um grupo heme em uma subunidade da hemoglobina, essa subunidade sofre alterações conformacionais que são 
transmitidas para toda a molécula facilitando assim acepção de mais moléculas de oxigênio. Desse modo, a segunda 
molécula de oxigênio a ligar-se à hemoglobina encontra mais facilidade que a primeira e a terceira, liga-se mais 
facilmente que a segunda até que a quarta molécula de oxigênio a encontra pelo menos 20 vezes mais facilidade em 
ligar-se ao heme, quando comparada com a primeira molécula de oxigênio a interagir com o primeiro heme da 
molécula de hemoglobina. Esse mecanismo pelo qual o oxigênio é capaz de alterar a conformação espacial de uma 
 
20 40 60 80 100 
100 
50 
Pressão de O2 no 
sangue arterial 
Pressão de O2 no sangue 
venoso 
%
 d
e
 s
a
tu
ra
çã
o
 c
o
m
 O
2
 
Pressão parcial de O2 
Figura 2 - Curva de saturação pelo oxigênio da hemoglobina e da 
mioglobina. A curva azul indica a cooperatividade da molécula de hemoglobina 
frente ao oxigênio. A forma sigmóide indica a transição entre os estados T 
(baixa afinidade pelo O2 nos tecidos e R, alta afinidade pelo O2nos alvéolos 
pulmonares. A curva vermelha refere-se ao comportamento da mioglobina 
frente ao O2. A mioglobina não é uma proteína de transporte de O2, mas sim de 
reserva . Assim sendo, a curva é distinta da hemoglobina. 
 
 
N
CH
CH
2
CH
2
COO-
CH
3
N
CH
3
CH
2
CH
2
COO-
N
N
HC C
H
HC
CH
3
CH
CH
2
CH
3
CH
CH
2
Fe+
2
 
A B C 
Figura 1 – As estruturas relacionadas ao transporte de oxigênio. Em “A” eritrócitos e sua forma côncava; em “B” molécula de hemoglobina, 
destacando os dímeros 11 e 22 em cores amarelo, azul, salmão e verde; em “C” a estrutura do grupo heme com o átomo de ferro 
situado ao centro do anel de proptoporfirina. 
1 
1 
2 
2 
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subunidade da hemoglobina, de modo a transmitir essa alteração para as demais subunidades, tornando-as mais 
capazes de aceptar outras moléculas de oxigênio chama-se regulação alostérica (do grego, allos=”outra”; stereos= 
“forma”). No modelo seqüencial o acoplamento de uma molécula de oxigênio a um dos grupos heme da hemoglobina 
aumenta a afinidade de ligação dos grupos heme restantes para outras moléculas de oxigênio, sem que ocorra uma 
total conversão do estado T para R (Figura 3) como propõe o modelo coordenado. Na verdade, nenhum dos dois 
modelos é capaz de explicar de forma satisfatória o comportamento da hemoglobina frente ao oxigênio, de modo que 
é necessário um modelo híbrido, uma vez que ela exibe característica do modelo coordenado e também do modelo 
seqüencial em determinadas circunstâncias. Por exemplo, quando três grupos heme da hemoglobina estão 
preenchidos com oxigênio encontra-se quase sempre no estado R, mostrando um comportamento compatível com o 
modelo coordenado. Contudo, quando somente um grupo heme está ocupado por oxigênio permanece no estado T, 
mas nessa condição a hemoglobina é capaz de ligar-se a outras moléculas de oxigênio com 3 vezes mais afinidade do 
que quando completamente desoxigenada, uma característica compatível somente com o modelo seqüencial. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A interação do oxigênio com o Fe+2 presente no heme – O grupo heme consiste de um átomo de ferro inserido em 
um anel heterocíclico chamado de porfirina. O átomo de ferro é capaz de fazer seis ligações, sendo que quatro delas 
interagem com os nitrogênios do núcleo de porfirina. A quinta ligação do ferro ocorre com o anel de imidazol da 
histidina F8 que faz parte da porção globina da molécula de hemoglobina e, finalmente a sexta ligação do ferro 
ocorrerá com o oxigênio (Figura 4) 
Quando o oxigênio liga-se ao ferro no grupo heme o átomo de ferro se desloca para dentro do plano do 
grupo heme uma vez que altera o estado eletrônico do heme, encurtando assim em 0,1Å as pontes Fe-N-porfirina 
fazendo baixar a abóbada da porfirina (Figura 4). Esse efeito faz com que durante a transição TR, o Fe+2 arraste com 
ele o resíduo de histidina acoplado à hélice 8 (His-F8) à qual ele está covalentemente ligado. A ligação do oxigênio é 
que promove alteração do átomo de ferro. No estado desoxigenado, o ferro apresenta 5 ligantes – os quatro 
nitrogênios do grupo heme e a histidina proximal, e como já mencionado seu estado de valência é Fe+2 com spin alto e 
raio iônico de 2.06Å. No estado oxigenado, o ferro apresenta 6 ligantes – os 5 anteriores e agora a molécula de 
oxigênio, e está em um estado Fe+2 mas com spin baixo e raio iônico de 1.98Å (Tabela 1). O raio do átomo de ferro é 
relevante porque a distância dos átomos de nitrogênios ao centro do grupo heme é 2,03Å; isto implica que o ferro 
permanecerá no plano dos nitrogênios na oxi-Hb, mas não na desoxi-Hb. A ligação do oxigênio altera toda a estrutura 
da molécula de hemoglobina, de forma que a estrutura espacial da desoxihemoglobina e da oxihemoglobina são 
perceptivelmente diferentes. Em ambas as formas, as subunidades  e  fazem encontram-se em íntimo contato. As 
interações na interface 1-1 e seu equivalente simétrico 2-2 envolvem 35 resíduos de aminoácidos, enquanto que 
os da interface 1-2 e 2-1 envolvem 19 resíduos. 
 
 
 
 
 
 
 
O2 O2 
O2 
O2 
O2 O2 
O2 
O2 O2 
O2 
Figura 3 – Esquema explicativo do modelo seqüencial. O acoplamento de uma molécula de oxigênio a uma subunidade da 
molécula de hemoglobina e alterações espaciais dessa subunidade (círculos coloridos). Essa alteração conformacional induz 
mudanças estruturais em subunidades vizinhas (quadrados com linhas em azul e cantos arredondados), aumentando sua 
afinidade em ligar-se ao oxigênio. 
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O oxigênio altera a estrutura quaternária da hemoglobina – A ligação do oxigênio altera toda a estrutura do 
tetrâmero de hemoglobina, de forma que a estrutura espacial da desoxihemoglobina e da oxihemoglobina são 
espacialmente diferentes. Em ambas as formas, as subunidades  e  fazem contato extenso, esses contatos ocorrem 
por meio da ligação do oxigênio aos grupos heme de cada globina e também por meio das pontes salinas formadas 
pelos H+, que interagem com resíduos específicos de aminoácidos. Os contatos na interface 1-1 e seu equivalente 
simétrico 2-2 envolvem 35 resíduos de aminoácidos, enquanto que os das interfaces 1-2 e 2-1 envolvem 19 
resíduos. Quando o oxigênio é ligado aos grupos heme da desoxihemoglobina, as subunidades de 11 e 22 da 
molécula, a qual permanece rígida, mudam levemente suas posições relativas e tornam-se mais próximas. Isso quer 
dizer que ocorre uma mudança na estrutura quaternária e as subunidades sofrem um processo de compactação. 
Como resultado disso, a molécula de oxihemoglobina apresenta uma estrutura mais compacta que a de 
desoxihemoglobina e a cavidade de aproximadamente 20Å de diâmetro formada pelas interações entre as 
subunidades 1-2 e 1-2 torna-se menor (Figura 5 ). A redução da cavidade central da molécula pode ser explicada 
pelo deslocamento das subunidades 1-2 e 2-1 na vigência do oxigênio, produzindo uma alteração na estrutura 
N N
O2 
Fe+2 + O2 
Hélice F Hélice F 
Raio iônico 
de 2.06 Å 
 
His F8 
 
His F8 
 
Fe
+2 Raio iônico 
de 1.98 Å 
 
 
Figura 4 - A ligação do oxigênio é acompanhada por uma mudança no estado do ferro. Em 
“A” No estado desoxigenado, o ferro possui 5 ligantes os quatro nitrogênios do grupo heme e 
a histidina proximal, e está num estado Fe
++
 com spin alto e raio iônico de 2.06Å. No estado 
oxigenado, o ferro possui 6 ligantes – os 5 anteriores mais o oxigênio, e está em um estado 
Fe
++
 com spin baixo e raio iônico de 1.98Å. O raio é importante porque a distância dos 
nitrogênios ao centro do heme é 2,03Å; isto implica que o ferro permanecerá no plano dos 
nitrogênios na oxi-Hb, mas não na desoxi-Hb. O Fe está 0,6Å acima do pano do centro do 
anel porfirínico abobadado. Na presença do oxigênio, o ferro desloca-se na direção do 
centro do anel, arrastando a histidina 8 e a hélice F a ela ligada. 
A 
 
B 
 
 
Em “B” o grupo heme de uma das subunidades da hemoglobina é mostrado no círculo em destaque e a molécula do oxigênio em azul e a hélice 
F mostrada em laranja. Note que a inserção do oxigênio no grupo heme causa alteração na subunidade da hemoglobina que se reflete para toda 
a molécula, causando alterações espaciais importantes que modificam as propriedades bioquímicas da molécula. Em “C” a estrutura espacial do 
heme. As esferas em cinza compõem os anéis porfirínicos, as esferas azuis representam os nitrogênios que coordenam o átomo de ferro,representado pela esfera laranja ao centro. As esferas vermelhas indicam resíduos de aminoácidos pertencentes à hélice F. 
 
C 
 
Tabela 1 – Propriedades das formas oxigenada e desoxigenada da Hb humana. 
 
Propriedades OxiHb desoxiHb 
Afinidade ao oxigênio Alta (k4=0,17mmHg) Baixa (k1=26mmHg) 
Estado de spin do ferro Spin baixo Spin alto 
Raio do Fe
+2
 1,98Å 2,06Å 
MWC Terminologia Estado relaxado (R) Estado tenso (T) 
 
k1=constante de ligação da primeira molécula de O2 ao heme; k4=constante de ligação da 
quarta molécula de O2 ao heme. 
 
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quaternária. A oxigenação promove uma rotação de 15º de um dímero  em relação ao outro (Figura 5 letra A) 
aproximando assim, as subunidades  e estreitando o canal central da hemoglobina. Os dois hemes  se aproximam 
enquanto os dois hemes  se afastam um dos outros. Junto a essas mudanças os resíduos que ligam H+ nas cadeias  
e  mudam de um ambiente relativamente hidrofílico para um relativamente hidrofóbico. Alguns átomos da interface 
1-2 e 2-1 deslocam-se por uma distância de até 6 Å. 
A oxigenação provoca modificações estruturais quaternárias tão grandes, que os cristais de 
desoxiemoglobina se estilhaçam ao serem expostos ao oxigênio. Essa mudança conformacional da molécula de 
hemoglobina aumenta a tendência desses grupos protonados de perderem H+, isso que dizer que eles tornam-se 
ácidos mais fortes quando a hemoglobina é oxigenada, uma mudança que pode explicar o efeito Bohr que será 
discutido adiante. 
 
 
PDB: 1LFQ 
 
 
PDB: 1A3N 
1 
1 2 
2 1 
1 2 
2 
7,5º 
 Diâm. Central 20 Å Diâm. Central  20 Å 
y y 
 z q 
y 
x p 
z 
q 
18 
 
p 
15º 
Figura 5 - Diagrama ilustrando a mudança na estrutura quaternária que acompanha a ligação de oxigênio à hemoglobina. Em “A” 
estrutura espacial da oxihemoglobina (à direita) e da desoxihemoglobina (à esquerda). A seta na cavidade central indica a 
alteração conformacional desencadeada pelo oxigênio. Em “B”, a oxihemoglobina apresenta uma ligeira mudança da posição do 
dímero 11 em relação ao dímero 22 (ou vice-versa). No diagrama da estrutura ligada os dímeros 11 estão superpostos, e os 
dímeros 22 representados em negro (não ligada) e vermelho (ligada). A posição do dímero 22 ligado é obtida pela rotação de 
12-15° em torno do eixo P, deslocando 1Å para baixo ao longo de “p”. O eixo “p” é perpendicular ao eixo de simetria “y” e a relação 
entre os eixos de visão e os eixos moleculares padrões são mostradas no diagrama central inferior (Figura adaptada de Baldwin & 
Chothia, 1979). 
A 
B 
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A Hemoglobina não transporta somente oxigênio – O efeito Bohr - No ambiente dos alvéolos pulmonares mais de 
90% do oxigênio se difunde para o eritrócito ligando-se à molécula de hemoglobina. Uma pequena fração de oxigênio é 
transportada, dissolvida no plasma na forma física e obedece a lei de Henry, cujo enunciado refere que a quantidade 
de gás dissolvido em um determinado líquido, a uma determinada temperatura, é igual ao produto da pressão parcial 
desse gás no líquido, multiplicado por um coeficiente de solubilidade particular para cada mistura gás-líquido. No 
ambiente dos alvéolos pulmonares mais de 90% do oxigênio difunde-se através do eritrócito indo combinar-se com a 
hemoglobina. Uma pequena fração de oxigênio é transportado dissolvido no plasma na forma de solução simples, essa 
fração de oxigênio dissolvido ou fração física (Figura 6). Além de transportar praticamente todo o oxigênio dos pulmões 
aos tecidos, a hemoglobina transporta cerca de 20% do total de CO2 e H
+ formados nos tecidos até os pulmões e rins. 
Nos tecidos periféricos a hemoglobina capta H+ e CO2 e em altas concentrações de CO2 e baixos valores de 
pH, a afinidade da hemoglobina por O2 reduz dramaticamente. Inversamente, nos capilares pulmonares, à medida que 
o CO2 é excretado e o pH do sangue aumenta, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio também se eleva. Esse efeito 
do pH e da concentração de CO2 interferindo na captação e liberação do oxigênio por parte da hemoglobina denomina-
se efeito Bhor em homenagem ao fisiologista dinamarquês, seu descobridor. O efeito Bhor é, portanto, resultado do 
equilíbrio entre oxigênio e os outros ligantes que podem ser aceptados pela hemoglobina CO2 e H
+. É necessário 
destacar que o H+ não interage no mesmo sítio que o oxigênio, ao passo que o oxigênio se liga ao íon Fe+2 do grupo 
heme, os prótons H+ligam-se a qualquer um dos vários resíduos de aminoácidos das porções globínicas da 
hemoglobina, com destaque para o resíduo His-146 (His HC3) das subunidades β. Quando esse resíduo se torna 
protonado ele forma um dos três pares iônicos que mantêm a conformação T. O par iônico mantêm e estabiliza a forma 
protonada do resíduo de histidina HC3, proporcionando um valor de pKa extremamente alto no estado T. Esse valor de 
pKa reduz para 6,0 no estado R (oxihemoglobina), uma vez que o par iônico torna-se incapaz de se formar, já que o 
resíduo de His-146 não é capaz de aceptar H+ no estado R em valores de pH igual a 7,6, o pH do sangue no ambiente 
dos alvéolos pulmonares. 
Embora a hemoglobina seja capaz de captar CO2, a maior parte desse gás (cerca de 63%) é transportado no 
interior do eritrócito na forma de íon bicarbonato (HCO3
-) numa reação tal qual o CO2 combina-se com a água no 
interior do eritrócito combina-se com o CO2 para formar ácido carbônico (H2CO3). Posteriormente a enzima anidrase 
carbônica dissocia o H2CO3 em um próton de H
+ e um ânion HCO3
-. A anidrase carbônica presente em altas 
concentrações no interior dos eritrócitos catalisa a hidratação do CO2 para formar H2CO3. Nos eritrócitos essas reações 
são dirigidas para a direita, pela ação das massas, visto que o CO2 está sempre sendo suprido pelos tecidos. Nos 
eritrócitos o H2CO3 se dissocia em H
+ e HCO3
-. O próton de hidrogênio (H+) permanece no interior do eritrócito, onde 
será tamponado pela desoxihemoglobina e transportado para o sangue, nessa forma. A desoxihemoglobina é melhor 
tampão para o H+ que a oxihemoglobina. O tamponamento de H+ por parte da hemoglobina cumpre duas funções, a 
primeira é que impede queda do pH intraeritrocitário e a segunda é que a liberação do H+ por pela hemoglobina no 
ambiente tissular facilita a liberação do O2 para as células. O HCO3
- decorrente da dissociação do H2CO3 poderia 
causar desequilíbrio hidroeletrolítico no eritrócito, se o mesmo não fosse extrudido do eritrócito em um mecanismo de 
troca com o cloreto (Cl-). Esse fenômeno de trocas entre cargas negativas (saída de HCO3
- e entrada de Cl-) denomina-
se fuga de cloreto que é realizado por uma proteína trocadora de ânions chamada de proteína de banda três. 
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O efeito Haldane – Nos alvéolos pulmonares a captação de oxigênio por parte da hemoglobina promove alterações 
estruturais na molécula, que culminam com o deslocamento de prótons de H+, anteriormente captados pelos resíduos 
de aminoácidos gerando no interior do eritrócito um microambiente ácido. Esse H+ combinam-se com o HCO3- para 
formar H2CO3 que, sob a ação da anidrase carbônica sofre dissociação em H2O + CO2. O CO2 é prontamente liberado 
nos alvéolos pulmonares (Figura 7). Esse mecanismo responde pela maior parte do CO2 liberado, cerca de 63%, 
outras formas de transporte de CO2 no interior do eritrócito também ocorrem, cerca de 5% dissolvido na célula na forma 
física e aproximadamente 21% na forma de carbaminoglobina, seguindo a reação Hb-NH2 + CO2  Hb-NHCOOH. Os 
compostos carbamínicos são portanto,formados pela combinação de CO2 com porções aminoterminais da porção 
globínica da hemoglobina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 7 - A Ligação do O2 ao centro heme faz com que a hemoglobina libere H
+ adquirindo um caráter ácido, o que por sua vez 
promove o deslocamento do CO2 em suas formas carbamino-hemoglobina e HCO
-
3. Esse processo é conhecido como Efeito 
Haldane. Adaptado de: Aires, MM-Fisiologia. Ed. Guanabara koogan, 1999. 
 
Alvéolos 
63% 
5% 
21% 
CO2 
90% 
Hb 
H
+
 
H
+
 
H
+
 
H
+
 
H
+
 
H
+
 
H
+
 
H
+ + HCO-3 
+ H+ 
 + CO2 
 
 H2CO3 H2O + CO2 
 A C 
CO2 CO2 
N 
COO
-
 
H 
 Hb 
H
+
 
N 
H 
H 
 Hb 
+ H+ 
HCO-3 + H
+ 
63% 
5% 
21% CO2 + 
CO2 
90% 
CO2 + H2O + H2CO3 
AC 
Cl- H2O 
N 
H 
H 
 Hb 
Tamponado pela Hb 
 
N 
COO
-
 
H 
 Hb 
CO2 
10% 
5% 
<1% 
5% 
CO2 
CO2 + 
CO2 + H2O H2CO3 
 
Tamponados pelas 
soluções tampão do 
plasma 
N 
H 
H 
N 
COO
-
 
H 
Prot 
CO2 
T
E
C
ID
O
S
 
CO2 
CO2 
CO2 
CO2 
CO2 
CO2 
Figura 6 – Formas pelas quais o CO2 é transportado no plasma e no interior dos eritrócitos. No eritrócito a extrusão de HCO3
- e a entrada de Cl- é 
acompanhada da entrada de água também, o que torna o eritrócito oxigenado mais túrgido que o eritrócito desoxigenado. Adaptado de: Aires, MM-Fisiologia. 
Ed. Guanabara koogan, 1999. 
HCO-3 + H
+ 
+ H+ 
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A hemoglobina S e a anemia falciforme – A anemia falciforme é uma doença monogênica e hereditária decorrente 
de anormalidades envolvidas com a molécula de hemoglobina, onde ocorre a substituição do resíduo de ácido 
glutâmico pelo resíduo de valina na posição 6 da cadeia beta da hemoglobina. A troca desse único resíduo de 
aminoácido dá origem a hemoglobina S (HbS) que, quando desoxigenada promove distorção da forma eritrocitária, 
fazendo com que a célula adquira um aspecto de foice. A cada desoxigenação da molécula de HbS ocorre aquisição 
do formato em foice, e após ser submetido a sucessivas alterações estruturais o eritrócito perde a capacidade de 
retornar a sua forma discóide bicôncava normal. Esses eritrócitos siclêmicos irreversíveis provavelmente resultam da 
perda ou do enrijecimento de porções da membrana plasmática, em decorrência de danos estruturais no citoesqueleto. 
Além disso, afoiçamentos repetidos podem também levar à formação de inclusões morfológicas conhecidas como 
corpúsculos de Heinz. Essas inclusões se ligam à membrana e são parcialmente responsáveis pela destruição 
prematura dessas hemácias. 
A forma homozigota da anemia falciforme (HbSS) ocorre quando o indivíduo herda um gene da hemoglobina 
falciforme da mãe ou do pai. Assim sendo, para que essa condição ocorra é necessário que cada um dos pais seja 
portador de pelo menos um gene falciforme, o que significa que cada um é portador de um gene da hemoglobina 
falciforme (HbS) e um gene da hemoglobina normal (HbA). O traço falciforme não é uma doença, indica apenas que o 
indivíduo herdou de seus pais um gene para a hemoglobina normal (A) e outro para a hemoglobina falciforme (S). 
Estudos mostram que as alterações genéticas que levam à anemia falciforme têm origem, há milhares de anos, na Ásia 
menor, como forma genética de organismos se protegerem da malária. De fato, a hemoglobina S proporciona aumento 
da resistência para a malária como no caso da África, onde a malária é endêmica e por conta disso a freqüência desse 
gene é alta na população. Diversos estudos mostram que os heterozigotos para anemia falciforme são mais resistentes 
à forma grave da malária, de modo que os indivíduos com esta característica têm mais chances de sobreviver em 
ambientes onde a malária é prevalente, já que o protozoário não se reproduz em eritrócitos falciformes. 
Em função dessa vantagem adaptativa, o gene da hemoglobina S tornou-se freqüente entre os negros, 
tornando-se o único mecanismo humano de seleção natural, em um universo de mais de 30 mil genes, que a ciência, 
até então, conseguiu entender. O fenômeno de afoiçamento dos eritrócitos é responsável por todo o quadro 
fisiopatológico apresentado pelos portadores de anemia falciforme. A hemoglobina S quando desoxigenada torna-se 
insolúvel, ao contrário da hemoglobina normal (A), que mesmo desoxigenada permanece solúvel. A presença do 
resíduo de valina em vez de ácido glutâmico na HbS, gera um contato hidrofóbico adesivo na face externa das duas 
cadeias beta da molécula de hemoglobina. Isso corre porque a valina não apresenta carga elétrica, enquanto que o 
ácido glutâmico possui uma carga elétrica em pH=7,4 (Figura 8). Essa ausência de cargas elétricas por parte da valina 
na HbS faz com que, na forma desoxigenada, a hemoglobina sofra polimerização, já que as superfícies adesivas de 
moléculas tendem a se combinar, formando filamentos longos que são responsáveis pela deformação do eritrócito em 
sua forma característica de lâmina de foice. 
Fatores que alteram a finidade da hemoglobina para com o oxigênio – A representação gráfica da pressão parcial 
de oxigênio em função da concentração de oxigênio na hemoglobina é conhecida como curva de dissociação da 
hemoglobina e apresenta um formato sigmóide. Os fatores que aumentam a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio 
desviam a curva sigmóide para a esquerda, enquanto que os fatores que reduzem a afinidade da hemoglobina pelo 
oxigênio deslocam a curva para a direita. Diversos fatores alteram a finidade da hemoglobina pelo oxigênio, sendo que 
quatro desses fatores são particularmente relevantes e por essa razão foram bem estudados: a PCO2 (pressão parcial 
de CO2), o pH, a temperatura e os níveis intracelulares de 2,3BPG (2,3 bifosfoglicerato). 
CO2 – Nos tecidos periféricos a concentração de CO2 é naturalmente elevada e uma fração desse gás liga-se ao grupo 
terminal -amino de cada globina presente na hemoglobina, formando grupos carbamino segundo a reação que se 
segue: 
 
 
 
NH
2
C
R
H
C
O
CO2 + C
O
C N
H
C
O
O
R
H H+ 
Terminal amino de um dado 
resíduo de aminoácido 
Terminal carbamino 
Essa reação gera um próton H+ colaborando para o 
efeito Bohr e os carbamatos formados, também 
atuam na formação de pontes salinas adicionais 
que atuam na conversão do estado R para o 
estado T. 
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 9
 Desse modo, o aumento da PCO2 altera o equilíbrio da hemoglobina do estado R para o estado T favorecendo 
a liberação do O2 como mostrado na figura 9 (letra A), onde a curva de dissociação da hemoglobina apresenta-se 
deslocada para a direita em função do aumento da PCO2 nos tecidos periféricos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
pH – A hemoglobina também apresenta redução de sua afinidade pelo oxigênio frente a valores reduzidos de pH de 
modo que, em meio ácido ocorre desvio para a direita da curva de dissociação da hemoglobina (figura 9 letra B). 
Normalmente, o pH intraeritrocitário é 0,2 unidade mais ácido que o plasma. Nos capilares sistêmicos, CO2 (que é 
hidratado até ácido carbônico) e ácidos fixos (úrico, pirúvico, láctico, fosfórico, etc.) são liberados para a corrente 
sangüínea, fazendo com que o pH local caia, facilitando a oxigenação tecidual por conta do efeito Bohr. Já no ambiente 
alveolar CO2 está sendo liberado para os pulmões aumentando o pH local elevando assim a afinidade da Hb para o 
oxigênio (desvio para a esquerda da curva sigmóide), o quefacilita a captação de O2 pelo sangue a partir do ar 
alveolar. 
 
2,3-Bifosfoglicerato (2,3-BPG) – O 2,3 bifosfoglicerato é um dos intermediários formados durante a via glicolítica, a 
via pela qual os eritrócitos geram sua fonte de energia (ATP) já que não dispõem de mitocôndrias. A curva de 
dissociação da hemoglobina sofre deslocamento para a direita (Figura 9 letra C) na presença de aumento das 
concentrações intraeritrocitárias de 2,3-BPG. Nos eritrócitos, o 2,3-BPG existe numa concentração que é quatro vezes 
maior que a do ATP, concentração molar equivalente à da hemoglobina. O aumento dessa substância no eritrócito é 
uma resposta altamente adaptativa a estados de maior necessidade tissular de O2. De fato, seu nível se eleva em 
pacientes com insuficiência cardíaca, hipoxemia crônica, altitudes, após exercício físico prolongado e intenso e também 
na anemia. O acúmulo de 2,3-BPG no eritrócito desloca para a direita a curva de dissociação da hemoglobina, 
diminuindo a afinidade da Hb pelo O2 e facilitando desse modo a transferência desse gás do eritrócito para os tecidos. 
 
 
 
 
 
Mutação 
Figura 8 - Na condição conhecida como anemia falciforme o eritrócito assume a forma de uma 
foice (siderócito), letra B. Essa condição decorre da substituição de um único resíduo de 
aminoácido na posição 6 da cadeia beta da molécula de hemoglobina (glutamato por valina). Essa 
sutil alteração faz com que a desoxihemoglobina forme filamentos (letra A) no interior dos 
eritrócitos, deformando o eritrócito de sua forma original discóide para a forma de foice, mais fágil 
às rupturas no interior dos leitos vasculares. Essa condição que, parece ser uma desvantagem 
pode ser útil em ambientes onde há prevalência de malária. O parasito da malária (Plasmodium) 
apresenta parte de seu ciclo de vida no interior do eritrócito e, eritrócitos (letra C, seta) falciformes 
reduzem a probabilidade do plasmodium em habitar essas células. Desse modo, portadores de 
anemia falciforme tendem a apresentar resistência à malária. 
 
A B C 
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 10
Temperatura - O efeito do aumento da temperatura sobre a afinidade da hemoglobina pelo O2 é similar ao da acidez, 
ou seja, a redução da temperatura desloca a curva de dissociação da hemoglobina para a esquerda, enquanto que 
aumentos da temperatura deslocam a curva para a direita. Esse efeito da temperatura sobre a curva de dissociação da 
hemoglobina pode estar relacionado à influência da temperatura sobre a atividade do H+. Isso é particularmente útil nos 
músculos esqueléticos, uma vez que esses se aquecem durante a atividade física, e esse aquecimento facilita a 
liberação de O2 suprindo as células musculares de O2 em momentos em que esse aporte é necessário. Por outro lado, 
em situações de hipotermia induzida, as temperaturas tissulares extremamente baixas reduzem o consumo celular de 
O2. A redução da temperatura do sangue, ao mesmo tempo, aumenta a afinidade da hemoglobina pelo O2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Hemoglobinopatias – O termo hemoglobinopatias refere-se a uma das condições que acometem a hemoglobina 
sendo que a mais conhecida é a condição que desencadeia anemia falciforme. Anemia falciforme é o termo utilizado 
para uma morbidade hereditária na qual os eritrócitos assumem a forma de uma foice, mas recebem a designação 
hematológica de drepanócitos. 
Ocorre com maior ou menor severidade de acordo com 
o caso, o que causa deficiência do transporte de gases nos 
indivíduos que possuem a doença. É comum em 
afrodescendentes e sendo assim, o conhecimento sobre a 
origem étnica do paciente pode ser de grande valia na análise 
genética de indivíduos acometidos por algum tipo de 
hemoglobinopatia. A formação da hemoglobina S (HbS) é 
determinada por um par genético que sofre alteração nos 
portadores da doença. Neles, há a presença de ao menos um 
gene mutante, que leva o organismo a produzir a hemoglobina S. 
 0 20 40 60 80 100 
 
100 
 
 
 
80 
 
 
60 
 
 
40 
 
 
20 
PCO2 (mmHg) 
20 
40 
80 
A 100 
 
 
 
80 
 
 
60 
 
 
40 
 
 
20 
 0 20 40 60 80 100 
 
pH 
7,6 
7,4 7,2 
B 100 
 
 
 
80 
 
 
60 
 
 
40 
 
 
20 
 0 20 40 60 80 100 
 
2,3 BPG 
HbF 
HbA 
C 
Adição de 
2,3 BPG 
100 
 
 
 
80 
 
 
60 
 
 
40 
 
 
20 Temperatura em C 
20 
43 
D 
37 
10 
Figura 9 – Fatores que alteram a curva de dissociação da hemoglobina. Em “A” Pressão parcial de 
CO2 (PCO2), “B” pH, “C” 2,3-bifosfoglicerato e D temperatura. Na letra “C” é mostrada a curva de 
dissociação da HbF (hemoglobina fetal) com o propósito de compará-la à da HbA (hemoglobina do 
adulto). As linhas tracejadas em C mostram a P50, ou seja, a pressão parcial de O2 necessária para 
saturar 50% a hemoglobina. 
S
a
tu
ra
çã
o
 d
e
 H
b
 c
o
m
 O
2
 
S
a
tu
ra
ç
ã
o
 d
e
 H
b
 c
o
m
 O
2
 
PO2 (mmHg) 
PO2 (mmHg) 
 0 20 40 60 80 100 
 
Figura 10 – Eritrócitos falciformes (drepanócitos). 
 
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 11
Essa hemoglobina apresenta, em sua estrutura primária, uma troca do sexto resíduo de aminoácido (um 
resíduo de ácido glutâmico é substituído resíduo de valina). Esta alteração é conseqüência da substituição de um 
único nucleotídeo na sequência de DNA. Ao invés do nucleotídeo adenina na posição 20 da cadeia de DNA, na 
seqüência anormal encontra-se o nucleotídeo timina que por sua vez altera a seqüência de códons de GAG para GTG. 
A alteração conformacional ocorre porque o grupo radical da valina não possui carga elétrica, enquanto que o ácido 
glutâmico possui carga negativa em pH 7,4 (esse valor de pH é o fisiológico e nesse valor o grupo carboxila se ioniza, 
perdendo um próton de hidrogênio) e encontra-se na face externa da molécula. 
Assim a substituição do resíduo de ácido glutâmico por valina cria um ponto hidrofóbico de ligação na 
superfície externa da cadeia beta, alterando a conformação final da proteína. Essa molécula de hemoglobina é capaz 
de transportar o oxigênio, mas, quando o mesmo passa para os tecidos, as moléculas da sua hemoglobina se 
aglutinam em formas gelatinosas de polímeros, também chamadas tactóides, que acabam por alterar a estrutura do 
eritrócito tornando-os frágeis em função das alterações na sua membrana. 
Quando recebem novamente o oxigênio, podem ou não recuperar seu formato original. Após algum tempo, 
por não suportar bem modificações físicas, a hemoglobina pode manter a forma gelatinosa permanentemente e, 
conseqüentemente, o formato de foice do eritrócito. Nessa forma, sua vida útil torna-se menor, o que pode vir a causar 
anemia hemolítica. O gene causador da anemia falciforme tem uma relação de co-dominância com o gene normal. 
Assim, há indivíduos portadores de uma forma branda e de uma forma severa da mesma doença. O teste de 
falcização tem como objetivo diagnosticar anemia falciforme. O método baseia-se na redução da tensão de O2 
induzindo à formação de agregados cristalinos já que a hemoglobina S na ausência de O2 torna-se insolúvel quando 
comparada com a hemoglobina íntegra. Para o teste uma gota de sangue obtida por meio de punção digital é 
colocada em uma lâmina e recoberta com uma lamínula. 
As bordas da lamínula são vedadas com petrolato e após cerca de seis horas pode-se fazer a observação 
em microscópio óptico. Outra forma de realizaro teste é adicionar ao sangue da lâmina metabissulfito de sódio na 
concentração de 2% antes de cobrir o mesmo com a lamínula. Como o metabissulfito é um poderoso redutor a reação 
é acelerada permitindo a observação no intervalo de 15 a 60 minutos. Contudo, atualmente os kits para testes de 
falcização são bastante eficazes e seu método consiste em desoxigenar a hemoglobina S que por tornar-se insolúvel 
precipita-se em determinados meios. Os testes de lamínula ou os kits não são totalmente específicos para 
hemoglobina S sendo que produzem falcização para outras hemoglobinas como, por exemplo, a hemoglobina F, (HbF 
forma fetal da hemoglobina) por essa razão o teste deve ser feito em bebês somente após 4 a 6 meses após o 
nascimento uma vez que é o período em que a hemoglobina F passa a ser substituída pela hemoglolobina A (HbA 
forma presente no adulto). O diagnóstico definitivo da anemia falciforme pode ser obtido por meio da eletroforese de 
hemoglobina. Nesse teste produz-se uma separação das frações HbS, HbA e outras formas de hemoglobina que 
porventura estejam presentes na amostra. A eletroforese de hemoglobina permite a identificação de diversos tipos de 
hemoglobina, que podem identificar uma doença hemolítica. Por exemplo, se Hb A2 for de 4 a 5,8% da hemoglobina 
total, então existe a implicação de talassemia menor. Se Hb A2 estiver abaixo de 2%, isso sugere uma doença de 
hemoglobina H. A talassemia menor é também sugerida se Hb F for 2 a 5% da hemoglobina total, e talassemia maior 
se Hb F compreender 10 a 90%. Se o total da hemoglobina for Hb F, isso sugere persistência hereditária homozigota 
de hemoglobina fetal. Se Hb F compreender 15% do total de hemoglobina, isso sugere Hb S homozigota. 
Hemoglobina C - A hemoglobina C (Hb C) é uma variante originada pela substituição do ácido glutâmico por lisina na 
posição 6 da cadeia beta da globina da hemoglobina, conduzindo a um leve distúrbio hemolítico. Os portadores dessa 
condição são homozigotos (CC) para o gene da hemoglobina C (Hb-C). Estima-se que o gene está presente em cerca 
de 3% dos afroamericanos de forma que a doença não é comum. A origem da hemoglobina C, tal como da 
hemoglobina S, é africana e sua propagação foi ampla na região do Mediterrâneo e Américas por meio do tráfico de 
escravos, em diferentes períodos da história da humanidade (Bonini-Domingos et al., 2003). Esse processo de 
distribuição do gene da globina beta possibilitou sua interação com outras hemoglobinas variantes e talassemias, 
amplamente observado na população brasileira. De fato, possui prevalência entre 15% a 30% nos povos de origem 
africana, e sua freqüência é bastante variável na população brasileira, dependendo da região analisada. Os portadores 
da doença apresentam leptocitose (leptócitos, eritrócitos em forma de alvo), mas não desenvolvem anemia. 
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 12
A troca do aminoácido confere características estruturais e 
funcionais próprias à molécula, facilitando a sua identificação por 
metodologias de rotina diagnóstica. De fato, a eletroforese é o método de 
rotina utilizado na identificação de portadores desse tipo de 
hemoglobinopatia (Figura 11) embora existam outros métodos de 
identificação mais sofisticados como, por exemplo, a cromatografia 
líquida de alta pressão (HPLC). Na eletroforese de Hb-C apresenta 
padrão de migração similar à HB-A2, no entanto, a presença de Hb-A2 
não supera valores acima de 10% da hemoglobina total modo que a 
hemoglobina que migra na área da Hb-A2 em valores que excedem 10% 
é forte indicativo de Hb-C. 
 
Figura 11 – Padrão eletroforético de uma amostra de 
hemoglobina C (1) e hemoglobina normal (2) em 
acetato de celulose. Fonte: Bonini-Domingos et AL., 
2003. 
1 2 
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 13
RESUMO 
Introdução – Os eritrócitos são células discoidais côncavas 
nas quais está presente uma proteína especializada em 
interagir com o O2, a hemoglobina. O tecido muscular 
esquelético, em função de sua alta taxa metabólica dispõe de 
uma proteína de reserva de O2 similar à hemoglobina, a 
mioglobina. A mioglobina e a hemoglobina apresentam 
relações evolutivas, contudo, a hemoglobina possui quatro 
cadeias polipeptídicas, enquanto que a mioglobina possui 
somente uma. A hemoglobina é especializada em transportar 
O2, ao passo que a mioglobina atua como reserva de O2, a 
primeira apresenta quatro grupos heme e a segunda, 
somente um. O sítio onde ocorre a interação com o O2 
nessas proteínas é formado por um anel de protoporfirina, a 
qual por meio de quatro átomos de nitrogênio coordena um 
átomo de ferro (Fe+2). 
 
 
N
CH
CH2
CH2
COO-
CH3
N
CH3CH2
CH
2
COO-
N
N
HC C
H
HC
CH3 CH
CH
2
CH3
CH
CH2
Fe+2
 
A B C 
Figura 1 – As estruturas relacionadas ao transporte de oxigênio. Em “A” eritrócitos e sua forma côncava; em “B” molécula de hemoglobina, 
destacando os dímeros 11 e 22 em cores amarelo, azul, salmão e verde; em “C” a estrutura do grupo heme com o átomo de ferro 
situado ao centro do anel de proptoporfirina. 
1 
1 
2 
2 
A captação de oxigênio por parte da hemoglobina – A dinâmica de oxigenação dos tecidos implica 
necessariamente na capacidade da hemoglobina em ligar-se ao oxigênio nos alvéolos pulmonares e 
posteriormente desligar-se dele no ambiente dos tecidos. Para cumprir essa tarefa a hemoglobina apresenta alta 
afinidade por oxigênio quando a pressão parcial de oxigênio (PO2) é alta, essa situação está presente nos 
alvéolos pulmonares e impulsiona o deslocamento do oxigênio dos alvéolos para os capilares pulmonares. A 
situação inversa, ou seja, o desacoplamento do oxigênio da molécula de hemoglobina ocorre nos tecidos em 
função da baixa PO2. A molécula de hemoglobina é formada por um tetrâmero constituído por dímeros de cadeias 
 idênticas (11 e 22) que relacionam-se entre si de forma não covalente (pontes de hidrogênio, interações 
hidrofóbicas, por exemplo) formando um tetrâmero (Figura 1). A hemoglobina pode apresentar duas estruturas 
quaternárias distintas. Uma é a estrutura T (tensa), característica da forma desoxigenada (desoxi-Hb) cuja 
afinidade ao oxigênio é baixa, a outra é a estrutura R (relaxada), característica da forma (oxi-Hb), nessa forma a 
molécula de hemoglobina apresenta alta afinidade pelo oxigênio Nos eritrócitos, as hemoglobinas encontram-se 
num equilíbrio das duas formas; a concentração de formas parcialmente ligadas é baixa. 
 
A hemoglobina interage com o oxigênio de forma cooperativa – A hemoglobina apresenta um comportamento particularmente importante, ela é capaz 
de sofrer uma transição entre o estado T e R na medida em que moléculas de oxigênio vão progressivamente se ligando a seus grupos heme. Essa 
propriedade denomina-se cooperatividade e é demonstrada na figura 2. 
 
20 40 60 80 100 
100 
50 
Pressão de O2 
no sangue 
arterial 
Pressão de O2 
no sangue 
venoso 
%
 d
e
 s
a
tu
ra
ç
ã
o
 c
o
m
 O
2
 
Figura 2 - Curva de saturação pelo oxigênio 
da hemoglobina e da mioglobina. A curva 
azul indica a cooperatividade da molécula de 
hemoglobina frente ao oxigênio. A forma 
sigmóide indica a transição entre os estados 
T (baixa afinidade pelo O2 nos tecidos e R, 
alta afinidade pelo O2 nos alvéolos 
pulmonares. A curva vermelha refere-se ao 
comportamento da mioglobina frente ao O2. 
A mioglobina não é uma proteína de 
transporte de O2, mas sim de reserva. Assim 
sendo, a curva é distinta da hemoglobina. 
A interação do oxigênio com o Fe+2 presente no 
grupo heme – Quando o oxigênio liga-se ao ferro no 
grupo heme o átomo de ferro se desloca-separa dentro 
do plano do grupo heme uma vez que altera o estado 
eletrônico do heme, encurtando assim em 0,1Å as 
pontes Fe-N-porfirina fazendo baixar a abóbada da 
porfirina (Figura 3). Esse efeito faz com que durante a 
transição TR, o Fe+2 arraste com ele o resíduo de 
histidina acoplado à hélice 8 (His-F8) à qual ele está 
covalentemente ligado. 
 A ligação do oxigênio é que promove alteração do átomo de ferro. A distância dos átomos de 
nitrogênios ao centro do grupo heme é 2,03Å; isto implica que o ferro permanecerá no plano dos 
nitrogênios na oxi-Hb, mas não na desoxi-Hb. A ligação do oxigênio altera toda a estrutura da 
molécula de hemoglobina, de forma que a estrutura espacial da desoxihemoglobina e da 
oxihemoglobina são perceptivelmente diferentes. 
 
N N
O2 
Fe+2 + O2 
Hélice F Hélice F 
Raio iônico 
de 2.06 Å 
 
His F8 
 
His F8 
 
Fe
+2 Raio iônico 
de 1.98 Å 
 
Figura 3 - A ligação do oxigênio é acompanhada por uma mudança no estado do ferro. No 
estado desoxigenado, o ferro possui 5 ligantes os quatro nitrogênios do grupo heme e a 
histidina proximal, e está num estado Fe++ com spin alto e raio iônico de 2.06Å. No estado 
oxigenado, o ferro possui 6 ligantes – os 5 anteriores mais o oxigênio, e está em um estado 
Fe++ com spin baixo e raio iônico de 1.98Å. O raio é importante porque a distância dos 
nitrogênios ao centro do heme é 2,03Å; isto implica que o ferro permanecerá no plano dos 
nitrogênios na oxi-Hb, mas não na desoxi-Hb. O Fe está 0,6Å acima do pano do centro do 
anel porfirínico abobadado. Na presença do oxigênio, o ferro desloca-se na direção do centro 
do anel, arrastando a histidina 8 e a hélice F a ela ligada. 
 
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O oxigênio altera a estrutura quaternária da hemoglobina – A ligação do oxigênio altera 
toda a estrutura do tetrâmero de hemoglobina. As subunidades  e  fazem contato entre 
si. Quando o oxigênio é ligado aos grupos heme da desoxihemoglobina, as subunidades de 
11 e 22 da molécula, a qual permanece rígida, mudam levemente suas posições 
relativas e tornam-se mais próximas. Isso quer dizer que ocorre uma mudança na estrutura 
quaternária e as subunidades sofrem um processo de compactação. Como resultado disso, 
a molécula de oxihemoglobina apresenta uma estrutura mais compacta que a de 
desoxihemoglobina e a cavidade de aproximadamente 20Å de diâmetro formada pelas 
interações entre as subunidades 1-2 e 1-2 torna-se menor (Figura 4 ). Além disso, a 
oxigenação promove uma rotação de 15º de um dímero  em relação ao outro. A 
oxigenação provoca modificações estruturais quaternárias tão grandes, que os cristais de 
desoxiemoglobina se estilhaçam ao serem expostos ao oxigênio. Essa mudança 
conformacional da molécula de hemoglobina pode explicar o efeito Bohr. 
 
O efeito Bohr - Nos tecidos periféricos a hemoglobina capta H+ e CO2 e em altas concentrações de CO2 e baixos 
valores de pH, a afinidade da hemoglobina por O2 reduz dramaticamente. Inversamente, nos capilares pulmonares, à 
medida que o CO2 é excretado e o pH do sangue aumenta, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio também se eleva. 
Esse efeito do pH e da concentração de CO2 interferindo na captação e liberação do oxigênio por parte da hemoglobina 
denomina-se efeito Bhor em homenagem ao fisiologista dinamarquês, seu descobridor. O efeito Bhor é, portanto, 
resultado do equilíbrio entre oxigênio e os outros ligantes que podem ser aceptados pela hemoglobina CO2 e H
+. 
 
O efeito Haldane – Nos alvéolos pulmonares a captação de oxigênio por parte da hemoglobina promove alterações 
estruturais na molécula, que culminam com o deslocamento de prótons de H+, anteriormente captados pelos resíduos 
de aminoácidos gerando no interior do eritrócito um microambiente ácido. Esse H+ combinam-se com o HCO3
- para 
formar H2CO3 que, sob a ação da anidrase carbônica sofre dissociação em H2O + CO2. O CO2 é prontamente liberado 
nos alvéolos pulmonares (Figura 5). 
 
1 
1 2 
2 
7,5º 
 Diâm. Central  20 Å 
y 
 q 
 
p 
15º 
Figura 4 - A oxihemoglobina apresenta uma ligeira 
mudança da posição do dímero 11 em relação ao 
dímero 22 (ou vice-versa). No diagrama da 
estrutura ligada os dímeros 11 estão superpostos, 
e os dímeros 22 representados em negro (não 
ligada) e vermelho (ligada). A posição do dímero 
22 ligado é obtida pela rotação de 12-15° em 
torno do eixo P, deslocando 1Å para baixo ao longo 
de “p”. O eixo “p” é perpendicular ao eixo de 
simetria “y” e a relação entre os eixos de visão e os 
eixos moleculares padrões são mostradas no 
diagrama central inferior (Figura adaptada de 
Baldwin & Chothia, 1979). 
 
Fatores que alteram a finidade da hemoglobina 
para com o oxigênio - Diversos fatores alteram a 
finidade da hemoglobina pelo oxigênio, sendo que 
quatro desses fatores são particularmente 
relevantes: a) Dióxido de carbono - Nos tecidos 
periféricos a concentração de CO2 é naturalmente 
elevada e uma fração desse gás liga-se ao grupo 
terminal -amino de cada globina presente na 
hemoglobina dando origem à formação de H+ 
favorecendo o deslocamento do estado R da 
hemoglobina para o T; b) pH – a hemoglobina 
altera sua afinidade por O2 ou O2 em função do pH. 
 
Hemoglobinopatias - O termo hemoglobinopatias refere-se a uma das condições que acometem a hemoglobina sendo que a mais conhecida é a condição que desencadeia anemia falciforme. O portador de anemia 
falciforme apresenta a hemoglobina S (HbS). Essa molécula de hemoglobina é capaz de transportar o oxigênio, mas, quando o mesmo passa para os tecidos, as moléculas da sua hemoglobina se aglutinam em 
formas gelatinosas de polímeros, também chamadas tactóides, que acabam por alterar a estrutura do eritrócito tornando-os frágeis em função das alterações na sua membrana. Já a hemoglobina C (Hb C) é uma 
variante originada pela substituição do ácido glutâmico por lisina na posição 6 da cadeia beta da globina da hemoglobina, conduzindo a um leve distúrbio hemolítico. Os portadores da doença apresentam leptocitose 
(leptócitos, eritrócitos em forma de alvo), mas não desenvolvem anemia. 
 
A
lv
é
o
lo
s
 
Hb 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ + HCO-3 H2CO3 H2O + CO2 
H+ 
ERITRÓCITO 
Figura 5 - A Ligação do O2 ao centro heme faz com que a 
hemoglobina libere H+ adquirindo um caráter ácido, o que por sua vez 
promove o deslocamento do CO2 em suas formas carbamino-
hemoglobina e HCO-3. Esse processo é conhecido como Efeito 
Haldane. Adaptado de: Aires, MM-Fisiologia. Ed. Guanabara koogan, 1999. 
Nos tecidos periféricos onde o pH tende a ser ácidos a hemnoglobina ganha afinidade por CO2 e reduz sua afinidade 
por O2. Já no ambiente alveolar CO2 está sendo liberado para os pulmões aumentando o pH local elevando assim a 
afinidade da Hb para o oxigênio, o que facilita a captação de O2 pelo sangue a partir do ar alveolar; c) 2,3-
Bifosfoglicerato (2,3-BPG) - O acúmulo de 2,3-BPG no eritrócito reduz a afinidade da hemoglobina pelo O2, 
facilitando desse modo a transferência desse gás do eritrócito para os tecido; d) Temperatura - O aumento da 
temperatura facilita a liberação do oxigênio por parte da hemoglobina enquanto que temperaturas baixas reduz. Por 
outro lado, em situações de hipotermia induzida, as temperaturas tissulares extremamente baixas reduzem o 
consumo celular de O2. A redução da temperatura do sangue, ao mesmo tempo, aumenta a afinidade da hemoglobina 
pelo O2. 
 
Prof. Dr. Wagner de JP 
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REFERÊNCIAS 
 
Dominguez de Villota ED, Ruiz Carmona MT, RubioJJ, de Andrés S (December 1981). "Equality of the in vivo and in 
vitro oxygen-binding capacity of haemoglobin in patients with severe respiratory disease". Br J Anaesth 53 (12): 1325–
8. 
 
van Kessel et al. "2.4 Proteins - Natural Polyamides." Chemistry 12. Toronto: Nelson, 2003. 122. Print. 
Steinberg 2001, p. 95 
 
Rang, H.P.; Dale M.M., Ritter J.M., Moore P.K. (2003). Pharmacology, Fifth Edition. Elsevier. ISBN 0443072027. 
 
Hemoglobin Variants". Lab Tests Online. American Association for Clinical Chemistry. 2007-11-10. 
 
Newton DA, Rao KM, Dluhy RA, Baatz JE. (2006). Hemoglobin is expressed by alveolar epithelial cells. J Biol Chem. 
281(9):5668-76. PMID 16407281 
 
Nishi H, Inagi R, Kato H, Tanemoto M, Kojima I, Son D, Fujita T, Nangaku M. (2008). Hemoglobin is expressed by 
mesangial cells and reduces oxidant stress. J Am Soc Nephrol. 19(8):1500-8. PMID 18448584 
 
Boh, Larry (2001). Pharmacy Practice Manual: A Guide to the Clinical Experience. Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 
0781725410. 
 
Holden, Constance (30 September 2005). "Blood and Steel" (pdf). Science 309: 2160. 
 
Brunori M. Variations on the theme: allosteric control in hemoglobin. FEBS J. 2014 Jan;281(2):633-43. 
 
Ronda L, Bruno S, Bettati S. Tertiary and quaternary effects in the allosteric regulation of animal hemoglobins. Biochim 
Biophys Acta. 2013 Sep;1834(9):1860-72. 
 
Thom CS, Dickson CF, Gell DA, Weiss MJ. Hemoglobin variants: biochemical properties and clinical correlates. Cold 
Spring Harb Perspect Med. 2013 Mar 1;3(3):a011858. 
 
Mairbäurl H, Weber RE. Oxygen transport by hemoglobin. Compr Physiol. 2012 Apr;2(2):1463-89. 
 
Jones NL. An obsession with CO2. Appl Physiol Nutr Metab. 2008 Aug;33(4):641-50.