bioquímica da Respiração e equilíbrio ácido-base 2009-2 - PB

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Universidade Federal de Santa Catarina
Centro de Ciências Biológicas
Departamento de Bioquímica
Química da Respiração e equilíbrio ácido-base
Marcelo Farina
Bioquímica da Respiração - Proteínas Ligantes de O2
• O oxigênio é pouco solúvel em água (plasma)
• Necessita-se de proteínas (Mioglobina e Hemoglobina)
• A interação de oxigênio com aminoácidos é impossível
• Metais de transição (Fe, Cu)
• Grupo prostético - hemeproteínas
Grupo heme das hemeproteínas
- Fe geralmente no estado 2+
- Tanto na Hb quanto na Mb
Grupo heme das hemeproteínas
- O grupo heme visto de lado
A estrutura da mioglobina
• Monomérica
• 8 alfa-hélices (A-H)
• Regiões não-helicoidais 
(AB, CD, EF)
• Armazenamento de O2
• Afinidade por O2???
Mioglobina – Constante de dissociação
(a) Curva hipotética de um ligante (L)
(b) Curva de ligação do O2 a Mb
θ = sítios de ligação acupados/sítios totais de ligação
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Constantes de dissociação
Valores baixos de Kd significam uma alta afinidade do ligante pela proteína
A estrutura da hemoglobina
• Tetramérica
• Duas cadeias alfa e 
duas beta
• Rica em alfa-hélices
• 4 grupos heme
• Transporte de O2
• Afinidade por O2???
Interações entre subunidades da hemoglobina
• α1β1 interface: cerca 
de 30 aminoácidos
• α2β2 interface: idem
• Tratamento com uréia: 
desestruturação do 
tetrâmero
• Interações hidrofóbicas, 
pontes de hidrogênio e 
interações iônicas
Interações que 
estabilizam o 
estado T da 
desoxihemoglobina
- A primeira molécula de O2 liga-se fracamente à desoxi-Hb
- Sua ligação leva a uma alteração conformacional nas unidades adjacentes
- A afinidade por O2 é aumentada (T ⇒ R)
- A quarta molécula de O2 que se liga ao heme da Hb liga-se com maior 
afinidade 
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Efeitos da cooperatividade positiva
- Curva sigmóide
- 96% sat nos pulmões
- 64% sat nos tecidos
Fatores que afetam a afinidade da Hb por O2
• O oxigênio 
• pH
• CO2
• 2,3 bifosfoglicerato
Efeito do pH sobre a afinidade da Hb por O2
• A hemoglobina e as proteínas séricas apresentam 
elevado conteúdo de aminoácidos HISTIDINA, capazes 
de tamponar os íons H+ devido ao seu radical imidazol
• O segundo tampão mais importante do sangue
H+ + HbO2 ↔ HHb + O2 ↔ HbO2 + H+
• O pH do sangue venoso é mais ácido que o do sangue 
arterial 
• A diminuição do pH (⇑ H+) induz a liberação de O2 nos 
tecidos
Efeito do CO2 sobre a afinidade da Hb por O2
CO2 transportado como: - CO2 7%
- Hb.CO2 23%
- HCO3- 70%
Efeito do pH e CO2 sobre a afinidade da Hb por O2 Transportadores e o equilíbrio iônico/hídrico
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Efeito do 2,3-bifosfoglicerato sobre a 
afinidade da Hb por O2
- O 2,3-BFG diminui a afinidade da Hb por O2
- A [2,3-BFG] no eritrócito aumenta durante a 
hipóxia e baixa oxigenação (5 ⇒ 8 mM)
- Seu sítio de ligação na Hb está na cavidade entre 
as subunidades β
- Hb fetal tem baixa afinidade por 2,3-BFG (α2γ2)
Efeito do 2,3-bifosfoglicerato sobre a 
afinidade da Hb por O2
Efeito do 2,3-bifosfoglicerato sobre a 
afinidade da Hb por O2
Intoxicação por monóxido de carbono Hemoglobina Fetal e Materna
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Equilíbrio ácido-base
O controle da concentração de íons 
HIDROGÊNIO é essencial para as 
funções celulares normais, como nas:
• reações enzimáticas;
• reações importantes que geram ou consomem 
íons hidrogênio (oxidação-redução);
• conformação dos componentes estruturais 
biológicos;
• captação e liberação de OXIGÊNIO pela 
hemoglobina; 
Os íons HIDROGÊNIO estão presentes nos 
líquidos corporais em concentrações 
extremamente baixas.
[ H +] = 40 nmol / L (nM) = pH 7,4 
0,00004 mmol / L = 4 X 10 –5 mmol / L
[ Na+] = 142 mmol / L
OBS: pH = - log [H+]
OBS: Os pHs intracelulares dependem com o tipo de células.
•Ácido Ö substância capaz de doar íons 
HIDROGÊNIO (H2CO3 e NH4+)
•Base Ö substância capaz de receber íons 
HIDROGÊNIO (HCO3 - e NH3) 
•Sistema Tampão Ö formado por um 
ácido e uma base a ele conjugada, 
capazes de receber ou doar íons H+ , 
impedindo grandes alterações do pH
O tampão bicarbonato/ácido carbônico
Equação de Henderson-Hasselbach
pH = pK + log HCO3-
H2CO3 ↔ α PCO2
pK = 6,1
[HCO3-] = 24 mM
[H2CO3] = 1,2 mM ↔ (pCO2 = 40 mm Hg)
Processos metabólicos endógenos 
adicionam ácidos
• Metabolismo (oxidação) de carboidratos e gorduras da alimentação ÖÖ
CO2 = 15.000 mmol / dia 
ª ácido volátil 
• Metabolismo de proteínas e outras substâncias, produzindo ácidos: 
A) Corpos Corpos cetônicoscetônicos produzidos a partir da cetogênese hepática;
B) ÁÁcido cido úúricorico produzido a partir da degradação das purinas;
C) ÁÁcido lcido lááticotico produzido a partir do metabolismo anaeróbico.
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A concentração de íons HIDROGÊNIO e o valor de pH
varia muito pouco, sendo compatível com a vida:
ACIDOSE NORMAL ALCALOSE
6,8 7,4 7,8
160 nM 40 nM 16 nM
pH arterial ÆÆÆ 7,35 a 7,45 ( média = 7,4 )
pH > 7,45: ALCALOSE Ð [ H +]
pH < 7,35: ACIDOSE Ï [ H +]
A RESPOSTA DO CORPO A ESSAS SOBRECARGAS 
DE ÁCIDOS E BASES OCORRE EM 3 ETAPAS:
1a Tamponamento químico pelos tampões 
intra e extracelulares - SISTEMAS TAMPÕES
2a Alterações na ventilação alveolar para 
eliminar ou reter CO2 - SISTEMA PULMONAR
3a Alterações na excreção renal de íons 
H+ para regular a concentração plasmática de 
HCO3- - SISTEMA RENAL 
Principais tampões químicos
• Bicarbonato / Ácido carbônico
• Hemoglobina / Oxihemoglobina
• Proteínas plasmáticas
• Fosfatos Inorgânicos (HPO42- , H2PO4- ) e 
Orgânicos 
BICARBONATO - Extra e Intracelular – Ação imediata
 Sal de uma base forte Ö NaHCO3 , KHCO3 , ...
dissocia-se em Na+ e HCO3-
 Concentração plasmática Ö 22 a 26 mmol / L
 Capacidade de Tamponamento Ö 53 %
 Proporção Ö 20 : 1
HCO-3 : H2CO3 
Ácido forte no LEC Æ libera H+ + HCO3- ↔H2CO3 
( ácido fraco )
Base forte no LEC Æ libera OH- + H2CO3 ↔H2O + HCO3-
( base fraca )
Sistema tampão hemoglobina – Ação imediata
O segundo tampão mais importante do sangue
 Este sistema está localizado nos eritrócitos;
 A hemoglobina capta íons H+ da seguinte forma:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+
H+ + Hb+ ↔ HHb+ + O2 ↔ HbO2 + H+
 A hemoglobina e as proteínas séricas apresentam 
elevado conteúdo de aminoácidos HISTIDINA, capazes de 
tamponar os íons H+ devido ao seu radical imidazol;
 Além disso, a hemoglobina transporta CO2 do sangue. 
CO2 transportado como: - CO2 7%
- Hb.CO2 23%
- HCO3- 70%
A Histidina como tampão
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Relação bicarbonato – hemoglobina – CO2 Tampão fosfato – principal tampão urinário 
Tampões químicos e suas percentagens de 
tamponamento no sangue
• Bicarbonato/Ácido carbônico plasma 35
• Bicarbonato/Ácido carbônico hemácia 18
• Hemoglobina/Oxihemoglobina 35
• Proteínas plasmáticas 07
• Fosfatos Inorgânicos 02 
• Fosfatos Orgânicos 03 
Sistema pulmonar
Ação Ö imediata e intensa (minutos a horas), 
quase simultaneamente com os tampões químicos. 
Elimina 15.000 mEq / dia de CO2
Regulação do pH - [ H+ ] 
-pelas áreas quimiossensíveis do Centro 
Respiratório Bulbar (CRB), dependente do pH 
intersticial (concentração de H+)
Estímulo da Respiração Ö HIPERVENTILAÇÃO 
redução da pO2 Ö Hipoxemia < 80 mm Hg
elevação da pCO2 Ö > 45 mm Hg
Inibição da Respiração Ö HIPOVENTILAÇÃO 
elevação da pO2 Ö > 95 mm Hg 
redução da pCO2 Ö < 35 mm Hg 
pCO2 arterial = 35 a 45 mm Hg 
pO2 arterial = 80 a 95 mm Hg
Sistema Renal
Ação Ö lenta e contínua: elimina ácidos metabólicos 
(sulfúrico, fosfórico, lático, úrico, β-hidroxibutírico). 
Regula pH do organismo da seguinte forma: 
• Secretando íons H+;
• Reabsorvendo o bicarbonato filtrado;
• Pela ação de tampões urinários (fosfato e amônia).
Mecanismos de regulação:• ⇑ [H+] LEC: ⇑ a excreção de H+ na urina e a reabsorção de 
bicarbonato; 
• ⇓ [H+] LEC: ⇑ a reabsorção ou retenção de H+
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Reabsorção de Bicarbonato Reação do íon hidrogênio secretado com o 
fosfato filtrado
Reação do íon hidrogênio secretado com a 
amônia formada pelas células tubulares – pK 9,3
Desordens do Equilíbrio Ácido-Básico
Definições Ö as desordens do equilíbrio ácido-
básico são classificadas de acordo com suas causas: 
• Respiratória
• Metabólica
São consideradas em termos da equação de 
Henderson-Hasselbach: 
pH = pK + log HCO3-
αPCO2
Componente Metabólico
Componente Respiratório
BASE PARA A COMPENSAÇÃO
Acidose Metabólica
Definições Ö Acúmulo anormal de ácidos orgânicos 
(ác. lático, ác. β-hidroxibutírico, ác. acetoacético)
⇓ HCO3- sem alterar PCO2
• Ex: Cetoacidose diabética
• Ex: Perda de bicarbonato (diarréia)
Respostas Fisiológicas:
- Hiperventilação
- Aumento da excreção de H+ pelos rins. 
Acidose Respiratória
Definições Ö Acúmulo anormal de CO2 pela 
incapacidade do pulmão de excretá-lo
• Ex: Edema pulmonar
• Ex: Morfina, barbitúricos
Respostas Fisiológicas:
- Aumento da reabsorção de bicarbonato pelos rins.
- Aumento da excreção de H+ pelos rins. 
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Alcalose Metabólica
Definições Ö Aumento da concentração de HCO3-
sem alterar PCO2
• Ex: Excessiva administração de bicarbonato 
• Ex: Aumento da reabsorção de bicarbonato 
(alcalose hipoclorêmica)
Respostas Fisiológicas:
- Diminuição da freqüência respiratória.
- Aumento da excreção de bicarbonato pelos rins. 
Alcalose Respiratória
Definições Ö Diminuição da PCO2 quando a 
respiração é estimulada.
• Ex: Histeria, choro excessivo, gravidez, déficits 
neurológicos, uso excessivo de respirador 
mecânico 
Respostas Fisiológicas:
- Aumento da excreção de bicarbonato pelos rins. 
Interação dos sistemas pulmonar, bicarbonato e renal Diagrama pH-bicarbonato:
Isobárica de CO2 de 40 mm Hg
Distúrbios respiratórios Distúrbios metabólicos
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FIM