CEDERJ Proteínas VI (Proteínas Globulares - Hemoglobina e Mioglobina e )

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Proteínas VI: proteínas globulares (hemoglobina e mioglobina)
C E D E R J131
M Ó D U LO 3 - AULA 16
Proteínas VI: proteínas globulares
(hemoglobina e mioglobina)
Objetivos
Conhecer as proteínas globulares e compreender como a estrutura das pro-
teínas é completamente adaptada à sua função.
Uma pequena recapitulação...
Na aula anterior, vimos três exemplos de proteínas fibrosas: a queratina,
o colágeno e a fibroína. Estas três proteínas são mais compridas do que largas, daí
serem incluídas no grupo das proteínas fibrosas.
As proteínas fibrosas, em geral, também contêm poucos elementos de estrutura
secundária: ou são ricas em folhas β contendo poucas α-hélices, ou, ao contrário,
são ricas em α-hélices possuindo poucas folhas β. Estas proteínas dão suporte,
forma e proteção externa aos vertebrados, sendo encontradas nos pêlos, penas, seda,
tendões, matriz óssea, unhas etc., conforme você viu na aula sobre proteínas fibrosas.
Além das proteínas fibrosas, existem as chamadas proteínas globulares, que
apresentam uma forma mais arredondada. Elas são ricas em elementos de estrutura
secundária, podendo ser encontradas, na mesma proteína, as α-hélices, as voltas e
as folhas β.
Dentro deste grupo temos centenas de proteínas como a mioglobina, o
citocromo c, a álcool desidrogenase, a ribonuclease, a lisozima, a hemoglobina etc.
As proteínas globulares, em geral, são enzimas, funcionando também, como
transportadoras de outras moléculas ou como proteínas reguladoras.
Com o avanço das técnicas que permitem revelar os mínimos detalhes da
estrutura das proteínas, é possível atribuir a um determinado aminoácido ou
grupo de aminoácidos a responsabilidade pelo papel da proteína.
Nesta aula, para falar sobre as proteínas globulares, tomaremos a
hemoglobina e mioglobina como exemplos demonstrativos.
MIOGLOBINA E
HEMOGLOBINA
Função de transporte.
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BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
Mioglobina e Hemoglobina: solução para o transporte do
oxigênio nos seres multicelulares
A hemoglobina e a mioglobina são as proteínas responsáveis pelo transporte
de oxigênio em nosso corpo. A hemoglobina está presente nos glóbulos vermelhos
(hemácias) e sua função é a de carregadora de oxigênio no sangue, desempenhando,
também, um papel vital no transporte de dióxido de carbono (CO
2
) e hidro-
gênio (H), conforme veremos mais à frente. Já a mioglobina é encontrada nos
músculos e tem como função distribuir oxigênio a este tecido.
O oxigênio é um gás que não se dissolve facilmente em soluções aquosas, o
que dificulta seu transporte de forma livre para os tecidos. Esta característica do
oxigênio obrigou os organismos multicelulares, em sua evolução, a contar com
proteínas que pudessem transportá-lo em meio aquoso. Com esta estratégia, eles
puderam aumentar de tamanho, ou seja, passar de poucas células para muitas
células. Além disso, era necessário também que aparecesse uma molécula transpor-
tadora de oxigênio que se ligasse a ele com grande afinidade mas que, no lugar de
destino (no caso, os tecidos), dele se desligasse facilmente. Em outras palavras,
a ligação deveria ser reversível.
Dos vinte aminoácidos que conhecemos, nenhum deles é capaz de se ligar
reversivelmente ao oxigênio. Desta forma, as proteínas compostas apenas
por aminoácidos não poderiam desempenhar a função de agente transpor-
tador de oxigênio.
Alguns metais como o ferro e o cobre são ótimos transportadores de oxigênio.
Pronto! Bastaria, então, que os organismos utilizassem o ferro ou cobre como
transportadores, que o problema estaria resolvido. Infelizmente, isto não é possível.
A ligação do oxigênio ao ferro gera radicais que são altamente danosos ao DNA e
às proteínas, como por exemplo, os radicais hidroxila.
Que pena... A natureza, então, não poderia usar esses metais, na sua forma
livre, para desempenhar a função de transporte, pois não se poderia resolver um
problema criando outros...
No entanto, veja como este problema foi solucionado.
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Figura 16.1: Heme e a protoporfirina.
O grupamento heme
Parte da solução veio quando o ferro associou-se a um grupo conhecido
como heme. Dizemos que o heme é o grupo prostético da hemoglobina e da
mioglobina. Grupos prostéticos são porções não protéicas de uma proteína que
estão intimamente envolvidos com a função da mesma.
No heme, o ferro fica "seqüestrado", isto é, fica escondido, tornando-se me-
nos reativo. Veja a Figura 16.1.
O heme é formado por anéis orgânicos denominados protoporfirina aos quais
se liga apenas um átomo de ferro no estado ferroso (Fe2+), Figura 16.1.
É interessante notar que o ferro faz quatro ligações (coordenações) com os
nitrogênios da porfirina, mas duas ligações ficam livres; exatamente uma delas é a
que deve ser ocupada pelo oxigênio a ser transportado.
O ferro, quando está no estado Fe2+, é capaz de ligar oxigênio reversivelmente.
Entretanto, no estado Fe3+ (férrico), não apresenta mais esta capacidade.
Os nitrogênios presentes na porfirina, devido ao seu caráter de doador de
elétrons, evitam a conversão do Fe2+ em Fe3+, o que seria fatal para o bom
funcionamento do heme. Lembre que 2+ significa que o ferro perdeu dois elétrons
e, por isso, apresenta duas cargas positivas.
Agora que conhecemos o heme, e sabemos o quão especializado ele é para
transportar o oxigênio, poderíamos pensar que este seria o grupamento escolhido
pela natureza para transportar este gás, na sua forma livre, pelo corpo dos organismos.
Mas não é isso que ocorre.
Histidina prende o
heme à proteína.
Forma desoxigenada =
forma sem oxigênio.
Forma oxigenada =
forma ligada ao
oxigênio.
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BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
Em Bioquímica II, você
verá que o oxigênio é
essencial na Cadeia de
Transporte de Elétrons.
Figura 16.2:
O grupo heme
na mioglobina.
Infelizmente, quando o oxigênio ocupa uma das duas ligações livres do ferro
no heme, ele pode converter Fe2+ em Fe3+, o que torna o heme incapaz de transportar
o oxigênio, isto porque Fe3+ (átomo de ferro sem três elétrons) não é capaz de se
ligar ao oxigênio. E agora? Como solucionar este problema?
A solução veio quando um determinado grupo de proteínas associou-se ao
heme, colocando-o bem no centro da sua estrutura. Umas das ligações livres
(valências) do ferro faz, então, a interação com um aminoácido da proteína. No
caso da hemoglobina, este aminoácido é a histidina que liga o ferro a um de seus
nitrogênios. A outra ligação fica livre para receber o oxigênio, que ao se ligar ao
heme muda os arranjos dos seus elétrons.
Essa mudança eletrônica resulta em uma alteração de cor do heme, que
passa de vermelho escuro, na forma desoxigenada, para o vermelho vivo, na forma
oxigenada. Essa diferença de cor pode ser percebida se compararmos o sangue
arterial, rico em oxigênio, com o sangue veno-
so, pobre em oxigênio.
É importante ressaltar que outros gases,
como o CO (monóxido de carbono), se ligam ao
heme com maior afinidade que o oxigênio. Quando
o CO se liga ao heme, ele exclui o oxigênio. Isto
explica por que o CO é tão tóxico aos organismos
aeróbicos. O fato de o heme ficar protegido den-
tro de proteínas faz com que o acesso do CO e
de outras moléculas pequenas seja restrito.
Assim, o ferro preso a anéis (protoporfirina)
formando o heme, que por sua vez fica mergu-
lhado no interior de uma proteína, garante que o
transporte de oxigênio seja feitoda melhor maneira possível, pois com isto: a) não há
conversão do Fe2+ em Fe3+, o que inviabilizaria o transporte do oxigênio; b) não há
formação de radicais tóxicos que são danosos a outras moléculas da célula; c) é
possível limitar o acesso de determinadas moléculas ao heme.
Veja a seqüência:
Enfim, graças à hemoglobina e à mioglobina conseguimos, com grande
eficiência, fazer o oxigênio viajar pela corrente sangüínea, chegar aos nossos teci-
dos e ser entregue às células para que elas o aproveitem na respiração celular.
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A hemoglobina é
encontrada nas
hemácias.
Mioglobina
A mioglobina é uma das proteínas mais simples que transporta oxigênio.
Ela é particularmente abundante nos músculos de mamíferos que mergulham,
como focas e baleias, pois é capaz de reter o oxigênio por longos períodos de
tempo, enquanto o animal está submerso.
A mioglobina contém 153 aminoácidos, apenas uma molécula de heme e
possui oito α-hélices, cada uma recebendo como denominação uma letra do alfabeto:
de A até H (Figura 16.3).
Figura 16.3:
Estrutura da
Mioglobina.
Hemoglobina
A hemoglobina é encontrada nos eritrócitos do sangue (hemácias).
Um fato curioso sobre essas células é que elas possuem uma grande quantidade
de hemoglobina em seu interior. Para desempenharem melhor sua função de célu-
las transportadoras de oxigênio, os eritrócitos perderam suas organelas, tais como:
núcleo, mitocôndria e retículo endoplasmático.
Desta forma, poderíamos dizer que as hemácias são "um saco" cheio de
hemoglobina! Como elas perderam o núcleo, não podem se dividir. Na verdade, uma
hemácia humana vive em torno de quatro meses e depois é eliminada pelo organismo.
A hemoglobina é uma proteína tetramérica, isto é, possui quatro subunidades
e quatro grupos hemes cada um ligado a uma destas subunidades. Ela possui duas
subunidades ditas α e duas β sendo, então, denominada (α
2
β
2
). Desta forma, a
hemoglobina transporta quatro moléculas de oxigênio de cada vez.
Diferente da mioglobina, a hemoglobina transporta prótons e CO
2
, além
do oxigênio.
A hemoglobina é
um tetrâmero.
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BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
A relação entre a estrutura da proteína e suas ligações
• CO
Conforme já vimos, o heme é capaz de ligar CO e oxigênio. Obviamente, o que
interessa aos tecidos é que ele se ligue ao oxigênio e realize o seu transporte, pois é
ele o gás necessário às reações da célula. Se a mioglobina ou a hemoglobina se
ligarem ao CO elas deixam de transportar o oxigênio, causando morte por asfixia.
Vamos ver, então, como a hemoglobina favorece a ligação com o oxigênio
em detrimento da ligação com o CO.
O heme livre liga CO com 20.000 vezes mais afinidade do que liga oxigênio.
Entretanto, quando está ligado à mioglobina, o heme liga CO 200 vezes melhor do
que liga o oxigênio. Essa diferença pode ser entendida se olharmos mais de perto
como esses dois gases se ligam ao heme. Veja a Figura 16.4.
Figura 16.4: Ligacão do O
2 
e do CO ao heme.
Observe a Figura 16.4. A ligação do oxigênio ao ferro do heme faz uma espécie
de dobra. Quando CO se liga ao heme a ligação é linear. Diante disso, a que conclusão
você pode chegar? Perceba que quando o CO se liga ao heme, ele precisa de "mais
espaço" do que o oxigênio para se acomodar, já que fica reto e não dobrado.
Quando o heme está "mergulhado" na mioglobina, devemos lembrar que
existem vários aminoácidos ao redor dele. Um deles é a histidina 64 (conhecida
como histidina distal) que não se liga diretamente ao ferro, mas fica próxima ao
heme, formando uma espécie de "telhado" sobre o átomo de ferro deste grupo.
Isto tem implicações muito importantes, pois como a ligação do CO neces-
sita de muito espaço para que a molécula se acomode (Figura 16.4), a presença da
histidina que forma este "telhado", dificulta a ligação.
O mesmo não acontece quando oxigênio se liga, pois conforme vimos, ele
se liga formando uma dobra, e aí o "telhado" (histidina 64) não atrapalha. Tal fato
explica porque o heme quando ligado a mioglobina perde tanta afinidade pelo CO.
Ainda bem que é assim, você não acha?
O processo que acabamos de descrever também se aplica à hemoglobina.
Ligação ao gás
monóxido de
carbono (CO)
O papel da histidina 64,
histidina distal: dificultar
a ligação de CO.
1 angstrom = 10-10m =
0,0000000001 m
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• Oxigênio
E com relação ao oxigênio? Como ele consegue chegar dentro da prote-
ína e encontrar o heme?
A resposta para isto é bastante curiosa, pois pressupõe que as proteínas não
sejam tão rígidas como pensávamos.
Na verdade, as proteínas são maleáveis e parecem até que "respiram", isto
é, elas incham e desincham. Claro que esses movimentos são da ordem de angstrons,
mas são suficientes para que uma molécula pequena, como a do oxigênio, que está
do lado de fora, entre no miolo da proteína.
No caso da hemoglobina, que transporta quatro oxigênios, a ligação do primeiro
oxigênio causa uma mudança na conformação da proteína aumentando a afinidade
pelo segundo oxigênio. Assim, este segundo oxigênio quando se liga, causa novas
mudanças que resultam no aumento progressivo da afinidade da proteína pelo seu
ligante, no caso, o oxigênio.
Este tipo de ligação é chamado de cooperativa, isto é, a ligação de um
ligante coopera com a ligação do próximo ligante. Por isso, dizemos que a
hemoglobina é uma proteína alostérica. Proteínas alostéricas são aquelas
nas quais a ligação de um ligante altera a afinidade da proteína pelos de-
mais ligantes.
As análises cristalográficas da hemoglobina, nas formas oxigenada e
desoxigenada, revelaram alterações importantes de estrutura, explicando como a
entrada do primeiro oxigênio facilita a entrada do segundo e assim por diante
(cooperatividade).
Aqui temos um exemplo claro de como a determinação da estrutura de uma
certa proteína, em diversos estados de ocupação, permite compreender o seu me-
canismo de funcionamento.
Como isto se processa?
Quando o ferro, sem oxigênio, está preso ao heme, ele fica levemente acima
do plano dos anéis do heme (Figura 16.5). Entretanto, quando o primeiro oxigênio
se liga ao ferro, ele o puxa de tal forma que acaba deixando-o no mesmo plano do
heme. Como o ferro está ligado à histidina 8 da cadeia F, a ligação do primeiro
oxigênio acaba aproximando a proteína do grupamento heme. Como conseqüência,
toda a proteína sofre um rearranjo quando o primeiro oxigênio se liga ao ferro,
ficando mais "esticada". Nesta nova conformação, os demais oxigênios podem se
ligar com mais facilidade, pois a proteína já está "esticada" para recebê-los.
Resumindo, o primeiro oxigênio quando se liga muda de tal forma a estrutu-
ra da proteína que ela passa a se ligar melhor aos demais oxigênios.
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• CO
2
Conforme mencionamos, a hemoglobina também liga CO
2
. Como isto acon-
tece?
As nossas células produzem CO
2
 como resultado do metabolismo. Par-
te deste CO
2
 é transformado em bicarbonato (HCO
3-
) pela anidrase carbônica,
uma enzima que está dentro das hemácias:
Observamos a seguir que os H+ gerados por esta reação são transportados pela
hemoglobina como parte do Efeito Bohr do qual falaremos mais adiante. O restante
do CO
2
 que não é transformado embicarbonato pela anidrase carbônica é, então,
transportado pela hemoglobina até os pulmões.
O CO
2
 se liga às aminas terminais da hemoglobina diminuindo sua afinida-
de pelo oxigênio.
Lembre-se de que todas as proteínas possuem um grupamento dito amino
terminal (NH
2
) e outro dito carboxi-terminal (COOH). O amino terminal é o
primeiro aminoácido da proteína e o carboxi, o último.
• O Efeito Bohr
A ligação do oxigênio à hemoglobina depende do pH. O mesmo não ocorre
no caso da mioglobina. Quanto mais ácido o pH, mais facilmente o oxigênio se
desliga da hemoglobina.
Da mesma forma, se a quantidade de CO
2
 aumenta, diminui a afinidade da
hemoglobina pelo oxigênio.
Estes fatos têm grande relevância quando lembramos de algumas situações
metabólicas como, por exemplo, o músculo em contração. Nesta situação, a quanti-
dade de CO
2
 e ácidos é muito alta devido à intensa atividade realizada pela célula
muscular. O baixo pH, promovido pela liberação de ácidos, e a alta concentração de
CO
2
 fazem com que a hemoglobina, próxima aos tecidos, libere o oxigênio.
Figura 16.5: Movimento de ferro provocado pela oxigenação.
CO
2
 + H
2
O HCO3– + H+
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Isto é muito importante, pois as células musculares necessitam deste gás
quando estão em intensa atividade. Este mecanismo foi descoberto em 1904 por
Christian Bohr.
No caso dos pulmões saturados de oxigênio, ocorre o contrário. O H+ e o
CO
2
, vindos dos tecidos unidos à hemoglobina, são liberados para a entrada de
oxigênio. Veja o esquema:
Um outro achado curioso foi a descoberta, feita por Reinhold Benesch e
Ruth Benesch em 1967, do 2,3 bifosfoglicerato (BPG), uma molécula presente
dentro das hemácias, capaz de alterar a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.
Esta descoberta foi importante, pois não se compreendia por que a afinidade
da hemoglobina pelo oxigênio em solução era diferente da afinidade da hemoglobina
pelo oxigênio na hemácia.
Estes pesquisadores imaginavam que haveria um modulador da afinidade da
hemoglobina dentro da célula. Este modulador é o BPG, que se liga à hemoglobina
e diminui tal afinidade em torno de 26 vezes. Trata-se de um importante mecanismo
que possibilita a hemoglobina se desligar do oxigênio e entregá-lo aos tecidos.
Hemoglobina Fetal
Você já se perguntou como se dá a transferência de oxigênio entre a mãe e o
feto em gestação?
Imagine que o feto deva receber oxigênio vindo da mãe. Para que isto ocorra
de forma eficiente, é necessário que a hemoglobina da mãe se desligue do oxigênio
e o entregue para a hemoglobina do feto. Se as duas hemoglobinas são idênticas,
esta transferência não se processa de forma eficiente.
Hb + O
2 
 para ostecidos
H+
CO
2
Nos músculos em contração
Hb + H+ + CO
2
 para o exterior
A hemoglobina libera o CO
2
 e H+ e se liga ao oxigênio
Nos alvéolos pulmonares
O
2
A hemoglobina libera o oxigênio para o músculo e se liga ao CO
2
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BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
É necessário que elas apresentem diferentes afinidades pelo oxigênio para
que a entrega e a recepção do gás sejam favorecidas. E é isto que ocorre.
Os fetos apresentam um outro tipo de hemoglobina chamada de hemoglobina
fetal (hemoglobina F) que possui maior afinidade pelo oxigênio. Estas duas for-
mas de hemoglobina, a fetal e a não fetal (também conhecida como hemoglobina
A), são ditas isoformas, já que são duas formas da mesma proteína, no caso a
hemoglobina.
O que faz a hemoglobina fetal ter maior afinidade pelo oxigênio que a
hemoglobina não fetal? É a afinidade pelo BPG, que na F é bem menor do que na A.
Desta forma, o oxigênio se liga à hemoglobina F com mais afinidade que à
hemoglobina A, já que o BPG diminui, no caso da A, a afinidade pelo oxigênio.
Enfim, muitas coisas já se sabe acerca da hemoglobina e da mioglobina.
O mais importante é que o conhecimento da estrutura atômica destas proteínas,
em vários estados de ocupação (ligada ao oxigênio, ligada ao CO, ligada ao BPG
etc), permitiu que se conhecessem os aminoácidos envolvidos nessas ligações.
Estas informações, quando combinadas aos estudos em laboratório, realizados
em tubo de ensaio ou observações feitas nas células, permitiram estabelecer a
questão mais relevante dentro da bioquímica moderna de proteínas: conhecer como
a estrutura determina a função de uma proteína.
Resumo
Nesta aula você conheceu um pouco mais sobre proteínas e desco-
briu que além das proteínas fibrosas, existem as chamadas proteínas
globulares. Você aprendeu que graças à hemoglobina e à mioglobina
(exemplos de proteínas globulares) é possível fazer o oxigênio viajar
pela corrente sangüínea, chegar aos nossos tecidos e ser entregue às
células para que elas o aproveitem na respiração celular.
Neste processo de transporte de oxigênio você conheceu os grupos
prostéticos – porções não protéicas de uma proteína, identificando
a relação entre estrutura da proteína e sua função.
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Exercícios
1. O ferro na mioglobina possui duas ligações (coordenações) livres. Quando o
oxigênio se liga, essas ligações ficam ocupadas com:
a) duas moléculas de oxigênio.
b) um oxigênio e um grupo heme.
c) uma molécula de oxigênio e um átomo do aminoácido.
2. A interação alostérica entre um ligante e sua proteína é aquela na qual:
a) dois ligantes diferentes podem se ligar no mesmo sítio.
b) a ligação do ligante à proteína é covalente.
c) a ligação de uma molécula em um determinado sítio afeta a ligação de outra
molécula no mesmo sítio.
d) a ligação de uma molécula em um determinado sítio afeta a ligação de outra
molécula em outros sítios.
3. No que diz respeito ao 2,3 - bifosfoglicerato (BPG), qual das sentenças abaixo
não está correta?
a) BPG aumenta a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.
b) BPG é um modulador alostérico.
c) BPG se liga à hemoglobina fetal com menor afinidade do que à hemoglobina de
adultos.
d) BPG não se liga ao grupamento heme da hemoglobina.
4. Explique com suas palavras por que os organismos multicelulares usam proteínas
que contêm ferro para o transporte de oxigênio em vez de ferro livre.
5. Por que o monóxido de carbono é tão tóxico aos organismos aeróbicos?
6. Qual o efeito do pH (acidificação) na ligação do oxigênio à hemoglobina
(Efeito Bohrn)?
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