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HEMOGLOBINA

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HEMOGLOBINA
Carolina Córdula
HEMOGLOBINA
Estrutura
Afinidade pelo O2
Ontogenia
Anemia Falciforme
O que é a Hemoglobina?
PROTEÍNA
Células: Fábricas
Proteínas: Operárias
Inner life of a cell
5
Hemoglobia e Mioglobina
Primeiras proteínas com estrutura tridimensional resolvidas
Essas duas proteínas ilustram quase todos os aspectos de um processo central da bioquímica:
interação reversível de um ligante a uma proteína
6
HEMOGLOBINA
A Hemoglobina é uma proteína formada por 4 cadeias polipeptídicas (globinas): 
duas cadeias a (141aa) e duas b (146aa).
Max Perutz e John Kendrew resolveram a estrutura 3D (cristal) da hemoglobina em 1959
HEMOGLOBINA:
Microscopia Eletrônica
Cada globina do tetrâmero carrega um grupo heme, responsável pela ligação do oxigênio 
HEMOGLOBINA E HEME
 O heme das globinas é responsável pela ligação ao oxigênio. 
Fe++ Fe++.O2
HEME
Heme consiste em um complexo anel orgânico, chamado protoporfirina, dentro do qual um átomo de ferro é ligado em sua forma ferrosa (Fe2+)
HEME
6 ligações de coordenação: 
4 ligações planares com os nitrogênios dos anéis pirrólicos da protoporfirina (mantém Fe2+)
2 ligações perpendiculares ao plano
 A 5ª ligação é permanentemente ocupada com um dos N imidazólico da histidina F8 (proximal). A sexta coordenação pode ser ocupada pelo oxigênio, ou pela histidina E7 (distal) nas globinas desoxigenadas.
Fe2+ liga oxigênio reversivelmente; Fe3+ não liga oxigênio
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A Hemoglobina, composta por quatro cadeias polipeptídicas (dois dímeros ab), é uma proteína transportadora de oxigênio.
apresenta afinidade variável por O2
1 heme = 1 O2
A Mioglobina, composta por uma cadeia polipeptídica, é uma proteína armazenadora de oxigênio presente no tecido muscular de mamíferos. 
 
apresenta alta afinidade por O2
HEMOGLOBINA X MIOGLOBINA
A mioglobina da baleia cachalote é uma proteína monomérica de 153 aminoácidos composta por 7 segmentos de a-hélice, denominados de A a H. As globinas apresentam um bolsão (fenda) hidrofóbico no qual se aloja o grupo prostético heme.
1958: Estrutura da Mioglobina, sperm whale, Kendrew et al.
Histidina
14
15
HEME
 A Mioglobina (Mb) tem a curva hiperbólica, e atinge 50% de saturação (p50) com uma pO2 de ~1 torr.
 A Hemoglobina (Hb) tem a curva sigmóide, indicando alosteria ou cooperativadade entre suas subunidades. Sua pO2 é de ~ 26 torr e sua afinidade pelo O2 varia com o grau de saturação da molécula.
Observe os valores da pO2 venosa (nos tecidos) e arterial (nos pulmões).
 A diferença de afinidade por O2 faz com que nos tecidos, a Mb fique 100% saturada, enquanto que a saturação da Hb diminui a ~55%, liberando de 1 a 2 moléculas de O2.
Essa diferença de comportamento está de acordo com a função de armazenamento de O2 da Mb e de transporte de O2 pela Hb.
Curva de Saturação
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ALTERAÇÕES COMFORMACIONAIS
A hemoglobina passa por várias alterações conformacionais na transição do estado desoxigenado para oxigenado.
Oxi
Desoxi
Ligação de O2 em T state leva a mudanças conformacionais para o R state.
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Observar os movimentos da cadeia b em relação ao Heme. A histidina 92 é a F8 proximal.
Alterações conformacionais da hemoglobina A durante a transição do estado oxigenado para desoxigenado
Observar a expansão da cavidade central do tetrâmero e as mudanças nos contactos entre as subunidades
Ligação Cooperativa
As alterações conformacionais que ocorrem nas cadeias globínicas da hemoglobina na transição oxigenação-desoxigenação são transmitidas de uma cadeia a outra, através de contactos nas interfaces das subunidades.
Esse fenômeno é a base molecular da cooperatividade, uma forma de alosteria característica de proteínas oligoméricas. Por ser monomérica, a mioglobina não tem essa propriedade.
A primeira molécula de O2 que interage com a desoxihemoglobina se liga fracamente, porque se liga à subunidade no estado T.
Esssa ligação leva a mudanças conformacionais que são passadas para as subunidades adjacentes, tornando mais fácil a adição das próximas moléculas.
A última molécula de O2 (quarta) se liga ao heme em uma subunidade que já está no estado R.
A cooperatividade na transição oxigenação-desoxigenação da hemoglobina é a causa de sua curva de saturação ter aspecto sigmóide, e uma das razões da afinidade variável da hemoglobina pelo oxigênio.
Interações entre subunidades monoméricas da proteína podem permitir uma alta sensibilidade a pequenas mudanças na concentração de O2. 
Carboxihemoglobina (COHb)
250 x mais afinidade pela Hb do que O2
10% - no symptoms
15% - dor de cabeça mediana
20-30% - dor de cabeça severa, nausea, enjoo, confusão
30-50% - sintomas neurológicos, perda de consciência, coma
55%-60% - morte
Após 1-2 ligações de CO, afinidade da Hb à O2 aumenta substancialmente
Vários mecanismos regulam a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio. 
efeito Bohr
2,3-Bifosfoglicerato
O efeito Bohr é a modulação da afinidade da Hb por O2 pelo pH do meio, facilitando a desoxigenação da Hb nos tecidos.
O sangue venoso é mais ácido do que o arterial, pela presença de CO2 vindo dos tecidos. Este forma ácido carbônico H2CO3, que se dissocia liberando H+ para o meio.
A curva ao lado mostra como a % de saturação da Hb diminue em função do pH do meio. 
Para a mesma pO2, a saturação da Hb diminue de 45% em pH 7,6 para 22% em pH 7,2.
Vários mecanismos regulam a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio. 
O efeito Bohr é um dos mais importantes em termos fisiológicos.
25
H
H+
HEMÁCIAS
 PLASMA
TECIDOS
Nos tecidos, a pO2 é de 25 a 40 torr e o pH ligeiramente mais ácido (7,2-7,3). O CO2 produzido difunde-se para o plasma e para as hemácias.
Nas hemácias, o CO2 é convertido a H2CO3 pela enzima anidrase carbônica.
O H2CO3 se dissocia no íon bicarbonato HCO3- e um próton H+. Parte do HCO3- (~60%) difunde para o plasma, onde constitue o principal sistema tampão.
Uma parte pequena (15 a 20%) do CO2 liga-se diretamente ao resíduo N-terminal de cada globina, formando a carbamino-Hb.
CO2 
DIFUSÃO
CO2 
(1)
H2CO3
+H2O
Anidrase carbônica
(2)
+
Cl
O HCO3- transportado no plasma representa 60% do CO2 formado nos tecidos
HCO3-
HCO3-
H+
Cl
(3)
Hb
NH3+
Hb
NHCOO-
(4)
pO2 – 25 a 40 torr
Efeito Bohr 
27
HEMÁCIAS
 PLASMA
TECIDOS
O próton H+ gerado da dissociação do H2CO3 é tamponado por histidinas que ligam o heme.
Ao receber o próton, a HbO2 sofre o efeito Bohr, que resulta em uma diminuição da afinidade pelo o O2, facilitando a desoxigenação.
Concordando com o efeito Bohr, a Hb oxigenada é mais ácida (pK ~7.4) do que a Hb desoxigenada (pK ~7.6 ).
H2CO3
+H2O
Anidrase carbônica
CO2 
DIFUSÃO
CO2 
+
Cl
O HCO3- transportado no plasma representa 60% do CO2 formado nos tecidos
HCO3-
HCO3-
Cl
H+
Hb
NH3+
Fe
 O2
H
H
C
C
N
N
NH
NH
HC
HC
C
C
(5)
Fe2+
 
H
H
C
C
N
N
NH2
N
HC
HC
C
C
Hb
NHCOO-
(5)
(6)
O2
DIFUSÃO
(6)
pO2 – 25 a 40 torr
Efeito Bohr 
HEMÁCIAS
 PLASMA
ALVÉOLOS
No pulmão, a pO2 é de 100 torr e o pH é mais alcalino (pH ~7.6). 
A Hb desoxigenada recebe O2 e libera os prótons H+ recebidos no tecido. O efeito Bohr agora resulta em um aumento da afinidade pelo o O2, facilitando a oxigenação.
Esses fatores fazem a anidrase carbônica catalizar a reação reversa, formando CO2 e H2O a partir de H2CO3, resultante da associação bicarbonato e H+.
Hb
NHCOO-
Fe2+
 
H
H
C
C
N
N
NH
NH2
HC
HC
C
C
FeO2
 
H
H
C
C
N
N
N
NH
HC
HC
C
C
Hb
NH3+
O2
DIFUSÃO
(9)
pO2 – 100 torr
(11)
11. O CO2 ligado à Hb é liberado. 
12. O CO2 difunde para o plasma e daí para os alvéolos.
H+
+ H2O
Anidrase carbônica
CO2 
(10)
O HCO3- transportado no plasma representa 60% do CO2 formado nos tecidos
+
Cl
HCO3-
HCO3-
H2CO3
Cl
(10)
DIFUSÃO
CO2 
(12)
Efeito Bohr 
29
O 2,3-bifosfoglicerato (2,3 BPG) é
um produto exclusivo do metabolismo das hemácias, formado a partir de um dos intermediário da via glicolítica, por uma enzima mutase específica. 
Glicose
1,3 bifosfoglicerato
piruvato
2,3-BPG
Mutase
(só em hemácias)
Via glicolítica nas hemácias
A ligação de uma molécula de 2,3 BPG à hemoglobina reduz a sua afinidade por O2, facilitando a desoxigenação. 
O 2,3 BPG liga-se na cavidade central do tetrâmero da hemoglobina, estabilizado por interações eletrostáticas com resíduos de carga positiva.
2,3-Bifosfoglicerato (2,3 BPG)
Na oxihemoglobina, a cavidade central é menor, expulsando o 2,3-BPG e aumentando a afinidade da molécula por O2. 
A concentração plasmática de 2,3-BPG é constante, ~5 mM.
 Populações que habitam regiões de elevada altitude, onde a atmosfera é rarefeita, apresentam como mecanismo compensatório um aumento nos níveis da enzima mutase que forma o 2,3 BPG.
Com concentrações plasmáticas mais elevadas de 2,3-BPG, e uma consequente diminuição da afinidade da Hb por O2, não há prejuizo da oxigenação dos tecidos, apesar da pO2 atmosférica mais baixa eventualmente não ser suficiente para saturar 100% a Hb.
2,3-Bifosfoglicerato (2,3 BPG)
2,3-Bifosfoglicerato
A regulação da afinidade da hemoglobina pelo O2 é um somatório do 
Efeito Bohr e do 2,3 –BPG, além da cooperatividade positiva.
Stripped Hb – Hb sem nenhum modulador
Whole blood – Hb em sangue total, com todos seus moduladores
A figura ilustra a somatória de efeitos moduladores negativos do 2,3 BPG e do CO2 (efeito Bohr) sobre a afinidade da hemoglobina para o oxigênio.
Observe como a P50 (pressão parcial de O2 que satura 50% das moléculas) aumenta progressivamente a medida que os moduladores são adicionados ao meio.
O efeito Bohr (presença de CO2) e o 2,3-BPG, juntos, diminuem em cerca de 2,6 vezes a afinidade da Hb pelo O2.
50%
Ontogenia das hemoglobinas humanas
A hemoglobina A (HbA), composta das cadeias a e b, corresponde a 96-98 % da hemoglobina total de um adulto.
Um variante normal da hemoglobina A, correspondente a 2-3% da hemoglobina total em adultos, é a HbA2, formada por cadeias a e d (delta), ou seja, a2d2.
No adulto, a Hemoglobina A resulta da expressão co-dominante de 2 genes que codificam a cadeia b e de 4 genes que codificam a cadeia a.
Durante a vida embrionária e fetal, diferentes genes para as globinas são expressos sucessivamente.
Existem 17 genes para globinas no genoma humano.
Hb embrionárias
Hb Gower 1 z2e2
Hb Gower 2 a2e2
Hb Portland z2g2
Hb Fetal a2g2
Hb adulto a2b2
 a2d2 
Ontogenia das hemoglobinas humanas
idade gestacional idade pós-natal 
 (semanas) (semanas)
nascimento
O gráfico e a tabela mostram a sucessão de diferentes hemoglobinas e a sua composição em cadeias globínicas presentes no embrião, feto (após a 12a. semana) e no adulto. 
Após o nascimento, com a repressão da síntese da cadeia g e aumento da síntese da cadeia b, ocorre a troca da HbF pela HbA, que se completa entre o 3o e 4o mês de vida. Nessa fase são muito importantes os “banhos de luz” dados na criança, pois estes auxiliam na degradação de derivados tóxicos do heme, formados na destruição das hemácias fetais.
A Hemoglobina Fetal (HbF)
 A HbF possue cadeias g (gama) equivalentes à cadeia b da HbA, com 10 aminoácidos diferentes nas sequências primárias dessas globinas. 
 Uma das substituições importantes na HbF é a posição 82 da cadeia g, que possui um resíduo de serina (polar sem carga), diferentemente da cadeia b, que tem lisina (Lys82; com carga positiva) nessa posição. 
 Essa substituíção resulta numa ligação mais fraca do 2,3-DPG, que interage com as globinas por interações eletrostáticas, à HbF.
 
 Como resultado, a HbF apresenta maior afinidade por O2 do que a HbA materna, possibilitando a captação de O2 a nível da barreira placentária.
Ligação do 2,3-BPG com a hemoglobina A
36
Hemoglobinopatias
 Hemoglobinopatias podem resultar de mutações nos genes estruturais das globinas, ou ainda nos genes reguladores da síntese das diferentes globinas, que é o caso das talassemias. 
 Mutações pontuais nos genes das globinas a e b são relativamente frequentes. Em outubro de 2003 já eram conhecidos mais de 900 tipos de hemoglobinas anômalas contendo a troca de 1 aminoácido na cadeia a ou na cadeia b
 A figura acima ilustra posições na sequência primária de cadeias a ou b para as quais são conhecidos mutantes pontuais de Hb com alterações na estabilidade e/ou solubilidade da proteína ou na afinidade por oxigênio, que resultam em patologias.
Mutantes das histidinas proximal e distal (posições 92 e 63 na cadeia b, respectivamente), podem resultar em incapacidade de ligar O2.
6
23
42
63
92 93
121
79
76
73
145
143
Anemia falciforme e hemoglobina S (HbS)
A HbS apresenta um resíduo de valina na posição 6 da cadeia b, no lugar do ácido glutâmico presente na HbA. 
Essa troca resulta em alteração da solubilidade da HbS, que apresenta tendência de polimerizar quando desoxigenada, formando fibras que se depositam dentro da hemácia, deformando-a.
Deformadas, essas hemácias são retiradas de circulação, causando o quadro anêmico.
Anemia falciforme
A HbS apresenta um resíduo de valina na posição 6 da cadeia b, no lugar do ácido glutâmico presente na HbA. 
Anemia falciforme
Hemácia falcêmica
Fraqueza
Tontura
Falta de ar
Pressão alta
Metade Hb
Dor por obstrução de capilares
Quem apresenta o risco de anemia falciforme?
Por que esse padrão ocorre? 
Exames laboratoriais relacionados?
Eletroforese de proteínas, focalização isoelétrica, fracionamento da hemoglobina por HPLC, teste de solubilidade para hemoglobina, hemograma, exames de ferro.
Estudo Dirigido: HEMOGLOBINA
 
Qual a importância das proteínas para a homeostase do organismo?
Faça uma comparação estrutural e funcional entre a mioglobina e a hemoglobina.
Descreva como acontece o transporte de oxigênio realizado pelas hemácias.
Durante o transporte de oxigênio, como os íons H+ influenciam na afinidade da hemoglobina ao oxigênio.
Explique os estados de conformação T e R da hemoglobina.
Qual o efeito do BPG sobre a hemoglobina?
Descreva os tipos a ontogenia da hmoglobina humana (tipos de hemoglobinas).
O que é anemia falciforme?
Any question?

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