Hemoglobina, mioglobina, acido-base

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Dentre os principais papeis do sistema circulatório, pode ser citada a troca de gases, onde sangue rico em oxigênio segue em direção aos órgãos e tecidos periféricos e sangue rico em dióxido de carbono retorna. O oxigênio é importante nos processos de respiração celular, ao final da cadeia respiratória, para que aja produção de ATP, e o CO2 é o produto das reações de descarboxilação à medida que as macromoléculas são oxidadas para produção de energia. 
Para que o ar inspirado vire ar alveolar e depois ar expirado é necessário que aja trocas gasosas entre o sangue e o alvéolo, onde a membrana alveolar tem papel de uma barreira. Estes gases podem ou não estar solúveis em um sistema aquoso, e isso está relacionado ao volume do solvente, a pressão deste gás e características inerentes do próprio gás (quanto maior for a pressão feita em uma barreira, maior a quantidade de gás que vai se dissolver no solvente). Então, o coeficiente de absorção (quantidade de gás, em volume, em relação ao volume do solvente) dependerá do coeficiente de solubilidade de cada gás e da pressão deste gás. 
Se não houver sistema especializado para transporte destes gases, simplesmente não haverá troca alguma, uma vez que o CO2 não seria solubilizado no sangue. Da mesma forma não haveria aproveitamento do oxigênio, pois este não seria solubilizado no sangue para ser levado até as células. Em outras palavras, muitíssimo pouco CO2 produzido pelas células vai ser transportado na forma gasosa (as duas principais formas de transporte são: ligado covalentemente à hemoglobina, não no mesmo lugar que o oxigênio, e na forma de bicarbonato). Muito menos ainda do oxigênio se solubiliza, sendo transportado pela hemoglobina (mais precisamente pelo grupo heme). 
A hemoglobina é tetramérica (quatro subunidades – duas delas chamadas beta, e duas chamadas alfa. Vale lembrar que a maioria das hemoglobinas possui estes quatro tipos de subunidades. As variantes serão discutidas adiante), e possui esse nome porque em cada cadeia polipeptídica há um grupamento heme (anel protoporfirina IX), que é o grupo prostético da apoproteína. 
Cada subunidade da hemoblogina possui alfa hélices que recebem nome de letras; existem dois resíduos de aminoácidos, histidinas, um na hélice F (histidina F8 proximal) e outro na helice E (histidina distal) que interagem com o grupo heme.
O bolsão onde o heme está inserido possui uma grande variedade de aminoácidos hidrofóbicos, sendo as histidinas exceções. No centro do heme existe o ferro (na forma 2+, ou seja, ferro ferroso. Ferro férrico não transporta oxigênio), que é onde o oxigênio pode se ligar. Cadeias do heme: metil, vinil, metil, vinil, metil, propionil, propionil, metil (todos grupos hidrofóbicos). 
A medida que o oxigênio se liga no grupo heme, as interações que existem na cadeia peptídica são reorganizadas. Então a conformação da hemoglobina se altera (as interações entre as subunidades alfa e beta se modificam pelo rompimento de ligações salinas). Quando o oxigênio se liga, ele força uma mudança nas interações com as histidinas, mudando o plano do anel heme, fazendo com que as subunidades diminuam a fenda que existe entre elas. 
A desoxi-hemoblobina encontra-se no estado T (tenso), enquanto que a oxi-hemoglobina encontra-se no estado R (relaxado). Quando o oxigênio se liga a uma subunidade, ele facilita a ligação de outros oxigênios em outras subunidades (efeito alostérico cooperativo). 
Pressão
No gráfico abaixo, observa-se que numa pressão parcial de O2 de 10 Torr, a mioglobina encontra-se quase totalmente saturada, enquanto que a hemoglobina está cerca de 40% saturada. Na pressão venosa, a hemoglobina está pouco mais de 50% saturada, enquanto que na arterial está quase 100% saturada, assim como a mioglobina. Nota-se que as curvas são diferentes, porque as duas proteínas possuem papeis diferentes. A hemoglobina, nos pulmões, recebe oxigênio, pois a pressão parcial é alta; já nos tecidos, onde a pressão parcial de oxigênio é baixa, a hemoglobina libera O2. Por sua vez, a mioglobina só libera seu oxigênio quando a pressão cai abaixo dos níveis normais (o que ocorre nos músculos durante trabalho). Em outras palavras, a mioglobina aumenta sua saturação proporcionalmente a pressão parcial de oxigênio, a hemoglobina não. Sua curva sigmoide representa que em pressões parciais baixas, a hemoglobina se satura “mais lentamente” do que em pressões intermediárias/elevadas. Isso se explica pelas mudanças conformacionais da hemoglobina, uma vez que em pressões intermediárias, mais moléculas de oxigênio podem se ligar. 
A curva de saturação da hemoglobina pode sofrer efeito de vários fatores, um deles é o pH. Quando há menos próton, há maior afinidade pelo Oxigênio, porque durante a oxigenação ou desoxigenação, a hemoglobina aceita ou doa próton, de modo que quando há diminuição do pH, a hemoglobina tende a receber prótons e liberar oxigênio, enquanto que quando há aumento do pH, ela tende a liberar próton e receber oxigênio (de modo que ela é um ácido quando está oxigenada e uma base quando está desoxigenada). Se o pH é alto, a concentração de prótons é baixa, então a Hb libera próton e recebe oxigênio (é o que ocorre nos pulmões), se o pH é baixo, a concentração de prótons é alta, ela recebe próton e libera oxigênio (o que ocorre nos tecidos). 
Um outro fator que altera a interação da Hb com o O2 é a molécula de bifosfoglicerato (BPG). Quanto maior a concentração deste, menor a afinidade da hemoglobina pelo O2, pois ele interage na fenda central da Hb, estabilizando o estado T. 
Tanto o BPG quanto o CO2 regulam fisiologicamente a afinidade da Hb pelo oxigênio. O CO2 vira ácido carbônico, que se dissocia em próton e bicarbonato, e este próton liga-se à hemoglobina. Logo, um excesso de CO2, diminui o pH. O BPG é produzido na hemácia através de uma via glicolítica diferenciada com o intuito de regulação da afinidade da hemoglobina (parte da glicose que vai pra hemácia é usada para produzir BPG). 
O BPG é importante quando a pressão parcial de oxigênio atmosférica é baixa (altitudes elevadas). Ele desloca a curva de dissociação da hemoglobina para a esquerda, permitindo que a taxa de oxigênio que chega aos tecidos seja fisiologicamente proporcional àquela ao nível do mar. 
A pressão parcial de Oxigênio no pulmão é em torno de 100 mmHg e nos tecidos em torno de 35-40 mmHg. Isso implica na saturação da hemoglobina; no primeiro caso ela está quase totalmente saturada, e no segundo, em torno de 50-60% saturada. 
No pulmão: à medida que a hemoglobina libera prótons, estes se ligam com o bicarbonato, transformando-se no ácido carbônico, que por sua vez sofre ação da anidrase carbônica, transformando-se em CO2 e H2O. À medida que o bicarbonato entra na célula, entra-se então carga negativa, sendo necessária a saída de outra carga negativa. Este bicarbonato veio do tecido, formado a partir da dissociação do ácido carbônico, que tinha sido formado a partir de CO2 e H2O pela anidrase carbônica. 
O bicarbonato é a principal forma de transporte de CO2 pelo sangue, mas uma pequena taxa também é transportada pela Hb, ligado covalentemente a alguns resíduos de aminoácidos (principalmente lisinas. A Hb passa a ser chamada então de carbaminohemoglobina), além de uma taxa muito menor que é transportada na forma gasosa dissolvida no sangue. 
Nos tecidos: o aumento da pressão de CO2 leva a formação de ácido carbônico, que leva à liberação de próton. Esta liberação aumenta a capacidade da Hb de desligar o oxigênio (efeito Bohr). Nos pulmões, o aumento da pressão de oxigênio faz com que a Hb se ligue ao O2, liberando próton, formando ácido carbônico, que pela anidrase carbônica vai a CO2 e H2O (neste caso, tem-se o efeito Haldane). 
 
Diferentes cadeias de Hemoglobina. 
Como dito anteriormente, a hemoglobina de adultos possui duas cadeias alfa e duas beta, caracterizando a hemoglobina A (cerca de 90% da população). No feto, no lugar da cadeia beta, há a cadeia gama. À medida que o bebê cresce, esta hemoglobinafetal vai diminuindo de produção (expressão), enquanto que a produção de cadeias beta cresce. Em alguns casos, a hemoglobina fetal permanece sendo produzida na vida adulta, ou por mutações, ou por deleções, de regiões que coordenam a transcrição dos genes destas proteínas (talacemias). Talacemias alfa são muito raras, por dois motivos: primeiro, existem quatro genes codificantes para cadeias alfa, e segundo que a ausência destas cadeias é incompatível com a vida. Já nas talacemias beta há a possibilidade de haver heterozigose, que serão formas mais brandas, ou homozigose, que são anemias mais severas. 
Todas estas variantes possuem diferenças na constituição da proteína (diferenças de aminoácidos). Isso implica na movimentação conformacional, na afinidade pelo oxigênio (através de enfraquecimento das ligações com o heme), na interação entre as subunidades, e estabilização da forma oxigenada ou desoxigenada (diminuindo a troca de oxigênio). 
A isoforma da Hb da anemia falciforme é a hemoglobina S. As hemácias da anemia falciforme possuem essa forma porque a cadeia beta da Hb possui uma valina (aminoácido neutro - hidrofóbica) na posição 6, ao invés de um ácido glutâmico (aminoácido ácido). Essa troca faz com a as interações entre as cadeias sejam diferentes, modificando as interações e as pontes salinas. Na oxiHb essa valina está para fora da hemoglobina (superfície da proteína). Quando há desoxigenação, a valina fica numa posição em que ela pode interagir com outros aminoácidos de uma cadeia adjacente, fazendo com que a as cadeias comecem a se associar. Isso acarreta na interação de diversas moléculas de hemoglobina, formando filamentos, e pela interação destes filamentos, a formação de fibras. Deste modo, a Hb não encontra-se solúvel no citoplasma da hemácia, desorganizando completamente a estrutura da célula para aquele formato de foice. 
Equilíbrio Ácido-Básico 
Existem sistemas que tentam manter o pH dos líquidos extracelulares em torno de 7,4, e dentro das células em torno de 7, pois a todo o momento há ingestão de substâncias ácidas ou básicas, bem como produção de moléculas pelo próprio metabolismo que podem vir a alterar o pH. 
Este equilíbrio é mantido, principalmente, por três “compartimentos”: os pulmões (controle da troca de CO2 e H2O), hemácias (transporte de gases que envolve o metabolismo do CO2) e os rins (que podem regular a reabsorção de bicarbonato e a excreção de próton). Lembrando: bases são aquelas que liberam OH- (bases fortes, inorgânicas) ou que recebem H (bases fracas, orgânicas). Àcido é capaz de doar prótons (orgânico: normalmente é um ácido fraco, não se dissocia completamente em meio aquoso, enquanto que o ácido inorgânico é um ácido forte, se dissocia quase completamente). 
pH: É uma forma de dizer a concentração de próton em uma determinada solução. Como essa concentração é relativamente pequena, usa-se uma forma matemática para dizê-la (logaritmo do inverso da concentração de próton). 
O sangue venoso é ligeiramente mais ácido que o sangue arterial (O CO2 do sangue venoso gera ácido carbônico, por isso este sangue é ligeiramente mais ácido). Líquido intracelular varia de 6 a 7,4. A urina de 4,5 a 8, dependendo do que está sendo ejetado. 
pKa: Potencial de dissociação de um ácido. 
Fora das células há uma predominância de Sódio e dentro das células há uma predominância de Potássio, devido à bomba de Na/K. Fora das células, também, há presença de Cl- (cloreto) e bicarbonato, enquanto que dentro há proteínas ionizadas e fosfato orgânico (HPO4). 
Sistema tampão: primeira linha de defesa na variação do pH. 
Centro respiratório: segunda linha de defesa.
Estas duas são rápidas, mas muitas vezes não são eficazes, sendo necessária uma terceira linha de defesa, a compensação renal. 
Sistemas tampão
4 grupos principais: a hemoglobina (pode receber próton, funcionando com uma base, ou liberar próton, funcionando como um ácido), as proteínas (que também tem a aminoácidos capazes de receber ou doar prótons de acordo com o pH), o tampão fosfato (que junto com as proteínas forma o principal sistema tampão dos líquidos intracelulares) e tampão bicarbonato (dos líquidos extracelulares). Este último depende da concentração de CO2, que por sua vez está fazendo parte do sistema respiratório, estando também ligado a hemoglobina. 
Se diminuir a concentração de prótons, pode-se aumentar a dissociação de ácido carbônico, diminuindo a concentração de CO2. O aumento do CO2 estimula a respiração, expirando esse gás. 
Quando é observado que o valor de pH é igual ao valor de pKa, significa que as concentrações de ácido e base são similares, que por sua vez, significa que é um bom tampão. 
O pH pode ser mantido em torno de 7,4 porque a pressão de CO2 e a concentração de bicarbonato são mantidas constantes. Deste modo, se aumentar a pCO2, o pH diminui, caracterizando uma acidose; se aumentar a concentração de bicarbonato, há aumento do pH, caracterizando uma alcalose. 
Acidose Metabólica: diminuição da concentração de bicarbonato (causando diminuição do pH. Geralmente em pacientes com diabetes, visto que nestes casos há grande produção de corpos cetônicos)
Acidose Respiratória: aumento da pCO2 (geralmente causada por qualquer processo que diminua a eficiência na troca de gases, como pneumonia, asma, enfisema)
Alcalose Metabólica: aumento de bicarbonato (ocorre quando o organismo perde ácido excessivamente, como em vômitos repetidos)
Alcalose Respiratória: diminuição da pCO2 (pode ser por exemplo por hiperventilação voluntária ou histeria)
Os mecanismos compensatórios não são de imediato em cima do erro, mas sim atuando nos sistemas inversos, de tampão sanguíneo e de aumento ou diminuição da respiração. Deste modo, uma descompensação respiratória será reparada por mecanismo metabólico, e uma descompensação metabólica será reparada por mecanismo respiratório. Por exemplo, na acidose respiratória, o mecanismo de reparo será pelo aumento da concentração de bicarbonato. O centro respiratório é muito sensível às alterações no pH, de modo que a velocidade de respiração (ventilação alveolar) aumenta ou diminui de acordo com estas alterações. Com uma ventilação alveolar normal, o pH plasmático encontra-se próximo a 7,4; caso haja aumento na ventilação, haverá também diminuição do pH sanguíneo. 
Compensação renal
Diminuição da concentração de prótons (alcalose) há aumento da excreção de bicarbonato. Isso significa que diminui-se a eficiência de reabsorção do bicarbonato. Normalmente, excretando bicarbonato, excreta-se prótons também, que pioraria a alcalose, mas o rim possui um mecanismo para impedir isso. 
Por outro lado, se o que houver for uma acidose, o rim aumentará a reabsorção de bicarbonato. Na verdade o que ocorre também é a síntese de um novo bicarbonato, porque assim o rim consegue excretar mais próton. Para cada bicarbonato que é reabsorvido, um próton é secretado. O bicarbonato da luz do túbulo não passa para a célula tubular, pois esta célula não possui mecanismo para isso. Por outro lado, se o bicarbonato se combinar com um próton da luz tubular, ele vira ácido carbônico, que por sua vez vira CO2, capaz de ser absorvido pela célula, e H2O. Dentro da célula, este CO2 se combinará novamente com a agua, regenerando o ácido carbônico que posteriormente será degradado a bicarbonato, que pode passar para o sangue finalmente, e próton. Desta forma o bicarbonato é reabsorvido e o próton resultante é mandado para fora pela bomba de Na por transporte ativo (visto que o Na precisa entrar na célula), no túbulo proximal, e por bomba de próton (em menor quantidade), nos túbulos coletores e distais.