Hemoglobina: O Transporte de Oxigênio

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Hemoglobina
O transporte de oxigênio dos pulmões aos tecidos é efetuado pela hemoglobina 
presente nas hemácias. A hemoglobina dos seres humanos adultos (HbA) é formada por 
quatro subunidades, duas α e duas β. A estrutura quaternária da hemoglobina é mantida por 
ligações não-covalentes e resulta em uma molécula tetramérica, composta por dois dímeros, 
α1β1 e α2 β2, dispostos simetricamente ao redor de um eixo central. As interfaces entre os 
dímeros sofrem modificações importantes durante a oxigenação e a desoxigenação da 
hemoglobina.
O grupo prostético heme é o sítio de 
ligação do oxigênio. O heme é uma molécula de 
porfirina contendo um átomo de ferro, que, na 
mioglobina e hemoglobina, permanece no 
estado ferroso (Fe2+). 
O grupo heme, em cada subunidade, 
localiza-se dentro de uma cavidade hidrofóbica, 
delimitada por aminoácidos apolares que 
estabelecem interações hidrofóbicas co o anel 
porfirínico. O átomo de ferro fica no centro do 
grupo heme, formando seis ligações: liga-se aos 
quatro átomos de nitrogênio do anel porfirínico, 
à cadeia polipeptídica (através de um resíduo de 
histidina do segmento F, a His 87, chamada 
histidina proximal) e pode, ainda, ligar-se 
reversivelmente a uma molécula de oxigênio 
(O2).
O oxigênio liga-se reversivelmente ao ferro (Fe2+), sem que ele seja oxidado ao estado 
férrico (Fe3+). Além disso, o oxigênio estabelece uma ponte de hidrogênio com a His 58, 
chamada histidina distal, que fica oposta à histidina proximal. A molécula de oxigênio fica, 
portanto, “prensada” entre o átomo de ferro a histidina distal.
A ligação com o oxigênio desencadeia alterações na conformação da hemoglobina. As 
grandes mudanças ocorrem nas áreas de contato entre os dímeros, que, efetivamente, se 
deslocam um em relação ao outro. A oxigenação da hemoglobina leva resulta em 
estreitamento do bolsão entre as subunidades β. Deste modo, os deslocamentos em uma 
subunidade se propagam, produzindo uma alteração na conformação da subunidade em 
questão, que é transmitida para as outras subunidades, através das áreas de contato entre 
elas.
Detalhes da aula:
• Oxihemoglobina ou oximioglobina: cor vermelha
• O Fe3+ não permite a ligação do O2: meta-hemoglobina, cor castanha.
• Cada cadeia α está em contato com 2 cadeias β. Há pouca interação entre duas 
cadeias α ou duas cadeias β. 
• Forças que mantém unidas as cadeias: interações hidrofóbicas, pontes de hidrogênio 
e pontes salinas.
A hemoglobina liga-se ao oxigênio cooperativamente:
A ligação da primeira molécula de oxigênio facilita o preenchimento dos outros 
grupos heme, de tal maneira que a ligação da quarta molécula de oxigênio é 300 vezes mais 
fácil que a ligação da primeira. A esse fenômeno dá-se o nome de cooperatividade. A 
cooperatividade resulta da influência exercida por um sítio sobre outros localizados em 
subunidades diferentes de uma mesma molécula. No caso da mioglobina, por exemplo, que 
apresenta uma única cadeia polipeptídica e um único grupo heme, a cooperatividade não é 
observada.
Mioglobina, pO2 nos pulmões e tecidos e trabalho muscular:
O fenômeno da cooperatividade, que ocorre na hemoglobina, é a causa da diferença 
no mecanismo de oxigenação da mioglobina e da hemoglobina. Enquanto a mioglobina 
apresenta uma curva de oxigenação hiperbólica, a hemoglobina exibe uma curva sigmoidal.
A forma hiperbólica é aquela esperada para uma proteína com um único sítio de 
ligação e, portanto, a ligação de uma molécula de oxigênio a uma molécula de mioglobina 
não afeta a ligação de outras moléculas de oxigênio a outras moléculas de mioglobina. A 
curva sigmoidal indica que a ligação das moléculas de oxigênio aos quatro heme não é 
independente, e que o preenchimento de um heme aumenta a afinidade dos outros heme, 
não ocupados por oxigênio.
A cooperatividade exibida pela hemoglobina proporciona uma resposta mais sensível 
a variações na concentração de oxigênio, adequando-se, com perfeição, à sua função de 
transportar este gás nos vertebrados. No sangue arterial que sai dos pulmões, a pO2 é alta 
(100mmHg, em média) e a hemoglobina fica 98% saturada com oxigênio; nos tecidos 
extrapulmonares, onde a pO2 é baixa (sangue venoso), ela libera grande parte do oxigênio. 
Por exemplo, a pO2 nos capilares que irrigam um músculo em atividade é cerca de 
20mmHg, e a hemoglobina permaneça 33% saturada, liberando 65% do oxigênio 
associado. A mioglobina seria um transportador bem menos eficiente, já que menos de 10% 
do seu oxigênio seria liberado nessas condições. Todavia, sua alta afinidade por oxigênio, 
mesmo em baixa pO2, permite que ela desempenhe eficientemente a função de reservatório 
de oxigênio nos músculos de mamíferos, onde é encontrada em abundância. A mioglobina 
tem afinidade por oxigênio maior que a hemoglobina em qualquer pO2, o que permite que 
ele seja transferido do sangue para o músculo, onde fica associado à mioglobina e pode ser 
utilizado pelas mitocôndrias das células musculares.
Hemoglobina fetal:
O feto humano, e de outros mamíferos, tem uma 
hemoglobina diferente da HbA, a principal 
hemoglobina dos adultos. Na hemoglobina fetal (HbF), 
as duas subunidades β são substituídas por outras 
cadeias polipeptídicas, chamadas γ. A estrutura da HbF 
é, portanto, α2γ2, em contraposição à estrutura α2 β2 da 
HbA.
A HbF tem maior afinidade por oxigênio que a 
HbA: sua curva de saturação com oxigênio é deslocada 
para a esquerda em relação à curva de saturação da 
HbA. Graças a essa propriedade, o feto pode obter 
oxigênio do sangue da mãe, através da placenta. 
Efetivamente, a HbF é oxigenada à custa da HbA 
materna. 
BGP:
A hemoglobina dos mamíferos, quando presente nas hemácias, tem afinidade menor 
por oxigênio que quando purificada: estas células contêm altos níveis de 2,3-
bifosfoglicerato (BGP). 
O BGP liga-se preferencialmente à desoxi-Hb, que apresenta a cavidade entre as 
subunidades β, suficientemente grande para alojá-la. Esta cavidade é circundada por 
radicais carregados positivamente, que interagem com os grupos negativos do BPG. Na 
oxi-Hb, a cavidade é menor, o que dificulta a ligação do BPG. O resultado da ação do BPG 
é a predominância da forma desoxigenada de hemoglobina.
Em pressões elevadas, esta situação pode ser revertida. Nas condições de alta pO2 dos 
pulmões, a hemoglobina fica saturada com oxigênio, mesmo na presença de BPG. O seu 
papel fisiológico é aumentar substancialmente a liberação de oxigênio nos tecidos 
extrapulmonares, onde a pO2 é baixa. O nível de BPG nas hemácias aumenta em condições 
associadas com hipóxia tissular (oxigenação deficitária dos tecidos) prolongada.
A diferença de afinidade por 
oxigênio entre HbF e HbA é devida à força 
de ligação de BPG aos dois tipos de 
hemoglobina. A HbF se liga menos 
eficientemente ao BGP disponível, pois 
possui um par a menos de grupos positivos 
na cavidade onde ocorre a ligação de BPG. 
Assim, a forma desoxigenada desta 
hemoglobina fica menos estável e a sua 
afinidade por oxigênio aumenta: o 
oxigênio flui da oxi-Hb da mãe para a 
desoxi-Hb do feto.
Hb-BPG + 4O2 ⇌ Hb(O2)4 + BPG
Efeito alostérico BPG: Altitudes, HbF
Efeito da temperatura:
A curva de saturação do oxigênio também é deslocada para a direita quando as medidas são 
feitas em temperaturas mais elevadas. Este efeito da temperatura tem grande importância 
fisiológica porque permite maior disponibilidade de oxigênio quando a demanda de energia 
é alta, devido ao aumento do metabolismo celular, como acontece na febre e em grupos 
musculares sob contração intensa.
Anemia falciforme:
A anemia falciforme é uma doença genéticana qual um indivíduo herda um alelo para 
a hemoglobina S (HbS) de ambos os pais. Os eritrócitos destes indivíduos são anormais e 
estão presentes em menores quantidades. Além de haver uma quantidade incomum de 
células imaturas, o sangue contém muitos eritrócitos longos e delgados que se parecem com 
a lâmina de uma foice. Quando a hemoglobina destas células (HbS) é desoxigenada, ela 
torna-se insolúvel e forma polímeros que se agregam em fibras tubulares. A hemoglobina 
normal (HbA) permanece solúvel quando ocorre desoxigenação. As fibras insolúveis da 
hemoglobina S desoxigenada são responsáveis pela deformação dos eritrócitos.
Efeito Bohr:
A ligação do oxigênio com a 
hemoglobina depende do pH. Para cada 
valor de pO2 considerado, a afinidade da 
hemoglobina pelo oxigênio é tanto menor 
quanto menor o pH. Os íons H+ (como 
acontece com o BPG), ligam-se 
preferencialmente à desoxi-Hb, que passa, 
então, a constituir a forma predominante: o 
resultado é uma diminuição na afinidade da 
hemoglobina pelo oxigênio. A associação 
preferencial dos íons H+ à desóxi-Hb 
evidencia que esta forma de proteína é uma 
base de Bronsted (substância capaz de 
receber prótons) mais forte que a forma 
oxigenada. Esta diferença de 
comportamento ácido-base é conseqüência 
da movimentação das subunidades da hemoglobina, devido à associação/dissociação do 
oxigênio. 
A conversão de oxi-Hb em desoxi-Hb é acompanhada pela captação de prótons, que 
são liberados na sua oxigenação. A influência do pH sobre a oxigenação da hemoglobina 
tem grande importância fisiológica, porque, nos organismos, um decréscimo de pH está 
sempre associado a uma maior demanda de oxigênio.
Nos tecidos, o CO2 produzido pelo metabolismo celular difunde-se até as hemácias, 
onde é hidratado rapidamente em uma reação catalisada pela anidrase carbônica (AC). No 
pH do sangue (7,4-7,2), o H2CO3 dissocia-se em HCO- e H+.
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+
A ocorrência destas duas reações consecutivas explica por que um aumento na 
concentração de CO2 causa uma diminuição do pH. Este aumento de acidez, associado à 
baixa pO2 tecidual faz com que a hemoglobina libere O2 e capte H+, impedindo que 
ocorram grandes variações de pH (Os ions H+ são tamponados pela Hb). O HCO3-, 
produzido nas hemácias, difunde-se para o plasma.
Nos pulmões a situação inverte-se. A alta pO2 leva à oxigenação da hemoglobina e à 
liberação de H+. Esta liberação de prótons corrige o valor do pH que, de outro modo, 
tenderia a aumentar. De fato, com a baixa pCO2 alveolar, o CO2 é eliminado na atmosfera, 
consumindo H+ e CO2.
H+ + HCO3- ⇌ H2CO3 ⇌ H2O + CO2
Transporte de O2:
• O2 se difunde dos alvéolos pulmonares para os capilares chegando na circulação.
• Nas hemácias, o O2 se liga à hemoglobina.
• Em paralelo, o CO2 se difunde do sangue para os alvéolos.
• A menor concentração de CO2 dissolvido no sangue faz com que o pH (~7,6) seja 
mais alto no pulmão do que nos tecidos periféricos (~7,2) onde a pCO2 é alta.
• As hemácias contendo HbO2 chegam nos tecidos periféricos: pO2 baixa
A combinação de uma baixa pO2 e um pH baixo nos tecidos periféricos provoca uma 
diminuição na saturação do O2, que é liberado pela hemoglobina!
Propriedades alostéricas da Hb:
• A ligação de um O2 facilita a ligação de mais O2 (efeito cooperativo)
• A afinidade da Hb por O2 depende do pH e da pCO2 (efeito Bohr)
• A afinidade da Hb por O2 é regulada por fosfatos orgânicos (BPG)
IMPORTANTE: a mioglobina não apresenta nenhuma destas propriedades!
Diminuem a afinidade da hemoglobina pelo O2:
• ⇑ temperatura
• ⇑ H+ (⇓ pH)
• ⇑ CO2
• ⇑ 2,3 BPG
Relações alostéricas entre H+, CO2 e O2:
Nos tecidos, o pH é mais baixo e a pCO2 mais alta resulta na conversão da forma R para T.
Isto causa a liberação do O2 porque a forma T tem menor afinidade pelo O2 que a forma R.
O O2 e H+ não se ligam no mesmo sítio na Hb.
O resíduo que mais contribui para efeito Bohr é a His 146 (ß), que forma um par iônico 
com o Asp94 (ß) → estabiliza a conformação T
A forma T tem mais afinidade por ions H+ que a forma R →pK mais alto
Transporte de CO2
CO2 + Prot-H2N-  H+ + Prot-NHCOO- (carbamino compostos)
O H+ contribui para o Efeito Bohr