Proteínas globulares Transporte de oxigênio Medicina.

Prévia do material em texto

*
*
Proteínas globulares: transporte de oxigênio
*
*
Conceitos básicos:
 Uma molécula ligada reversivelmente a uma proteína é chamada de ligante
 Um ligante pode ser qualquer espécie de molécula, incluindo outra proteína
 Um ligante liga-se a um sítio na proteína chamado de sítio de ligação, que é complementar ao ligante em tamanho, forma, carga e caráter hidrofóbico ou hidrofílico. Sendo que esta interação é altamente específica
 Uma certa proteína pode ter sítios de ligação diferentes para vários ligantes
 As proteínas são flexíveis. As alterações em suas conformações podem ser sutis, mas também podem ser bem dramáticas
 Estas alterações são frequentemente essenciais à função de uma proteína
*
*
 A adaptação estrutural que ocorre entre a proteína e o ligante é chamada de ajuste induzido
 A proteína alostérica é aquela em que a ligação de um ligante a um sítio afeta as propriedades de ligação em outro sítio na mesma proteína. Neste caso o ligante é chamado de modulador
 Os moduladores para proteínas alostéricas podem ser ou inibidores ou ativadores
 Ligante igual e diferente do modulador (interações homotrópica e heterotrópica, respectivamente)
 Algumas proteínas possuem dois ou mais moduladores e, portanto, podem ter ambas as interações, a homotrópica e a heterotrópica
Conceitos básicos:
*
*
 As enzimas representam um caso especial de função protéica
 Enzimas ligam-se e transformam quimicamente outras moléculas, ou seja, elas catalizam reações
 As moléculas sobre as quais as enzimas atuam são chamadas de substratos da reação em vez de ligantes
 O sítio de ligação do substrato é chamado de sítio catalítico ou sítio ativo
 Veremos a seguir algumas funções não catalíticas das proteínas
Conceitos básicos:
*
*
Mioglobina
 Proteína intracelular encontrada no músculo
 Função de armazenar e facilitar o transporte
de oxigênio no músculo
 É uma proteína monomérica que contém 153
resíduos de aminoácidos
 É composta por 8 segmentos α-hélices (A-H)
conectados por alças. Cada hélice possui de 7-26
aminoácidos
 Possui um grupo prostético ligado à sua es-
trutura chamado de heme
 Possui também alta afinidade por oxigênio
*
*
Grupo prostético heme
O heme consiste de uma estrutura orgânica complexa em anel, a protoporfirina, à qual se liga um único átomo de ferro no seu estado ferroso (Fe2+)
Protoporfirina
Anel
pirrólico
Ponte meteno
Grupo vinil
Grupo metil
Heme (protoporfirina IX): átomo de ferro em posição central, 4 anéis pirrólicos unidos por pontes de meteno; 4 grupamentos metil, dois propionato e dois vinil
Grupo propionato
*
*
O oxigênio pode ligar-se ao grupo prostético heme: 
relação do ferro com posições de coordenação
Na mioglobina e na hemoglobina, o átomo de ferro permanece normalmente no estado de oxidação (Fe II) (ferroso) quer o heme esteja oxigenado (ligando O2) ou não
*
*
Metemoglobina e metamioglobina
Ocorre quando o Fe(II) é oxidado a Fe(III)
Nesta forma, tanto a mioglobina como a hemoglobina não se ligam ao oxigênio, pois o Fe (III) já se encontra coordenado por 6 ligações, com uma molécula de água na sexta posição de ligação
A reação simultânea de uma molécula de O2 com duas moléculas de heme livres (ou 2 Fe2+ livres) pode resultar na conversão do Fe2+ para Fe3+. Porém, esta reação é impedida pelo sequestro de cada heme dentro da estrutura da proteína
Os eritrócitos (as células vermelhas do sangue) contêm a enzima metemoglobina-redutase que converte para a forma Fe(II) a pequena quantidade de metemoglobina que se forma espontâneamente
Diariamente, a Hb sofre oxidação à MetHb; entretanto, os sistemas redutores naturais mantêm os níveis de MetHb abaixo de 2%
*
*
A mioglobina possui um único sítio de ligação para o oxigênio
Mioglobina: heme 
único
Histidina 
proximal
Histidina 
distal
*
*
Grupo heme: ligação com O2 e outras moléculas pequenas
Determinadas moléculas pequenas, como CO (monóxido de carbono), NO (óxido nítrico) e H2S (Sulfeto de hidrogênio) coordenam a sexta posição de ligação do Fe(II) na hemoglobina e na mioglobina com uma afinidade muito maior do que a do O2
Esse fato é uma das causas das propriedades altamente tóxicas dessas substâncias
*
*
CURVA DE SATURAÇÃO ou dissociação
DA MIOGLOBINA PELO OXIGÊNIO – saturação fracional
Sua p50 é 2.8 torr. Por isso, a mioglobina libera pouco O2 na variação fisiológica normal da pO2 do sangue (100 torr no sangue arterial e 30 torr no sangue venoso)
1 torr = 1 mmHg a 0 °C = 0.133 Kpa; 760 torr = 1 atm
*
*
CURVA DE SATURAÇÃO ou dissociação
DA MIOGLOBINA PELO OXIGÊNIO saturação fracional
Por exemplo, Yo2 = 0.97 a uma pO2 = 100 torr e 0.91 a 30 torr
A principal função da mioglobina é a de reserva de oxigênio nos músculos dos mamíferos. O oxigênio pode assim, ser usado em momentos de exercício físico intenso. Sistema cardiorrespiratório?? 
É particularmente abundante nos músculos de mamíferos que mergulham como focas e baleias, pois é capaz de reter O2 por longos períodos, enquanto o animal está submerso.
*
*
CURVA DE SATURAÇÃO ou dissociação
DA MIOGLOBINA PELO OXIGÊNIO saturação fracional
P50 = 0.26 KPa
½ da saturação 
Tanto mais fortemente uma proteína se liga ao ligante, menor a concentração de ligante requerida para ocupar metade dos sítios de ligação
Outra maneira de como descrever o comportamento hiperbólico
*
*
HEMÁCIAS (ERITRÓCITOS): TRANSPORTE DE O2
 Praticamente todo o oxigênio transportado pelo sangue nos animais está ligado pela hemoglobina nos eritrócitos (células vermelhas do sangue)
 Eles são formados a partir de células-tronco precursoras chamadas de hemocitoblastos
 Durante o processo de maturação estas células perdem suas organelas internas (núcleo, mitocôndrias e retículo endoplasmático)
 São, portanto, incapazes de se reproduzir e, nos humanos, sobrevivem por cerca de 120 dias. (hemoglobina glicada??)
 Sua principal função é transportar a hemoglobina, que é dissolvida no citosol em concentrações muito altas (~34% por peso)
Discos bicôncavos (6-9 µm em diâmetro)
*
*
HEMOGLOBINA
No sangue arterial (pulmões): 96% saturação
No sangue venoso que retorna ao coração (tecidual): 64% saturação
Liberação de aproximadamente 1/3 oxigênio total
*
*
As subunidades da hemoglobina são estruturalmente
 semelhantes às da mioglobina
 Duas representações do modelo estrutural quaternário da desoxi-hemoglobina mostrando os 4 grupos heme nas cadeias alfa e beta
*
*
HEMOGLOBINA
Tetrâmero: contém 2 cadeias α (141 aminoácidos) e 2 cadeias β (146 aminoácidos)
Os monômeros permanecem unidos por interações não-covalentes
Hemoglobina: 4 grupos heme (1 para cada monômero)
O O2 se liga ao Fe2+ de cada um dos grupos heme
*
*
Ligação do oxigênio à hemoglobina
A mioglobina apresenta uma curva hiperbólica de ligação ao O2 (liga o O2 com uma alta afinidade)
A hemoglobina apresenta uma curva sigmóide de ligação ao O2 (transfere mais O2 para os tecidos periféricos)
A curva sigmóide indica interação cooperativa entre as subunidades da molécula
A ligação do O2 a uma subunidade aumenta a afinidade das demais subunidades pelo O2 
Pode-se dizer que em baixas pO2, a hemoglobina reluta em se ligar. Com o aumento da pO2, a ligação ao O2 aumenta abruptamente
*
*
COMPARAÇÃO ENTRE HEMOGLOBINA E MIOGLOBINA
Mb P50 = 2.8 torr
(50% saturação)
Hb P50 = 26 torr
(50% saturação)
A mioglobina liga O2 em condições nas quais a hemoglobina o libera.
Assim, as duas proteínas formam um sistema sofisticado de transporte de O2 que envia O2 dos pulmões para os músculos (onde a pO2 deve ser menor que 20 torr).
*
*
MECANISMO DE COOPERATIVIDADE: Equação de Hill linearizada
Na equação acima n determina a inclinação da curva, que não reflete o número de sítios de ligação e sim o grau de interação entre eles
n = 1 (ligação não cooperativa)
n > 1 (cooperatividadepositiva)
n < 1 (cooperatividade negativa)
*
*
BASE ESTRUTURAL:
 A ligação do O2 provoca alterações na estrutura quaternária 
Ocorre transição da forma T (tenso) para R (relaxado)
*
*
HEMOGLOBINA: TRANSIÇÃO T→R
Ligação com O2: as subunidades individuais alteram-se pouco, mas os contatos α1-β2 e α2-β1 sofrem um deslocamento
A oxigenação provoca uma rotação de um dímero α1-β1 em relação ao outro α2-β2 em cerca de 15° 
Causam modificações estruturais quaternárias. Os contatos α1-β1 e α2-β2 não são alterados significativamente
*
*
HEMOGLOBINA: ALTERAÇÕES CONFORMACIONAIS
Cooperatividade: a ligação do O2 a um grupo heme aumenta a afinidade dos demais grupos heme no tetrâmero pelo O2.
Como um grupo heme altera a afinidade dos demais grupos heme pelo O2, visto que estão longe demais uns dos outros para interagirem eletronicamente?
Ao se ligar com o O2 a estrutura do grupo heme é alterada. Como esta alteração é transmitida
até as interfaces distantes?
*
*
INTERAÇÃO DA HEMOGLOBINA COM O2 MODIFICA SUA ESTRUTURA NO ESPAÇO
A ligação do oxigênio ao átomo de Ferro
do grupo HEME, traciona a Histidina F8
*
*
HEMOGLOBINA: ALTERAÇÕES CONFORMACIONAIS
 Forma T: o átomo de ferro está fora do plano da porfirina (em direção à histidina proximal-F8) e o grupo heme se encontra convexo
 Desta forma o comprimento da ligação Fe-O2 deve ser maior e portanto, mais fraca (menor afinidade pelo O2)
 A ligação com O2 altera o estado eletrônico do heme
 As ligações coordenadas Fe-N são encurtadas e o heme assume a forma planar
 O Fe move-se para o centro do heme arrastando com ele a histidina F8 (proximal)
Assim, a afinidade pelo oxigênio se torna maior
Histidinas proximais [α87 (F8) ou β92 (F8)]
*
*
HEMOGLOBINA: ALTERAÇÕES CONFORMACIONAIS
8 interações iônicas cruzadas (pontes salinas) entre as subunidades da deóxi-hemoglobina restringem e estabilizam o movimento da cadeia na Forma T.
*
*
HEMOGLOBINA: ALTERAÇÕES CONFORMACIONAIS
Alterações estruturais do grupamento heme e o deslocamento da hélice F devido à ligação com O2
*
*
Modelos de cooperatividade propostos para ligação do O2 na Hb
A ligação do 1º O2 
a um dos grupos heme de uma das cadeias facilita a ligação aos outros 
Forma T = desóxiHB
de menor afinidade 
Forma R = óxiHB
de maior afinidade 
Simetria (mudança simultânea)
Subunidades com a mesma conformação
Sequencial
T
R
T
R
equilíbrio
*
*
O mais correto seria dizer que os dois modelos têm validade, dependendo da proteína em particular: há proteínas cujo comportamento se aproxima do modelo simétrico e outras que se aproximam do modelo sequencial.
Modelos de cooperatividade: qual o modelo mais correto?
Após 4 décadas de estudo: Os modelos sequenciais e simetrico de alosterismo podem fornecer ajustes igualmente bons para as medidas da curva de dissociação do oxigênio da Hb. 
*
*
*
*
A hemoglobina transporta cerca de 40% do total de prótons e 15-20% do CO2 formados nos tecidos até os rins e pulmões
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Cadeias polipeptídicas da hemoglobina
Família Beta - 
	b – encontrada na Hb adulta HbA1 .
	d – encontrada na Hb adulta HbA2. 
	g – encontrada na Hb fetal HbF.
	e – encontrada em Hb embrionária, Hb Gower 1 e 	Hb Gower 2
Família alfa -
	a1, a2 – encontradas na Hb adulta, HbA1, HbA2.
	z zeta – encontrada em Hb embrionárias, Hb Gower 1 	e Hb Portland.
*
*
As hemoglobinas embrionárias (Gower-1 e Gower-2) apresentam baixa afinidade ao oxigênio, fato que permite rápida liberação de oxigênio na fase embrionária inicial. 
A outra hemoglobina embrionária (Hb Portland), apresenta-se com alta afinidade ao oxigênio, e sua presença é mais representativa na fase de transição entre embrião e feto.
 Ao se transformar em feto, a hemoglobina predominante é a Hb Fetal que tem alta afinidade ao oxigênio e é a causa da elevada concentração de hemoglobina em sangue de neonatos.
*
*
*
*
Hemoglobina Fetal
Hemoglobina Fetal
Hemoglobina materna
*
*
A Hemoglobina é uma proteína alostérica
A ligação do O2 à Hemoglobina é regulada por H+, CO2 e 2,3-BPG (efetores alostéricos)
Eles afetam as propriedades de ligação ao O2 ao se ligar 
a sítios diferentes
As interações entre locais espacialmente distintos são chamadas
de interações alostéricas
A interação entre subunidades permite que elas influenciem
o comportamento umas das outras 
Interações homotrópicas ou heterotrópicas?
*
*
HEMOGLOBINOPATIAS
Talassemia é uma doença hereditária autossômica recessiva que afeta o sangue. Na talassemia, o defeito genético resulta na redução da taxa de síntese de uma das cadeias de globina que formam a hemoglobina. A redução da síntese de uma das cadeias de globina pode causar a formação de moléculas de hemoglobina anormais, causando anemia - sintoma característico de apresentação da talassemia. Anemia: doença em que a capacidade do sangue em transportar oxigênio para os tecidos está reduzida, seja pela redução de eritrócitos (hemácias) seja pela redução de hemoglobina.
A talassemia é um problema quantitativo de globinas pouco sintetizadas, enquanto que a anemia falciforme é um problema qualitativo na síntese e de um funcionamento incorreto da globina. Talassemia geralmente resulta na deficiente produção de globina normal, muitas vezes através de mutações em genes reguladores.
Globina é uma proteína que constitui a parte proteica apoproteína da hemoglobina, sendo o heme o grupo prostético da hemoglobina.
*
*
HEMOGLOBINOPATIAS
 Mudanças de resíduos localizados na superfície da molécula são, em geral, inócuas porque a maioria desses resíduos não tem um papel funcional específico
 Embora a hemoglobina da anemia falciforme [HbS] seja uma clara exceção a essa generalização
 Mudanças em resíduos internos com frequência desestabilizam a molécula de hemoglobina
*
*
*
*
Na HbS ocorre a troca de Glutamato por Valina (posição 6 das Cadeias β) na parte externa da hemoglobina, o que resulta em insolubilidade da proteína.
Traços falciformes
Anemia falciforme
*
*
*
*
Polimerização da HbS
A oxigenação do sangue reverte o processo
*
*
A oxiemoglobina não forma polímeros insolúveis porque a conformação R não apresenta a concavidade hidrofóbica
Anemia falciforme
Hemoglobina A: o glutamato carregado não se encaixa na concavidade hidrofóbica
As hemácias deformadas causam oclusão de pequenos vasos sanguíneos, dificultando a circulação e provocando lesão de múltiplos orgãos
*
*
*
*
Curiosidades
*
*
 O parasita da malária passa parte do seu ciclo de vida nas hemácias, alimenta-se da hemoglobina e depois provoca hemólise, o que origina febre. Tanto a anemia falciforme e a talassemia são comuns nas áreas da malária pois estas mutações oferecem resistência a esta doença.
*
*
Ler é sempre importante...
Desde a década de 1940, os cientistas sabem que a anemia falciforme, uma doença hereditária que causa mutação nos glóbulos vermelhos do sangue, protege seus portadores contra a malária. Porém, só recentemente, com uma pesquisa publicada pela revista “Science”, ficou claro como funciona o processo.
Grupo descobre como a anemia falciforme protege contra a malária
Doença modifica glóbulos vermelhos e bloqueia transporte do parasita. Estudo foi publicado pela revista 'Science'.
*
*
Normalmente o protozoário Plasmodium usa uma proteína chamada adesina para chegar à parte externa dos glóbulos vermelhos, de onde chegam às paredes dos vasos sanguíneos. A partir daí, provocam os problemas neurológicos e circulatórios ligados à malária.
Nas pessoas que têm anemia falciforme, esse mecanismo é bloqueado. O Plasmodium não acessa a parte externa dos glóbulos vermelhos e, por isso, não há infecção. “Todo o sistema de transporte do parasita da malária fica degenerado nessas células”,resume Marek Cyrklaff, pesquisador do Departamento de Doenças Infecciosas da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, um dos autores do artigo.
“Com esses resultados, descrevemos agora um mecanismo molecular que explica pela primeira vez o efeito protetor dessa hemoglobina contra a malária”, completa Michael Lanzer, líder do grupo de pesquisa.
Cyrklaff M, Sanchez CP, Kilian N, Bisseye C, Simpore J, Frischknecht F, Lanzer M. (2011) Hemoglobins S and C interfere with actin remodeling in Plasmodium falciparum-infected erythrocytes. Science 334: 1283-1286.
Rieger, H., Yoshikawa, H. Y., Quadt, K., Nielsen, M. A., Sanchez, C. P., Salanti, A., Tanaka, M. and Lanzer, M. (2015) Cytoadhesion of Plasmodium falciparum-infected erythrocytes to chondroitin-4-sulfate is cooperative and shear enhanced. Blood 125: 383-391.
Bom estudo!
*