MDA-mioglobina-hemoglobina

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MATERIAL DE APOIO DIDÁTICO – BIOQUÍMICA I – PROF. GUSTAVO
MIOGLOBINA E HEMOGLOBINA: A
ALOSTERIA EM PROTEÍNAS MONOMÉRICAS E
COM ESTRUTURA QUATERNÁRIA
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Este texto mostra duas proteínas globulares relacionadas evolutivamente e com funções
semelhantes, uma com estrutura terciária enquanto a outra é quaternária. As duas proteínas foram as
primeiras a ter a estrutura elucidada e servem para mostrar também o fenômeno da alosteria presente
em algumas proteínas e, com relevância para a Bioquímica Metabólica, algumas enzimas reguladoras.
As duas possibilitam a chegada do oxigênio inalado da atmosfera até o principal local de consumo: as
mitocôndrias, onde será reduzido a água.
A MIOGLOBINA
A Mioglobina e a Hemoglobina, evolutivamente relacionadas, são denominadas hemoproteínas
devido à presença de um grupo denominado Heme e descrito adiante. Sua função principal consiste no
transporte de oxigênio, graças à ligação reversível desse gás. 
A mioglobina, precursora evolutiva das hemoglobinas, é uma proteína monomérica (só tem
uma cadeia polipeptídica), achada primariamente no tecido muscular, no qual transporta o oxigênio que
difunde desde os capilares até as mitocôndrias. Em animais que fazem mergulho prolongado, a alta
concentração dessa proteína nos seus músculos permite que desempenhe também a função de
estocagem de O2.
A estrutura terciária da mioglobina é típica de uma proteína globular, compacta, com 153
resíduos e oito segmentos de hélices alfa que compõem 75 % da sequência, unidos por segmentos não
helicoidais (Figura 1). 
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Figura 1. Molécula de Mioglobina, com a cadeia polipeptídica e o grupo Heme (figura
gerada pelo programa Pymol para Linux)
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As hélices são dextrógiras1 e designadas pelas letras A até H. Os resíduos do interior são
predominantemente hidrofóbicos, enquanto os expostos à superfície são em geral hidrofílicos,
possibilitando a solubilização da proteína. Cada mioglobina possui um grupo prostético ligado à cadeia
polipeptídica, denominado Heme. O Heme tem um átomo de Ferro central na forma de Fe 2+,
responsável pela ligação reversível do O2 (Figura 2).
O grupo Heme se localiza no interior de um bolsão hidrofóbico que impede a entrada de água,
de forma a evitar a oxidação do Fe2+. Se isso acontecer, a forma férrica (Fe3+) não liga o oxigênio, e
temos a denominada meta-mioglobina.
A ligação à cadeia polipeptídica é feita através de uma Histidina, chamada proximal, e a ligação
do O2 ocorre na sexta coordenação (veja a Fig. 5). Uma histidina, chamada distal, situa-se próxima da
molécula de O2, de forma a perturbar e enfraquecer a ligação Fe-O2. Se isso não acontecesse, a ligação
não seria desfeita quando cai a pressão parcial de O2 (pO2) no meio. 
O monóxido de carbono (CO) também se liga ao grupo Heme na forma Fe2+, porém com uma
afinidade muito maior do que o oxigênio. Essa ligação, difícil de romper, é parcialmente responsável
pelos efeitos tóxicos do CO, que pode assim se ligar tanto à mioglobina quanto à hemoglobina.
A afinidade da Mioglobina por oxigênio é modulada pela ligação do lactato formado pelo
próprio tecido muscular. Sua ligação à Mb diminui a P50, possibilitando a dissociação de mais oxigênio
1 A denominação se refere ao sentido do giro da hélice, não à atividade ótica.
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Figura 2. Grupo Heme, um tetrapirrol coordenado a um átomo central de Ferro (laranja) (figura gerada pelo programa Pymol
para Linux).
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para consumo no miócito. O efeito do lactato, que afeta a ligação do oxigênio, mostra que moléculas
diferentes podem se ligar em locais diferentes da Mb, afetando uma a ligação da outra. Isso é
denominado alosteria heterotrópica. Esse efeito fica claro no gráfico da figura 3 abaixo. Se olharmos
para o gráfico mais à esquerda, de formato hiperbólico, ele corresponde à mioglobina, e mostra elevada
afinidade por oxigênio. O valor de pO2 capaz de saturar 50 % das moléculas de Mb é denominado P50,
e expresso usualmente em mm Hg ou Torr (Torricelli). Quanto menor for esse valor, mais elevada é a
afinidade por O2. Apenas para deixar claro, o lactato não se liga ao grupo Heme, e sim à cadeia da Mb.
Qual seria o efeito do lactato nessa curva? Se ele diminui a afinidade pelo gás oxigênio, o efeito
prático é causar um deslocamento da curva para a direita, aumentando a P50, que passaria de 2,8 mm
Hg para valores maiores. Se agora imaginarmos uma linha vertical nos 20 mm Hg e uma curva de
ligação de O2 que passe à direita da que é mostrada na figura, seria possível observar que naquela pO 2 a
saturação da Mb seria menor, isto é, a diferença de saturação entre a curva mostrada e a imaginária seria
proporcional ao oxigênio “a mais” entregue ao tecido muscular.
Aproveitando a figura: o formato hiperbólico da curva da Mb deriva do fato dessa proteína ser
monomérica (isso vai ficar mais claro quando analisarmos a próxima proteína).
A HEMOGLOBINA
A hemoglobina (Hb) adulta humana é formada por um tetrâmero simétrico constituído por
duas cadeias alfa e duas beta (α2β2)1 (veja a figura da primeira página). Sua função primária é efetuar o
transporte de oxigênio dos pulmões para os tecidos, onde é usado principalmente como aceptor final
de elétrons na cadeia respiratória mitocondrial. No caso de outros vertebrados, como os peixes, a Hb
tem uma estrutura semelhante, e os órgãos de troca gasosa são as brânquias, e/ou outros, usados como
respiração acessória (a exemplo de peixes da Bacia Amazônica).
 As cadeias de hemoglobina (Figura 4) originaram-se da mioglobina por duplicação gênica e
evolução divergente ao longo de milhões de anos, tendo cada uma um padrão de estrutura terciária
bastante semelhante, e um grupo Heme igual ao da mioglobina. 
O fato da hemoglobina possuir estrutura quaternária, dá origem a propriedades não existentes
na mioglobina. A curva de ligação de oxigênio ilustra propriedades alostéricas da hemoglobina que não
estão presentes na Mb. Seu formato é sigmoidal, típico de proteínas nas quais o substrato, neste caso
o oxigênio, é um efetor positivo homotrópico. Quando o oxigênio se liga à primeira subunidade da
desoxi-hemoglobina, o faz com baixa afinidade, porém aumenta a afinidade das cadeias remanescentes
pelo gás. Ou seja, a segunda ligação é facilitada, a terceira é mais ainda, e a maior afinidade ocorre para
a ligação da quarta molécula. Na pressão parcial de oxigênio dos alvéolos, a hemoglobina é saturada. O
uso do sufixo “homo” se refere ao fato do oxigênio interferir com a ligação de outras moléculas do
1 Neste caso as denominações alfa e beta não se referem aos padrões estruturais secundários.
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Figura 3. Curvas de ligação de oxigênio da 
mioglobina e da hemoglobina (quizlet.com).
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mesmo gás.
Na medida em que a hemoglobina, contida nos
glóbulos vermelhos, passa por capilares com menor pO2,
vai simultaneamente cedendo parte do seu O2 e tendo sua
afinidade reduzida. Isso assegura que, na baixa pO2 dos
tecidos, especialmente o tecido muscular em exercício, a
hemoglobina possa liberar o oxigênio. 
As propriedades alostéricasda Hb surgem
diretamente da interação do O2 com o Fe do grupo Heme,
e os efeitos dessa interação sobre a estrutura quaternária
da proteína. Quando o O2 se liga ao átomo de Ferro, ele
puxa esse átomo para dentro do plano do anel do grupo
Heme. Como o Ferro é ligado à Histidina proximal, a
alteração é transmitida para a cadeia polipeptídica da
globina. As mudanças conformacionais na interface entre
as subunidades levam a alterações das interações entre
elas. Essas mudanças incluem a quebra e formação de
novas interações fracas, contribuindo para uma nova
estrutura quaternária.
Veja, na figura 5 abaixo, a ligação entre a histidina
proximal e o grupo Heme, e como o átomo de Fe está
deslocado em relação ao anel. A ligação de O2 causa seu alinhamento e “puxa” a cadeia através da
Histidina.
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Figura 5. Ligação do grupo Heme à globina. Fonte: indicada na figura.
Figura 4. Evolução dos genes de globina a partir da 
mioglobina.
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Essas alterações são transmitidas até o bolsão de ligação do oxigênio, causando uma facilitação
da ligação do gás, ou seja, um aumento da afinidade. 
A conformação de baixa afinidade da Hb é denominada de Estado T (tenso), e
predomina na forma desoxigenada; ela reflete o máximo grau de interação não covalente entre
as quatro cadeias. Em contraste, a forma R (relaxada), de alta afinidade, predomina no estado
oxigenado Hb(O2)4, tendo parte daquelas interações quebradas devido à alteração
conformacional do tetrâmero.
A afinidade por O2 é regulada, também, pela ação de efetores alostéricos heterotrópicos
(lembra do lactato na mioglobina?), que se ligam a outros sítios (não no grupo Heme). Todos os abaixo
citados têm afinidade maior pelo estado T, de forma que o estabilizam. O resultado disso é que a
afinidade por O2 diminui mais ainda. Como exemplos podemos citar: o CO2, prótons (H+), íon cloreto
(Cl-), e 2,3-BPG (2,3-bifosfoglicerato).
Na pO2 elevada dos pulmões, há gás suficiente para se sobrepor ao efeito de diminuição da
afinidade dos efetores heterotrópicos (veja na figura 3). Durante a ligação de O2, as alterações
conformacionais de várias cadeias laterais de resíduos da Hb fazem com que sejam liberados prótons
para o meio:
 4O2 + Hb <=> nH+ + Hb(O2)4
ou seja, a Hb se comporta como ácido. Apesar de aumentar a [H+], isso não influencia a afinidade da
Hb, pelo pH elevado (7,4-7,5) e a alta pO2. A situação é diferente nos tecidos, quando a pO2 e o pH
(~7,2) são mais baixos, e nesse caso, sim, é favorecida a liberação do oxigênio.
Considerando o que ocorre nos tecidos, percebemos claramente que o CO2, H+ e Cl- tenham
como efeito a diminuição da afinidade por oxigênio. As células produzem CO2 como subproduto do
metabolismo, ele difunde rapidamente para o sangue, e entra na circulação. Dentro dos glóbulos
vermelhos, uma enzima, a anidrase carbônica, hidrata muito rapidamente o CO 2, de acordo com o
esquema:
CO2 + H2O --------> H2CO3 ------> H+ + HCO3-
 (ác. Carbônico) (Bicarbonato)
O bicarbonato difunde para fora da hemácia e é levado pelo sangue até os pulmões (transporte
iso-hídrico). 
Nos tecidos, os prótons dissociados do ácido carbônico são ligados pela Hb (aqui agindo como
base), exercendo uma diminuição da afinidade por oxigênio, e forçando a liberação de mais gás nos
tecidos. 
Nos pulmões a alta pO2 permite a ligação do O2 levando a Hb da forma T para a forma R, o
que causa a liberação dos prótons. Estes se combinam com o bicarbonato que vem dos tecidos,
formando ác. Carbônico, que entra nos eritrócitos. Por reversão da reação, a mesma anidrase carbônica
forma CO2 e H2O. O CO2 é liberado para os alvéolos e depois eliminado pela expiração.
Entre 80 e 85 % do CO2 é levado para os pulmões dessa forma, e o resto na forma ligada à Hb
como carbamato nos resíduos N-terminais (carbamino-Hb). Esta reação também libera prótons,
diminuindo o pH e contribuindo para a liberação do O2 nos tecidos.
CO2 + Hb-NH2 <-----> H+ + Hb-NH-COO-
Nos pulmões a oxigenação da Hb induz a liberação dos prótons ligados a ela, o que reverte a
reação e o CO2 é liberado. 
Como vimos acima, a conformação da Hb e a afinidade por O2 são sensíveis ao pH; esse efeito
é denominado “Efeito Bohr”, no qual o decréscimo do pH induz a liberação do oxigênio pela
diminuição da afinidade. A figura 6 mostra o efeito Bohr:
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Percebe-se, claramente, que a nível dos tecidos, a diminuição do pH causa uma queda na
saturação sanguínea, ou seja, a Hb responde a uma acidificação do sangue liberando mais O2. À medida
que acidifica o pH do sangue cada curva passa no gráfico mais à direita, e se olharmos a região azul que
corresponderia à pO2 nos tecidos, cada diminuição do pH se traduz em uma maior dissociação de
oxigênio para os tecidos, refletindo o efeito da elevação da P50 e diminuição da afinidade por oxigênio.
Simultaneamente à difusão do bicarbonato para fora dos eritrócitos, deve haver a migração, em
sentido contrário, de outro íon, para manter a neutralidade elétrica. O cloreto desempenha esse papel, e
ao entrar diminui a afinidade da Hb por oxigênio (veja a figura abaixo).
O processo contrário ocorre quando a Hb é oxigenada e o CO2 é eliminado.
O 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BPG) derivado de um intermediário da via glicolítica dentro dos
eritrócitos (o 1,3-bifosfoglicerato) é um potente efetor alostérico. É capaz de se ligar à forma
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Figura 5. Efeito do pH sobre a
afinidade por oxigênio. Fonte: está
indicada na figura.
Figura 6. transporte de CO2 dos tecidos para o sangue, com os efeitos sobre a oxigenação.
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desoxigenada (T) da Hb, em uma cavidade formada no centro da molécula, entre as cadeias beta. Ao se
ligar, estabiliza fortemente a conformação T de baixa afinidade. Veja a figura abaixo:
 Na conformação T (desoxigenada), se forma uma cavidade que oferece cadeias laterais
carregadas positivamente, possibilitando a ligação do 2,3-BPG, estabilizando o estado T e diminuindo
assim a afinidade. Na ausência do 2,3-BPG, a oxigenação acontece mais facilmente nos pulmões,
porém a curva se torna inadequada ao papel de distribuição de O2 devido à alta afinidade.
Tal qual vimos com os prótons, o aumento da concentração do 2,3-BPG favorece a
transformação da forma R para a forma T, e diminui a quantidade de O2 ligado à Hb. As moléculas de
hemoglobina que têm diferente composição em termos de subunidades, têm também diferenças nas
respostas alostéricas ao 2,3-BPG. Por exemplo, a hemoglobina Fetal (HbF) liga 2,3-BPG com muito
menor afinidade do que a Hb adulta (HbA). Isso possibilita que a HbF tenha maior afinidade por O 2, e
permita ao feto obter o gás da circulação materna, através da placenta.
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Figura 7. Ligação do 2,3-bifosfoglicerato à desoxi-hemoglobina, em sítio entre as cadeias beta.