Heme Ferro Metabol AULA1 060114

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METABOLISMO DO HEME E DO FERRO - Aula 1
Referências
1. Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas – 5a edição - Devlin, Thomas M. / caps. 24
9 - Proteínas parte II: Relações Estrutura-Função nas Famílias de Proteínas
	9.5 Hemoglobina e Mioglobina
24 – Metabolismo do Heme e do Ferro
2. Princípios de Bioquímica – 4a edição - Lehninger / cap.5
5 – Função das proteínas
	5.1 Ligação reversível proteína-ligante: proteínas que se ligam ao oxigênio
3. Bioquímica Ilustrada / Cap.3 – Proteínas Globulares
Profa. Cíntia Rocha – cintia.rocha@ufpe.br
Depto. Bioquímica – UFPE
LIKA
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METABOLISMO DO HEME
Metabolismo do heme é um importante processo metabólico porque muitas proteínas contêm o heme como grupo prostético. Quando estas hemeproteínas são degradadas, o grupo heme não é "reaproveitado" mas sim degradado. Novos grupos heme são sintetizados para sua reposição.
O heme é um membro de uma família de compostos chamados PORFIRINAS
Protoporfirina IX
2+
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HEME - grupo presente nas hemeproteínas
Porfirina
4 anéis pirrólicos
Protoporfirina IX
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Hemoglobina é quantitativamente a hemeproteína mais importante
Ela é a transportadora de oxigênio no sangue
O corpo contém 750 grs de hemoglobina; ela é reposta a cada 120 dias.
A reposição de hemoglobina requer a síntese de 6-8 grs de nova hemoglobina diariamente, um processo que utiliza ~14% dos amino ácidos da dieta. 300 mgs de heme são sintetizados diariamente por conjugação com síntese de novas globinas
Citocromos estão presentes na mitocôndria e no retículo endoplasmático
Estas proteínas participam de reações da cadeia de transporte de elétrons
Meia vida da ~132 horas
Catalase e peroxidase reagem com peróxido de hidrogênio
Estas enzimas protegem o corpo contra oxidação descontrolada pelo peróxido de hidrogênio.
Meia vida da ~20 horas
Exemplos de Hemeproteínas
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Mioglobina - encontrada principalmente nos músculos
(PM 17,700; Mb)
153 aa
1 único grupo heme
globina
8 alfa-hélices
habilidade de ligar e desligar O2
Expressão de equilíbrio: P + L PL
A reação é caracterizada por uma expressão de equilíbrio, Ka, que fornece uma medida da afinidade
do ligante L pela proteína. Quanto maior o valor de Ka, maior a afinidade do ligante:
 Ka = [PL]
 [P] + [L]
*ka é uma constante de associação
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Hemoglobina
Para assumir o transporte de oxigênio em diversas espécies, a natureza selecionou três famílias de moléculas com diferenças marcantes em sua estrutura:
1. Hemocianinas, que são metaloproteínas contendo cobre como grupo prostético no seu sítio de ligação do oxigênio. Elas são encontradas em moluscos e artrópodes.
2. Hemeritrinas, que são metaloproteínas contendo ferro com grupo prostético no sítio de ligação do oxigênio. Elas são encontradas somente em poucos vermes marinhos.
3. E Hemoglobinas para as quais um grande variedade de moléculas são encontradas em todo tipo de espécie de microorganismos e vegetais até o homem.
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Praticamente todo o O2 carregado no sangue dos animais está ligado
e é transportado pela hemoglobina nos Eritrócitos (céls. vermelhas do sangue)
Células tronco/ hemocitoblastos eritrócitos
hemocitoblastos; 120 dias de vida; sangue arterial = 96% saturada; sangue venoso = 64% saturada
Função principal: transportar hemoglobina dissolvida no citosol em altas concentrações
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Hemoglobina
- Hemoglobina (PM 64,500 Da; Hb) é ligeiramente esférica. 
Proteína tetramérica contendo 4 grupos heme prostéticos. 
Cada grupo heme está associado com um polipeptídeo 
Hemoglobina adulta: 2 tipos de globina
	
	2 cadeias  (141 aa)
	2 cadeias  (146 aa)
Somente a metade da estrutura primária é idêntica entre as duas subunidades mas as estruturas 3D são muito similares. 
Além disto a estrutura 3D é também muito similar à mioglobina sendo que as três estruturas ( ; ; mioglobina) apresentam somente 27 aminoácidos idênticos na mesma posição.
 
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Meta-hemoglobina é uma forma de proteína da hemoglobina, na qual o ferro no grupo hemo está no estado Fe3+ e não no Fe2+ da hemoglobina normal. 
A meta-hemoglobina é incapaz de transportar o oxigênio. É da cor chocolate escuro. A enzima NADH-dependente meta-hemoglobina reductase (ou diaforase I) é responsável por converter a meta-hemoglobina novamente em hemoglobina.
Normalmente um a dois porcento das hemoglobinas das pessoas é meta-hemoglobina; uma porcentagem mais alta que isto pode ser genético ou causado pela exposição a diversos medicamentos e dependendo do nível pode causar problemas de saúde conhecido por meta-hemoglobinemia. 
Metahemoglobina
Fe3+ 
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Sequência de aa da mioglobina de baleia e cadeias  e  da hemoglobina humana
27 aa idênticos
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As subunidades da hemoglobina são estruturalmente similares a Mioglobina
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Análise de raio-X: transição T R
A modulação da ligação do oxigênio permite á proteína transportardora de O2 responder
à variação de demanda de O2 pelos tecidos
maior afinidade pelo O2
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Interações dominantes entre as subunidades de hemoglobina
Quando o oxigênio se liga, o contato entre 11 se modifica um pouco, mas há uma mudança muito maior
no contato entre 12, com diversas quebras de pareamentos iônicos
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Modificações conformacionais perto do sítio heme na ligação de O2
Hemoglobina liga oxigênio cooperativamente
OBS. Monóxido de carbono (CO) liga molécs. heme livres 20,000X melhor que O2, mas CO se liga ~200X melhor quando heme está ligado á mioglobina
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Curva de ligação sigmoidal (cooperativa) - proteínas alostéricas
Ligantes/moduladores: interações homotrópicas e heterotrópicas
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Efeito Bohr - Christian Bohr 1904
	Em pH relativamente baixo e alta [CO2] nos tecidos periféricos, a afinidade da Hb pelo O2 diminui a medida que H+ e CO2 são ligados, e O2 é liberado para os tecidos. Já nos capilares dos pulmões, a medida que CO2 é excretado e consequentemente sobe o pH do sangue, a afinidade da Hb pelo O2 aumenta e a proteína liga mais O2 para transporte para os tecidos periféricos
 HHb+ + 4O2 Hb(O2)4 + H+
Hemoglobina também transporta H+ e CO2
CO2 + H20 H+ + HCO3-
A ligação da Hb + O2 é profundamente influenciada pelo pH e [CO2]
A ligação de H+ e CO2 é inversamente relacionada a ligação de O2
anidrase carbônica
 Hb-NH2 + CO2 Hb-NH-COO- + H+ (CO2 ESTABILIZA FORMA T; ÍON CARBAMATO)
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Efeito do pH na ligação do oxigênio à hemoglobina
O pH do sangue nos pulmões é 7,6 e nos tecidos é 7,2. Medidas experimentais na ligaçaõ do oxigênio com hemoglobina são frequentemente realizadas a pH 7,4.
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HbBPG + O2 HbO2 + BPG
A ligação do oxigênio á hemoglobina é regulada pelo 2,3-Bifosfoglicerato
Modulação alostérica
heterotrópica
BPG afeta a afinidade (-) da
Hb pelo O2 especialmente acima dos 
4500 ms e em condições de hipóxia
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Efeito do 2,3-BPG na ligação do oxigênio com a hemoglobina
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Ligação do 2,3-BPG á deoxihemoglobina 
BPG estabiliza o estado T da deoxihemoglobina (menor afinidade)
Cargas negativas do BPG interagem com diversos grupos carregados positivamente (em azul) 
que se localizam perto do bolsão formado entre as subunidades .
O bolsão de ligação desaparece durante a oxigenação da proteína, seguido à transição para o estado R
BPG : importante para feto
Concentracão do 2,3-bifosfoglicerato: aumenta em condições de enfizema obstrutiva, altitudes elevadas,
 e também em quadros de anemia crônica.
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PAPEL DO 2,3-BIFOSFOGLICERATO NO SANGUE TRANSFUNDIDO
-O 2,3-BPG é essencial para a função normal da hemoglobina de transporte do oxigênio pela
hemoglobina.
Sangue estocado em ácido-citrato-dextrose(anteriorment muito utilizado) leva a uma redução
do 2,3-BPG nos eritrócitos.
Esse sangue apresenta uma afinidade pelo oxigenio anormalmente elevada e apresenta dificuldade
em liberá-lo de forma adequada para os tecidos. 
Embora os eritrócitos transfundidos tenham capacidade de restaurar as concentrações de,
2,3-BPG em 24 – 48 hrs , pacientes gravemente doentes podem ter seu estado agravado se 
transfundidos com grandes quantidades deste sangue “depletado”de 2,3-BPG.
- Substratos como Inosina se adicionados ao meio de armazenamento evitam a a redução do 2,3-BPG.
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Eritrócitos uniformes, normais (A)
Eritrócitos de formas variadas
 em células falciformes anêmicas (S) 
Anemia Falciforme
doença molecular da Hb
Val6 no lugar de um Glu6
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Hemoglobina normal (A) e hemoglobina falciforme (S)
Hemoglobina S: um único aa modificado nas cadeias 
Como resultado desta troca, deoxiglobina S tem uma região
hidrofóbica na sua superfície, que leva à agregação das
moléculas em fitas que se alinham em fibras insolúveis 
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Meta-hemoglobina é uma forma de proteína da hemoglobina, na qual o ferro no grupo hemo está no estado Fe3+ e não no Fe2+ da hemoglobina normal. A meta-hemoglobina é incapaz de transportar o oxigênio. É da cor chocolate escuro. A enzima NADH-dependente meta-hemoglobina reductase (ou diaforase I) é responsável por converter a meta-hemoglobina novamente em hemoglobina.
Normalmente um a dois porcento das hemoglobinas das pessoas é meta-hemoglobina; uma porcentagem mais alta que isto pode ser genético ou causado pela exposição a diversos medicamentos e dependendo do nível pode causar problemas de saúde conhecido por meta-hemoglobinemia. Um alto nível de meta-hemoglobina poderá fazer com que um oxímetro de pulso aproxime-se de 85% independentemente do nível verdadeiro de saturação de oxigênio.
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Resíduos em cor de rosa: conservados em todas as globinas conhecidas.
Resíduos em cinza:
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Monóxido de carbono (CO)
liga molécs. heme livres
20,000X melhor que O2, mas CO 
se liga ~200X melhor quando heme 
está ligado á mioglobina
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efeito Bohr reflete o fato de que a desohemoglobina possui maior afinidade aos protóns do que a oxihemoglobina. Esse efeito é causado por grupos ionizáveis, como grupos 
alfa-amino N-terminais e cadeias laterais específicas de histidina, que possuem pKa mais altos na desoxihemoglobinado que na oxihemoglobina. Assim, um aumento na concentraçãp de
protóns (resultano na diminuição do pH) faz com que esses grupos fiquem protonados (carregados) e capazes de formar ligações ionicas (também chamadas pontes salinas).
Essas ligações estabilizam preferencialmente a forma desoxi da hemoglobinam produzindo uma redução na afinidade pelo oxigênio. o aumento de protons desloca o equibrio da reação
para a esquerda.
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Eritrócitos: 2,3-bifosfoglicerato é encontrado em alta concentração (equivalente á da hemoglobina!), enquanto em outras células encontra-se apenas traços.
 É sintetizado a partir do 1,3-bifosfoglicerato (glicólise) pela ação da bifosfoglicerato-mutase. Posteriormente é hidrolisado por uma fosfatase, dano 3-fosfoglicerato que 
também é intermediário da glicolise. Nos eritrócitos a glicólise sofre estes “desvios de reação” (Pâmela).
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Concentracão do 2,3-bifosfoglicerato aumenta em condições de enfizema obstrutiva ou altas altitudes, também em quadros de anemia crônica.
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