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Hemoglobina e Mioglobina

Relação entre a estrutura e a função das proteínas

Guadalupe Cabral (guadalupe.cabral@fcm.unl.pt)

Tecidos, Células e Moléculas 2015/2016

As globinas constituem um bom exemplo para se compreender as

relações entre a estrutura e a função das proteínas.

A Hemoglobina, composta por quatro cadeias

polipeptídicas, é uma proteína transportadora de

oxigênio.

apresenta afinidade variável por O2

A Mioglobina, composta por uma cadeia polipeptídica,

é uma proteína armazenadora de oxigénio, presente

no tecido muscular de mamíferos.

apresenta alta afinidade por O2

Alterações estruturais têm repercussões funcionais

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mioglobinaglobina α globina β

hemoglobina

Comparação das estruturas 3D das globinas α e β da

hemoglobina e mioglobina

Apesar do baixo grau de identidade das 3 sequências de aminoácidos globínicas há uma semelhança estrutural das 3 globinas, formadas por

7/8 segmentos de αααα-hélice que delimitam uma fenda, na qual se localiza o heme.

O heme das globinas é responsável pela ligação ao oxigênio

Heme sintase

+ Fe2+

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Hemoglobina - características

� Proteína globular, em altas concentrações nos glóbulosVermelhos� Transporta O2 do aparelho respiratório para os tecidosperiféricos (4 moléculas de O2 por cada molécula dehemoglobina)� Transporta CO2 dostecidos para os pulmões� Valores normais no sangue:13-18 g/dl no homem12-16 g/dl na mulher

Hemoglobina - estrutura

� Estrutura primária: Com algumas diferenças nas

várias globinas

� Estrutura secundária: hélice alfa

� Estrutura terciária: Globular- aminoácidos

hidrofílicos no exterior (solubilidade) e aminoácidos

hidrófobos no interior (pockets para inserção do grupo

heme)

� Estrutura quaternária: Tetrâmero solúvel

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– Dímeros α1β1 e α2 β2, com eixo de simetria

- Um grupo prostético Heme por cada subunidade ligado a histidina proximal 87

(α) e 92 (β) na bolsa hidrofobica da hemoglobina

Hemoglobina - estrutura

Hemoglobina - estrutura

O Fe2+ fica no centro do heme, formando 6 Ligações: liga-se aos 4 átomos de N do anel porfírinico, 1 ligação à cadeia polipeptídica (através de um resíduo de histidina (87α ou 92β)

– histidina proximal – e a uma molécula de O2

Fe

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O2

Ligação de O2 ao Fe2+

A oxigenação faz com que o Fe2+ que não estava originalmente centrado no plano daprotoporfirina, se mova para esse plano, distorcendo a cadeia da Hbe causando uma alteração conformacional.Como consequência da alteração conformacional em uma das subunidades, ocorremalterações nas outras subunidades e altera-se a afinidade destas para o O2.

Como a ligação de um O2 num grupo heme afecta a

afinidade de ligação de outro grupo heme?

Desoxigenado Oxigenado

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Quando o O2 se liga a Hb - um dímero Alfa-Beta sofre rotação de 15º em relação ao outro – rearranjo estrutural que permite a transformação em Hb , com maior afinidade para o O2.

A oxigenação da molécula de hemoglobina

Alterações conformacionais da hemoglobina durante a transição do

estado oxigenado para desoxigenado

Mudanças nos contactos entre as subunidades

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Conformações da Hemoglobina

Duas conformações principais com diferentes afinidades para o O2: 1) T (Tenso) - Estado desoxigenado - desoxi-Hb2) R (Relaxado) - Estado Oxigenado – Oxi -Hb

Na presença de O2, o estado R é mais estável

O2

Forma desoxigenada (desoxi –Hb) → Conformação T– As subunidade estão mais afastadas (5A)– A estrutura molecular é mais “rígida” e dificulta o acesso ao O2

Forma oxigenada (oxi-Hb) → Conformação R – Maior proximidade das cadeias– Ligação de O2 a desoxi-Hb favorece a conformação R por rotura depontes salinas – aumenta a ”flexibilidade” da molécula e facilita a ligação amais moléculas de O2

Conformações da Hemoglobina

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Alosterismo na hemoglobina (Hb)

A ligação da primeira molécula de oxigênio (O2) ao heme facilita o preenchimento dosoutros grupos heme, de tal maneira que a ligação da quarta molécula de oxigênio é 300vezes mais fácil que a ligação da primeira.

Cooperatividade.

O2 é um modelador alostérico positivo

• Maior afinidade para O2 no pulmão - ↑ pO2• Menor afinidade nos tecidos

- ↓ pO2

Fracçãode sítios ocupados

(% de saturação da Hemoglobina)

A curva de saturação da hemoglobina pelo O2

segue um perfil sigmoidal

Reflete o modelo concertado de cooperatividade

Afinidade da Hb para o O2 varia com a PO2

Pressão parcial de O2 (PO2)

Pressão de O2 venoso

Pressão de O2 arterial

Tecidos

Pulmões

Forma T

Tecidos

Forma R

Pulmões

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H+ e CO2: outros ligandos modeladores alostéricos da

Hemoglobina – o Efeito de Bohr - Haldane

� A afinidade da hemoglobina pelo O2 depende de pH do meio

� A acidez e aumento da concentração de CO2 (por ligação direta à Hb ou por se transformar em ácido carbónico – H2CO3 - o qual se dissocia em H+ e HCO3-) - estimulam a libertação de oxigênio - ↓a afinidade e é favorecida a conformação T.

� A presença de níveis mais altos de CO2 e H+ nos capilares de tecidos em metabolismo ativo promove a liberação de O2 da hemoglobina,

O processo de alteração da afinidade da hemoglobina pelo O2 na presença de H+, CO2 e O2 → efeito Bohr - Haldane

Para a mesma pO2, a saturação da Hb

diminui de 65% em pH 7,6 para 35% em pH

7,2.

2,3-Bisfosfoglicerato: ligando modelador alostérico da

hemoglobina

� 2,3 Bifosfoglicerato (2,3-BPG)

– Liga-se à conformação T estabilizando-a

– diminui afinidade para O2 (tecidos, PO2 ↓)

– A ligação de O2 à Hb T - diminui afinidade para 2,3 BPG (pulmões, PO2↑)

O seu papel fisiológico é aumentar substancialmente a libertação de O2 nos

tecidos extrapulmonares, onde a PO2 é baixa.

- A exposição prolongada à altitude aumenta o 2,3 –BPG (adaptação)

que diminui a afinidade do heme para o O2 mas aumenta a libertação

de O2 nos tecidos

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O 2,3 BPG liga-se na cavidade

central do tetrâmero da

hemoglobina, estabilizado por

interações eletrostáticas com

resíduos de carga positiva.

2,3-bifosfoglicerato é um regulador alostérico negativo da

hemoglobina

Desvios à curva de saturação da hemoglobina

pelo O2

A P50 é a pressão parcial do oxigênio na qual a Hb se encontra 50% saturada, padronizada a um nívelde pH de 7,40. A P50 normal é de aproximadamente 27 mmHg.�Condições que causam uma diminuição da afinidade da Hb pelo oxigênio aumentam a P50 acima doseu valor normal.�Condições associadas com um aumento da afinidade diminuem a P50 abaixo do seu valor normal.

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O papel da histidina distal

�Protege o Fe2+ da oxidação → Meta-hemaglobina (Fe3+)�Impedimento estéreo da ligação do CO (maior afinidade que o O2) ao Fe2+�O CO liga-se linearmente ao Fe2+ - há um impedimento pela histidina distal(enquanto que o O2 não é afectado porque se liga com um angulo de 120º relativamente ao plano do anel).

(58 e 63 em α e β)

ONTOGENIA DAS HEMOGLOBINAS

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Desenvolvimento biológico

Dadas as condições respiratórias tão diferentes durante o desenvolvimentobiológico, explica-se a existência de tipos diferentes de hemoglobinas,adequados aos períodos intra e extra-uterinos de vida.

HEMOGLOBINA Fetal (F) vs Adulto (A)

Na hemoglobina A as cadeias β normais ligam-se ao 2,3-BPG, o seu regulador natural, queparticipa na libertação do oxigénio.Na hemoglobia F as cadeias γ não se ligam ao 2,3-BPG e por consequência têm uma maiorafinidade para com o oxigénio. Num ambiente pobre em oxigénio, como é o da placenta, o oxigénioé libertado da hemoglobina da mãe e o feto “capta-o” e liga-se a ele. Esta pequena diferença naafinidade medeia a transferência de oxigénio da mãe para o feto.

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HEMOGLOBINOPATIAS - classificação

1. Estruturais (erros sequência de aminoácidos)

a) Polimerização – HbS – Anemia Falciformeb) Afinidade alterada para O2Aumentada (Hb Yakima - eritrocitose)Diminuída (cianose)c) Hemoglobinas instáveis (Hb Koln, Hb Philly, Hb Genova – corpos de inclusão e hemólise)2. Talassémias (erros na síntese de globina)

3. Variantes talassémicas (hemoglobinopatias estruturais com

fenótipos talassémicos associados)

a) HbE, Hb Constant Spring, Hb Lepore4. Persistência hereditária de HbF

5. Adquiridas

a) Methemoglobinab) Sulfhemoglobinac) Carboxihemoglobinad) Aumento dos níveis de HbF

Hemoglobina S - tipo anormal de hemoglobina - faz com que as hemácias adquiram a forma de foice (daí o nome falciforme) em ambiente de baixa oxigenação, dificultando sua circulação e provocando obstrução vascular.

Anemia Falciforme

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Mioglobina- características

�Hemoproteína citoplasmática�Ancestral comum com hemoglobina�Músculo estriado cardíaco e esquelético dos mamíferos� Função:– Armazenamento de O2 no músculo e transporte para a mitocôndria (grandes demandas de O2)

Mioglobina- estrutura

�Estrutura monomérica (cadeia única 154 aa) – Cadeia polipeptídica com 8 hélices (de A a H)– 1 grupo heme na bolsa hidrofóbica, entre 2 resíduos de histidina (His64 e His93) com um átomo de Fe2+ central– Ferro com 6 ligandos• 4 átomos de N (anel de porfirina)• 1 His93 (= à hemoglobina)• 1 O2

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Mioglobina Subunidade β da Hemoglobina

Grupo Heme

As estruturas secundárias e terciárias da mioglobina e das

subunidades β da Hemoglobina são quase idênticas

Comparação das curva de saturação pelo O2 da

hemoglobina e da mioglobina

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Armazena O2 no músculo e transporta para as mitocôndrias

Transporte de O2 dos pulmões para as células e de CO2 das células para os pulmões

Mioglobina Hemoglobina

Uma cadeia polipeptídica – estrutura terciária

Quatro cadeias polipeptídicas-estrutura quaternária

Função de saturação: curva hiperbólica

Função de saturação: curva sigmoidal

P50 menor P50 maior

Maior afinidade para o O2 Menor afinidade para o O2

Não alostérica Alostérica: Forma T e forma R

Não há presença de efeito cooperativo Efeito cooperativo

Não é afectada por H+ e 2,3-BPG Afectada por H+ e 2,3-BPG (estabilizam a forma T)

Importante saber:

o As características gerais, a função metabólica e estrutura da Hemoglobinao A importância do mecanismo de cooperatividade e a alternância entre as conformações T e R para a função da Hemoglobinao Interpretar as curvas de saturação da Hemoglobina e a forma como refletem a alteração conformacional/funcionalidade desta proteínao A modulação alostérica negativa e o efeito de Bohr-Haldaneo Os vários tipos de hemoglobinas presentes ao longo do desenvolvimento biológicooSaber as semelhanças e as diferenças entre a Mioglobina e a Hemoglobina em termos de estrutura e função

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Aplicação dos conhecimentos:

Curvas de oxigenação da Mioglobina, Hemoglobina A e Hemoglobina F.1. Identifique-as corretamente e justifique a sua escolha.

2. Porque é que que a hemoglobina émais adequada do que a mioglobina para afunção de transporte de O2?

3. Qual o efeito da ligação do CO2 e H+ àhemoglobina? Qual a importância desta ligação naoxigenação dos tecidos?

Bibliografia

� Alexandre Quintas, Ana Ponces e Manuel J. Halpern., Bioquímica -Organização Molecular da Vida. Lidel Edições Técnicas Lda – Capítulo 14

� Gerald Carp, Cell and Molecular Biology – Concepts and Experiments. JohnWiley & Sons, Inc. 16th edition – Capítulo 2

� Lodish, Harvey et al.; Molecular Cell Biology; 4ª Edição; W. H. Freeman andCompany. – Capítulo 3

� Links úteis

http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/structure/myoglo

bin_hemoglobin/

http://themedicalbiochemistrypage.org/hemoglobin-myoglobin.php