Ciclo I - Modulo II - Bioquímica (Hemoglobina e Mioglobina)

HEMOGLOBINA

Transporte de Oxigênio


O transporte de oxigênio dos pulmões aos tecidos é efetuado pela hemoglobina presente nas hemácias. O CO2 produzido pelos tecidos é convertido a ácido carbônico, que se ioniza em bicarbonato e H+. O bicarbonato é transportado pelo sangue até os pulmões, onde é eliminado como CO2; os íons H+ são removidos pela hemoglobina. Dessa forma, ela também exerce poderoso efeito tampão, impedindo que os íons H+ possam alterar o pH do sangue, com consequencias danosas para o organismo. Deste modo, embora haja grande produção de CO2 pelos tecidos, a presença da hemoglobina restringe as variações de pH a apenas centésimos de unidades, mantendo o sangue e os tecidos em meio notavelmente constante.

A partir de moléculas nutrientes produz nos tecidos o CO2 (origem: glicose e gordura). E liberado no sangue para ser excretado pelos pulmões. No sangue ele reage com a água.

CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HOO3- = HOO3- + H+ = H2CO3 = CO2 = pulmões
ácido carbônico = bicarbonato

A hemoglobina é capaz de se transformar porque se liga no oxigênio.

Estrutura e Função da Hemoglobina

A hemoglobina é encontrada exclusivamente nos eritrócitos, onde sua principal função é transportar oxigênio dos pulmões até os capilares dos tecidos. A hemoglobina A, a principal hemoglobina em adultos, é composta por quatro cadeias polipeptídicas - duas cadeias alfa e duas cadeias beta - mantidas unidas por meio de ligações não-covalentes. Cada cadeia tem estrutura primária, secundária e terciária. O ferro do heme faz a ligação entre o heme e a cadeia. As cadeias estão ligadas entre si. Cada subunidade contém segmentos de estrutura em hélice alfa, além de uma fenda, ou bolso, onde se liga o grupo heme. A molécula tetramérica da hemoglobina, no entanto, é estrutural e funcionalmente mais complexa do que a mioglobina. Por exemplo, a hemoglobina pode transportar CO2 dos tecidos até os pulmões e pode carregar quatro moléculas de O2 dos pulmões às células dos tecidos do corpo. Além disso, as propriedades de ligação do oxigênio na hemoglobina são reguladas por interações com efetores alostéricos.

O heme é um complexo entre a protoporfirina IX e o íon ferroso (Fe2+). O ferro está preso no centro da molécula do heme por meio de ligações aos quatro nitrogênios do anel porfirínico. O Fe2+ do heme pode formar duas interações adicionais, uma de cada lado do plano do anel porfirínico.

Funciona tanto como um reservatório de oxigênio quanto como um carreador de oxigênio dentro da célula muscular.

Tem que ser íon ferroso porque o íon férrico não é capaz de transportar oxigênio.

Na hemoglobina e na mioglobina, as duas hemeproteínas mais abundantes em humanos, o grupo heme serve para ligar, de forma reversível, o oxigênio. Ou seja, a hemoglobina é capaz de transportar porque se liga no oxigênio.

Para cada molécula de Hb, existem 4 átomos de ion ferroso (Fe2+). Portanto, cada molécula de Hb contém 4 (quatro) moléculas de oxigênio.

A hemoglobina tem mais afinidade com o monóxido de carbono do que com o oxigênio.

O que faz a hemoglobina ligar com o oxigênio é o fato de ter muito oxigênio. Ou seja, se tiver mais monóxido de carbono do que oxigênio, a hemoglobina fará a ligação com o monóxido de carbono levando para a célula.

Forma R: Uma molécula de hemoglobina totalmente oxigenada contém quatro moléculas de O2 e é denominada oxi-hemoglobina. Encontra-se na forma relaxada, frouxa, na qual as cadeias polipeptídicas tem maior liberdade de moviementos. É a forma de alta afinidade pelo oxigênio da hemoglobina.

Forma T: A forma desprovida de oxigênio é chamada desoxi-hemoglobina. Encontra-se na forma tensa. É a forma de baixa afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. A forma T é a forma de baixa afinidade pelo oxigênio.



Hemeproteínas Globulares
O grupo prostético heme é o sítio de ligação do oxigênio

Hemeproteínas são um grupo especializado de proteínas as quais contém heme como grupo prostético.

O grupo prostético heme é o sítio de ligação do oxigênio.

Cada cadeia da hemoglobina está associada a um grupo prostético chamado heme. A heme permanece no estado ferroso. O heme confere a hemoglobina, e ao sangue, sua cor característica.

O grupo heme, em cada subunidade, localiza-se dentro de uma cavidade hidrofóbica, delimitada por aminoácidos apolares. Este ambiente apolar torna possível a ligação do oxigênio ao ferro (Fe2+), sem que ele seja oxidado ao esado férrico (Fe3+).

A heme são proteínas conjugadas cujo grupo prostítico é o Heme.

Uma molécula de hemoglobina totalmente oxigenada contém, portanto, quatro moléculas de O2 e é denominada oxiemoglobina (oxi-Hb ou HbO2), em contraposição à forma desprovida de oxigênio, chamada desoxiemoglobina (desoxiHb ou Hb). A ligação do oxigênio ao grupo heme altera a cor da hemoglobina, que passa de azulada (sangue venoso) a vermelha (sangue arterial).



A ligação de oxigênio desencadeia alterações na conformação da hemoglobina

A oxigenação da hemoglobina determina alterações estruturais sequenciais. O pequeno deslocamento do ferro, causado pela ligação do oxigênio ao grupo heme de uma subunidade, dispara uma sequencia de eventos mecanicamente transmitidos, que alteram a estrutura quartenária da hemoglobina.

Local de ligação do ferro com o oxigênio

O monóxido de carbono pode se ligar ao local de ligação do ferro com o oxigênio, com afinidade ainda maior que o próprio oxigênio, que é, portanto excluído.

Estes compostos ligam-se ao ferro do grupo heme da mioglobina e hemoglobina, o que explica sua alta toxidez para os organismos aeróbicos.

A hemoglobina liga-se ao oxigênio cooperativamente

A curva de dissociação do oxigênio da hemoglobina tem forma sigmoidal, indicando que as subunidades cooperam na ligação do oxigênio. A ligação cooperativa do oxigênio as quatro subunidades da hemoglobina significa que a ligação de uma molécula de oxigênio a um dos grupos heme auemtana afinidade pelo oxigênio dos grupos heme restatnes na mesma molécula de hemoglobina. Esse efeito é denominado interação heme-heme. Embora seja mais difícil para a primeira molécula de oxigênio ligar-se a hemoglobina, a ligação subsequente de oxigênio ocorre com alta afinidade, como demonstrado pela curva rapidamente ascendente.

A hemoglobina liga-se ao oxigênio cooperativamente: a ligação da primeira molécula de oxigênio facilita o preenchimento dos outros grupos heme.

A ligação do oxigênio, implica em rearranjos moleculares sucessivos, são movimentos coordenados que determinam a dinâmica de oxigenação da hemoglobina: a ligação da primeira molécula de oxigênio facilita o preenchimento dos outros grupos heme.

Depois que a Hb faz ligação com o oxigênio, ele muda sua conformação (formas das cadeias). Através de ligações iônicas de Hidrogênio.



Fatores que interferem na ligação com oxigênio

As hemácias contém um conjunto que diminui a afinidade da hemoglobina por oxigênio
A hemoglobina de mamíferos, quando presente nas hemácias, tem afinidade menor por oxigênio do que quando purificada.

MIOGLOBINA

Estrutura e função da mioglobina

A mioglobina, uma hemeproteína presente no coração e no músculo esquelético, funciona tanto como um reservatório de oxigênio quanto como um carreador de oxigênio que aumenta a velocidade de transporte de oxigênio dentro da célula muscular. A mioglobina consiste em uma única cadeia polipeptídica, a qual é estruturalmente similar a uma das cadeias polipeptídicas individuais que constituem as subunidades da molécula da hemoglobina. Essa homologia torna a mioglobina um modelo útil para interpretar algumas das complexas propriedades da hemoglobina.

Não tem estrutura quartenária. Somente tem primária, secundária e terciária. É dosada quando sentimos dor no coração (infarto).

Está dentro das células dos músculos cardíacos e músculos esqueléticos.

A hemoglobina tem que transferir oxigênio para a mioglobina.

Cada molécula de mioglobina pega apenas uma molécula de oxigênio.



Curva de dissociação do oxigênio

A afinidade da mioglobina com o oxigênio é diferente da hemoglobina. A afinidade dela é maior que a hemoglobina. A curva de dissociação do oxigênio da mioglobina possui uma forma hiperbólica. Isso reflete o fato de que a mioglobina liga-se reversivelmente a apenas uma molécula de oxigênio.

Hemoglobina: em baixa concentração de oxigênio menos saturação.
Mioglobina: em baixa concentração de oxigênio mais saturação.

A mioglobina não poderia substituir a hemoglobina por causa da sua afinidade com o oxigênio. Ela não liberaria molécula de oxigênio.

A hemoglobina foi escolhida justamente por ser colaborativa.

A hemácia faz o transporte do oxigênio para a hemoglobina porque ela não tem mitocôndria (onde fica o oxigenio).

O que explica como as pessoas sobrevivem com pouco oxigênio é o BPG. A hemoglobina deles não ficam 100% oxigenada. O BPG fará que diminua a afinidade pelo oxigênio na hemoglobina para que ela libere oxigênio para o corpo. A hemácia produz mais BPG.

O papel fisiológico da hemoglobina é aumentar substancialmente a liberação de oxigênio nos tecidos extrapulmonares.



METAHEMOGLOBINA
Quatro subunidades = quatro cadeias polipeptídicas associadas através de ligação não covalentes. Cada subunidade está dissociada a uma heme.

O O2 para ser transportado, liga-se ao Fe2+.


radicais livres e certas drogas captam eletron do Ferro


Indivíduos com deficiência de redutase (enzima) tem o Cu2+ (azul) e Cu+1 (vermelho tijolo)




A LIGAÇÃO DE OXIGÊNIO A HEMOGLOBINA DEPENDE DO PH: EFEITO BOHR

Ligação de CO2:

O monóxido de carbono (CO) liga-se fortemente ao ferro da hemoglobina, formando carboxiemoglobina (HbCO). Quando o monóxido de carbono liga a um ou mais dos quatro grupos heme, a hemoglobina muda para a conformação relaxada, de modo que os grupos remanescentes ligam-se ao oxigênio com maior afinidade. Isso leva ao deslocamento da curva de saturação para a esquerda, mudando o formato sigmoidal da curva para o formato hiperbólico. Como resultado, a hemoglobina afetada é incapaz de liberar o oxigênio para os tecidos. (Nota-se que a afinidade da hemoglobina pelo CO é 220 vezes maior do que para o oxigênio). Consequentemente, mesmo concentrações mínimas de monóxido de carbono no meio podem produzir concentrações tóxicas de carboxiemoglobina no sangue. A toxidade do monóxido de carbono parece resultar da combinação de hipóxia tecidual e de dano celular direito mediado pelo monóxido de carbono. O envenenamento por monóxido de carbono é tratado com terapia de 100% de oxigênio, que facilita a dissociação do CO da hemoglobina.

Para cada valor de pO2 considerado, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio varia com o pH, mesmo dentro de estritos limites fisiológicos de variação do pH: é tanto menor quanto menor o pH.

- O oxigênio vai para o pulmão, junta-se com a hemoglobina;
- Os dois juntos formam um composto que é a hemoglobina oxigenada;
- A hemoglobina oxigenada (HHbO2) faz uma troca com o oxigênio da seguinte maneira: deixa os seus H+ (íons H+) no pulmão e fica com o oxigênio;
- Ficando oxigenado, esses íons se reagem com íons bicarbonato (HCO3) forma-se o ácido carbônico (H2CO3);
- O ácido carbônico (H2CO3) sofre ação da nidrase carbônica (uma enzima) e é quebrado em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O);
- O dióxido de carbono (CO2) é eliminado pela respiração;
- Depois que a hemoglobina pega o oxigênio vai para a célula (oxigenada) chegando na célula para liberar o oxigênio ela pega os íons H+ e dá oxigênio para o tecido;
- O tecido libera o CO2 (que é o resultado das reações do metabolismo das células);
- Esse CO2 reage com a água e gera um produto final que o ácido carbônico;
- O ácido carbônico será dissociado em íons H+ e íons bicarbonato e aí inicia-se todo o processo novamente: a hemoglobina volta para o pulmão com os íons H+ e sem o oxigênio e ...

OBS: o que transforma o CO2 e H2O em ácido carbônico é a nidrase carbônica.

HEMOGLOBINA FETAL

Hemoglobina fetal (HbF): a HbF é um tetrâmero, consistindo em duas cadeias alfa idênticas àquelas encontradas na HbA, mais duas cadeias gama (Y) - alfa 2 y 2
Hemácias de sangue fetal têm uma afinidade maior pelo oxigênio do que as hemácias maternas.

HEMOGLOBINAS ANORMAIS

Hemoglobinas com sequências alteradas de aminoácidos:
1 - Anemia Falciforme (HbS): as alterações causam privação de oxigênio.
2 - Doença da Hemoglobina C (HbC)

Produção Diminuída de Hemoglobina normal:
3 - Síndrome de Talassemia:
As talassemias são doenças hemolíticas hereditárias, nas quais ocorre um desequilíbrio na síntese das cadeias de globinas.
Nas talassemias, a síntese de uma cadeia alfa ou beta é defeituosa.
Pode ser causada por uma série de mutações, incluindo deleções de um ou vários nucleotídeos no DNA.
Pode ser classificada como um distúrbio no qual não são produzidas cadeias de globinas, ou como um distúrbio no qual algumas cadeias são sintetizadas, porém em velocidade reduzida.

Resumo:

A hemoglobina A, a principal hemoglobina de adultos, é composta de quatro cadeias polipeptídicas (duas cadeias alfa e duas betas) mantidas unidas por interações não-covalentes. As subunidades ocupam posições diferentes na desoxiemoglobina, se comparadas com a oxiemoglobina. A forma desoxi da hemoglobina é chamada de T ou forma tensa. Ela apresenta restrições estruturais, que limitam o movimento das cadeias polipeptídicas. A forma T é a forma de baixa afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. A ligação do oxigênio da hemoglobina causa a ruptura de algumas ligações iônicas e pontes de hidrogênio. Isso leva a uma estrutura chamada R ou forma relaxada, na qual as cadeias polipeptídicas possuem maior liberdade de movimento. A forma R é a forma de alta afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. A curva de dissociação da hemoglobina tem forma sigmoidal (em contraste com a da mioglobina, a qual é hiperbólica), indicando que as subunidades ligam o oxigênio de forma cooperativa. A ligação cooperativa do oxigênio pelas quatro subunidades da hemoglobina significa que a ligação de uma molécula de oxigênio a um dos grupos heme aumenta a afinidade pelo oxigênio dos grupos heme remanescentes na mesma molécula de hemoglobina. A habilidade d leigar reversivelmente oxigênio da hemoglobina é afetada pelo pO2 (pressão de oxigênio por meio de interações heme-heme), pelo pH do meio, pela pCO2 e pela disponibilidade de quando o pH diminui ou quando a pCO2 aumenta (Efeito Bohr), como acontece em um músculo em exercício, e a curva de dissociação do oxigênio é deslocada para a direita. Quando necessário, o BPG liga-se a Hb e diminui sua afinidade pelo oxigênio, dessa forma também deslocando a curva de dissociação para a direita. O monóxido de carbono (CO) liga-se fortemente ao ferro da hemoglobina, formando carboxiemoglobina, HbCO.

Referências Bibliográficas:

CHAMPE, Pamela C.; HARVEY, Richard A.; FERRIER, Denise R. Bioquímica Ilustrada. 3 ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.

MARZZOCO, Anita; TORRES, Bayardo B. Bioquímica Básica. 3 ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 2007.