25-09-2015
1
Hemoglobina e Mioglobina
Relação entre a estrutura e a função das proteínas
Guadalupe Cabral ([email protected])
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
25-09-2015
2
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+
25-09-2015
3
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
25-09-2015
4
– 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
25-09-2015
5
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
25-09-2015
6
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
25-09-2015
7
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
25-09-2015
8
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
25-09-2015
9
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
25-09-2015
10
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.
25-09-2015
11
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
25-09-2015
12
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.
25-09-2015
13
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
25-09-2015
14
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
25-09-2015
15
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
25-09-2015
16
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
25-09-2015
17
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