UFABC Bacharelado em Ciência & Tecnologia

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1 UFABC Bacharelado em Ciência & Tecnologia Transformações Bioquímicas (BC0308) Prof Luciano Puzer Propriedades e funções de proteínas: Mioglobina / Hemoglobina

2 Mioglobina (Mb) Em 1957, John Kendrew apresentou a estrutura tridimensional da Mb (primeira proteína cristalizada!!) Ø Proteína globular solúvel: uma única cadeia polipeptídica de 151 resíduos (17600 Da) Ø Grupo heme: liga O 2 Ø Molécula compacta: alta proporção de α-helices: 75% dos aminoácidos associados em 8 α-helices (A-H)

3 Mioglobina x Heme: um ambiente protegido ü His distal His proximal Modificado de Watson HC, Prog. Stereochem, 1969

4 Formação do grupo Heme A capacidade da Mb e da Hb fixar O 2 depende do grupo prostético HEME Estrutura básica das porfirinas Protoporfirina IX+Fe 2+ =Heme

5 Ligação do O 2 ao Fe 2 Histidina Plano do anel da porfirina

6 Heme O Ferro no Heme pode estar como Fe 2+ ou Fe 3+ Ø Somente o Fe 2+ pode ligar-se ao O 2 ligação reversível Ø Oxihemoglobina ou Oximioglobina cor vermelha Ø O Fe 3+ não permite a ligação do O 2 meta-hemoglobina, cor castanha

7 Características da Mioglobina Ø O interior da molécula consiste quase que exclusivamente de resíduos apolares Ø O exterior da molécula contém resíduos polares e apolares Ø O grupo Heme está localizado em um bolsão apolar, que protege o Fe 2+ da oxidação

8 Hemoglobina : uma proteína alostérica Ø Molécula de Hb quase esférica: quatro cadeias formando arranjo tetraédrico (68000 Da). Ø Duas regiões tem seqüências altamente conservadas: bolsões do heme e as interfaces α/β. Mutações nestas regiões interferem na ligação normal do O 2. Ø Os grupos heme das 4 unidades não têm comunicação direta

9 Estrutura tridimensional da Hemoglobina Químico e biólogo austríaco, e l u c i d o u a e s t r u t u r a tridimensional da hemoglobina por difração do raio-x Iniciou a determinação da estrutura em 1936 e concluiu em 1959 Max Ferdinand Perutz ( ) Ganhou o Prêmio Nobel de Química (1962), por essa descoberta.

10 Cadeias de Hemoglobina Humana Ø Cadeias α= 141 resíduos Ø Cadeia β= 146 resíduos Ø Hb A: predominante nos adultos, α 2 β 2 Ø Hb F: hemoglobina fetal, α 2 γ 2

11 Hemoglobina: as várias faces de uma proteína alósterica Hemoglobina: o paradigma da relação estrutura-função Ø Qual a sua função ou funções além de transportar O 2? Ø Como ela desempenha sua(s) funçõ(es)?

12 Mioglobina e cadeia β da Hemoglobina HEME Mioglobina Cadeia β da hemoglobina Modificado de Purutz, Sci. Amer. 239: 6, 1978

13 Estrutura da HbH (T) e da HbO 2 (R) Desoxihemoglobina Oxihemoglobina Conformação T Conformação R

14 Interação do O 2 com o heme Hélice F Conformação T Conformação R

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16 A HisF8 proximal desloca a Hélice F HbO 2 HbH Comparado com a molécula de hemoglobina, o oxigênio parece uma pulga que faz dançar um elefante - Perutz Adaptado de Baldwin e Chothia J. Mol. Biol. 129:192, 1979

17 Propriedades Alostéricas da Hb Ø A ligação de um O 2 facilita a ligação de mais O 2 (efeito cooperativo) Ø A afinidade da Hb por O 2 depende do ph e da pco 2 (efeito Bohr) Ø A afinidade da Hb por O 2 é regulada por fosfatos orgânicos (BPG) IMPORTANTE: a Mioglobina não apresenta nenhuma destas propriedades

18 Curva de saturação Mb e da Hb Para qualquer po2, Y é maior para a Mb do que para a Hb P 50 Mb= 2.8 torrs P 50 Hb =26 torrs Saturação Mioglobina Hemoglobina po 2 pressão (torrs) P 50 = pressão parcial de O 2 na qual 50% dos sítios estão ocupados

19 Sistema Circulatório: Trocas gasosas da Ar inspirado Ar expirado Alvéolo Sangue entrando nos capilares alveolares Sangue deixando os capilares alveolares veias pulmonares artérias pulmonares coração Artérias sistêmicas veias sistêmicas tecido

20 Fatores que afetam a afinidade da Hb pelo O 2 Aumento de H + ou CO 2 e aumento de temperatura diminuem a afinidade da Hb pelo O 2 Diminuem a afinidade temperatura H + ( ph) CO 2 2,3 BPG

21 Efeito Bohr Relações alostéricas entre H +, CO 2 e O 2 Ø Nos tecidos, o ph mais baixo e o pco 2 mais alta resulta na conversão da forma R para T pulmões Ø Isto causa a liberação do O 2 porque a forma T tem menor afinidade por O 2 do que a R. tecidos

22 Efeito Haldane A: HbH liga melhor o CO 2 B: HbO 2 tem menor afinidade pelo CO 2 alta po 2 liberação de CO 2 e H + da Hb.

23 Efeito alostérico do BPG 2,3-Bisphosphoglyceric acid Ø Sabia-se que o 2,3-BPG estava presente nas hemácias antes de sua função ser conhecida Ø Em 1967, Ruth and Reinhold Benesch descobriram que o BPG se liga a Hb e reduz sua afinidade por O 2

24 Sitio de interação do BPG na desoxihemoglobina Hb-BPG+4O 2 Hb(O 2 ) 4 + BPG (cargas positivas em azul)

25 Doença moleculares: Hemoglobinas mutantes Ø A analise das mutações que afetam o transporte de O 2 mostraram que mudança de um único aminoácido em uma proteína pode causar uma doença. Ø Há mais de 400 hemoglobinas mutantes documentadas. Ø Mutação de genes que resultam na substituição de um único aminoácido: Anemia falciforme. Ø Ausência ou deficiência de uma molécula de globina: Talassemias.

26 Anemia falciforme Vernon Ingram, descreveu a diferença entre a Hb normal (HbA) e a falciforme (HbS) (1957) Ø A cadeia β da HbS tem um resíduo de Val na posição 6 onde a Hb A tem um Glu Ø A mutação reduz a solubilidade da HbS desoxigenada mas tem pouco efeito sobre a HbS oxigenada Ø HbS forma precipitados fibrosos

27 Hemoglobina S J. Mol. Biol, 175: 159, 1984

28 Hemoglobina S Glu6 à Val na cadeia beta resulta numa superfície hidrofóbica que promove associação entre moléculas para formar filamentos e fibras